Токсичность ГТД и перспективы применения водорода

Table of contents :
Предисловие
Глава I Токсичность отработавших газов двигателей
1. Гигиеническая оценка двигателя как источника загрязнения воздуха
2. Нормирование токсичности
3. Выбросы токсичных и канцерогенных веществ
4. Анализ токсических характеристик ГТД
Глава II Механизм образования вредных веществ в камерах сгорания двигателей
1. Альдегиды, окись углерода, несгоревшие углеводороды
2. Сажа и дымность ОГ
3. Канцерогенные вещества
4. Окислы азота
Глава III Пути снижения выброса вредных веществ с отработавшими газами двигателей
1. Улучшение распыления и смесеобразования топлива с воздухом
2. Изменение коэффициента избытка первичного воздуха в камере сгорания
3. Ступенчатое сжигание топлива и разбавление топливно-воздушных смесей инертными компонентами
4. Снижение времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур камеры сгорания
5. Применение внешнего смесеобразования
6. Использование газообразных топлив и присадок к топливам
Глава IV Перспективы применения водорода в двигателях
1. Характеристика водорода как топлива
2. Основные пути и особенности применения водорода в ГТД
3. Характеристика работы двигателей на водороде
4. Токсические характеристики ГТД при использовании водорода как топлива
Список литературы

Citation preview

АКАД ЕМИЯ HAYR УRРАИ НСR О й ССР

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОСТРОЕНИЯ

П. М. КАНИЛО

ТОRСИЧНОСТЬ ГТ Д И ПЕРСПЕRТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

ВОДОРОДА

КИ ЕВ «НАУКО ВА ДУМКА», 1982

УДR 621.438 : 546.11

Товсичность ГТД и перспевтивы применения водорода / Rа­ пило П. М.- Киев: Наук. думк а , 1982.- 140 с . В мо ногр афии приведе ны технико -внономи-�-+�--'1--,�-V�---+�---I IO

����::::;:::_j___:_.J____j o

С,Нg,г/кг 4 2

о �· l5

1.9

б

2,3 8

7

2,7 9

!О

3,1

11

3,5

21

10 35

49

18

а,

63 а,

Рис. 1 1 . Зависимость выброса токсичных веществ и полноты с г о­ рания топл и ва от коэффициента избытка воздуха в гибридной 3 , 1 • 1 05 Па) при подаче топ­ камере сгорания ( Т 2 = 843 R ; р2 лпв а : =

1, а,

5, 7

лива);

2,

- через 4,

в.

8

испаритель и дежурную форсунку ( 1 0 % всего расход а топ­ испаритель: 9-1 1 - через пе�нурную форсунку

- через

тр анспортного двигателя с очень низкими уровнями вы­ бросов токсичных компонентов за рабочий цикл . H;:i р и с . 12 показан состав смеси в Г R СНГ для всего спектр а ра ­ бочих режимов регенеративного ГТД в зависимости от отно­ сительной частоты вращения турбокомпрессор а . На ста­ ционарных режимах большой мощности (линия аб) пред­ в арительно подготовленная в испарителе бедная то11ливно­ воздушная смесь сжигается на дежурном диффузионно111 факеле . На указанных режимах больших мощностей rx 1 выбирается из условия обеспечения допустимых уровней в ыброса N Ox. При резком сбросе нагрузки с режимов большой мощности форсунка испарителя откл ючается и систе мя скачко м пе реходит н а линию ед , где р а ботае т з 1 - 1 932

33

только дежурная форс унка . П ри достижении требуе мо й частоты вращени я система сначком перех одит с л и н ии ед на линию вг , на :которой включается форсун:ка испа­ рителя. В случае резкого н аброса нагруз:ки система с линии аб перех одит на линию ик , при этом работают обе форсун:ки . На режимах , близ:ких к х . х (о б л а сть иежа) , си ст ема работает аналогично обычным сист емам регу л и­ дл я диффузи он­ р о в а ния iJ ных камер сгорания 35 Та ким образом , нервые 10 полученные резу л ьтаты , / при испытании манетной / 8 ГКСН Г , по:казали правил ь­ ность выбра нного напр ав­ 21 . б / ления по созданию гибрид­ ж/ ных гомоген н ы х :камер с го­ 14 4 рания , в к оторых , одн а :к о , г г--.._ н а режима х зацус:ка и при а :-J ....._ -- 7 2 очень большом обедн ении и к смеси необходимо все топ­ 115 0.6 117 0.8 0,9 п," % ливо подавать непосредст­ Р и с . 1 2 . Зависимость соста в а сме­ венно в зону г оре н ия . З ная си в гибр и дн о й гомогенной ка м ере положительное влияние дос го р а н и я от п т н Г ТД . баво:к водорода н а уровень то:ксичности ОГ ( 8 , 23 ] , можно утверждать , что применение гиб ридных (гомогенных камер) сго рания с водородной де­ журной горелной поsволит обеспечить практичес:ки бесток­ сичный выхлоп АГТД. Н иже дл я сравнения предста влены поназатели тонсич­ ности диффуз и онн ы х камер сгорания регенер ати в ны х ГТ Д тип а Г А З - 99 . Ди а u а зоны уровней выброса токсич­ ных в ещес тв при а:Е , равном 7 , 0; 1 0 и 1 4 , соста вл яют соот­ ветственно : СО 1 , 9 - 7 , 0 ; 2 , 5 - 20 и 1 2 -50 г / к г ; Сх Ну 0 , 1 - 4 , 0; 0 , 2 - 4 , 5 и 0 , 6 - 6 ,0 г / нг; N Ox 9 -20 ; 8 , 5 - 1 5 и 4 - 10 г / :кг. Авиационные Г Т Д . В н а сто я щее время на самолР­ тах гражданс:кой авиации ч а ще всего примен я ю тся г а а о ­ ту р бинные В РД и особенно широко используются турбо­ реантивные двухконтурные двигатели (ТРДД) . Х а р а :к ­ терным дл я развития авиа ци о нны х ГТД я вл я ется постоян­ ное улучшение массовых и энономиче с ни х показателей двигателей: удел ь ной ма ссы и удельного расх ода топлив а , не прерывного роста абсолютной тяг и в о д ном агре г а т е . � ' u е личив а ю щиеся спорости поле т а самолето в , сопровож-

�/

k'

34

дающиеся аэродина:мическим нагревом, требуют приме­ н ения вместо «традиционного» нефтяного топлива - кер о ­ син а - жидких криогенных топлив (мета на , водорода) , с по мощью которых можно охлаждать нагретые дета ли самолета и двигателей перед подачей топлива в камеры сгор ания [55]. Однако , по нашему мнению , нодород уже в настоящее в ремя может при- Elco;Elc,нy, г/ifг меняться как дополнительное топливо для ГТД с целью даль­ нейшего улучшения их :жсплуа­ тационных характеристи к . Для авиацион ных ГТД х а- 12o г-г--+---hl�-.,1----J 7 р а ктер пым явл яется постоянное повышение давления во здух а в компрессоре , а следовательно , и темпе р> , проведенном в Стокгольме в марте 1 977 г. [60) . Подтверждением с:казанного могут служить данные , приведенные в работе [61 ) , по исследованию значительного :количества разнотипных легковых автомобилей по евро­ пейс:кому ездовому циклу на наличие ПАУ в ОГ. ИсслеТ а б л и ц а 13 Тип двигателя

ГАЗ-51 МЗМА-407 ЯАЗ-204

Выбросы БП, г/ �,ин 106, при nдв • мин- 1 ·

Пробег автомобиля, нм

500

38 ООО 40 000 30 000

0,06 0, 4 6 -

1

1000

1, 6 0,1 6 1,4

1

1500

6,3 1,02 4,6

1

Переходной: режим (р азгон автомо-

2000

бил я )

39,5 1 2, 5 31,2

350,0 85,0 62,1

дования по:каз али , что хотя абсолютные концентрации ПАУ существенно различны для автомобилей р азличных марок , набор ПАУ и удельная концентрация каждого мало зависят от типа двигателя. Поэтому, исходя из ко н­ центрации БП, з амеренной экспериментально , пересче­ том можно определить примерную концентр ацию о сталь­ ных ПАУ в ОГ двигателей [61 ). 37

Систематические исследов ания роли автотр анспорта загрязнении атмосферного воздух а городов канцероген­ ными углеводородами проводились и проводятся в нашей стр ане [ 1 3 , 1 6 , 5 9 , 6 1 ] и за р убежом. В отмеченных р аботах в

Т а б л и ц а 14

Режим р а б о ты

Г ТД

" р:\ >::

�"'

:::

"

1:-'

.

�

;:. 1:-'

� >::

!;!

ii'

� ...

" р:\

>::

>:: �

i::i

�� .... ...

i

.,. :!!

�

�

а� � >::

2260

1 3,78

1 6,72

7,32

5,08

370

1 35

2600 3100

1 5,03 17

1 6,66 16,56

7,44 7,62

6,7 8,25

446 482

154 1 58

указывается , что выбросы БП с ОГ двигателей р астут с увеличением нагрузки , а максимальные их значения со от­ в етствуют переходным р ежимам , в частности , при разгоне тр анспортного средства . В табл . 1 2 представлены ре­ з ультаты исследований концентра­ f ции ПАУ в О Г дизеля в зависимос­ ти от режима работы последнего 2 [ 37 ] . П риведенные данные подтвер-4 1---1-----ь.�Н:t-3--1 ждают, что в О Г двигателей содержится довольно много представителей класса ПАУ , причем некото0 J п·ю·;нuн·• рые из них даже в больших колиР ис . 1 5 . В л ияние в ида честв ах , чем Б П . топлив а на ношrчество В та б л . 1 3 представлены резульвыдел яемого Б П с o r таты исследов аний выброса Б П а в и а цпо нного двигателя (г /мин 1 0 6 ) с О Г различного типа РД-5СЮ : z - топливо т- 1 ; 2 - топли · автомобильных двигателей при р а ­ в о с прпсадной магния; 8 цеа р оыатиаирова нн ое ТОП· боте Н а Х. Х. И ПереХ ОДНОМ реЖИЛИВ О . ме [ 1 6 ] . Следует отметить р аботу [ 6 0 ] , в которой представлены уровни выброса БП с О Г турбореактивного двигателя Р Д-500 в зависимости от режимов его р аботы и вида при­ меняемого топлива (рис. 1 5) . Средние значения выбросов Б П с ОГ двигателя РД -500 и турбовинтового двигателя АИ-20М на режимах р аботы: малый газ ; максимальный крейсерский; номинальный; максимальный составляю т ·

88

соответственно 1 , 8 и 2 , 7 ; 5 , 3 и 5 , 1 ; 7 , 8 и 6 , 7 ; 1 0 , 2 и 8 , 2 мг / мин [ 6 0] . З начения удельных выбросов Б П с О Г дв игателя АИ-20М представлены в табл. 14. Данные по выбросам -в п с О Г газотурбинного двигате­ ля АИ-9 при работе на дизельном топливе, полученные в И ПМаш АН УССР , приведены на рис. 16 и 1 7 [ 9 ] . Ана­ лизируя эти рисунки , видим, что выбросы Б П с ОГ ГТД (как суммарные , так и удельные) возрастают по М6п,мкг1м1 тяги мере увеличения (мощн ости) двигателя , а 3,0 f---+---+---1--+--1 также при существенном Еl611: мкг1кг JOO

о ZO

2б

32

Q4 38 n·НТ�мин�

Рис . 1 6 . Зависимость выброса Б П от режима работы ГТД АИ-9:

l 2

-

отб ор пр об газа на стеклом ат; на фильтр типа А Ф А .

5

6

7

Рис . 1 7 . Зависимость концентр а� ции Б П в О Г ГТД АИ-9 от а:!: :

l

nтк 36 5 0 0 ; 2 3 4 0 мин- 1 .

-

28

=

-

3Э.230;

а

-

обеднении топливно-воздушной смеси в камере сгор ания, например при CG:!:: > 5 (см. рис. 1 7) . Ср авнение концентр ации БП в О Г дизелей ( табл. 1 2) и газотурбинного двигателя АИ-9 показывает, что она находится примерно на одинаковом уровне . Анализ в ы­ бросов Б П с ОГ как поршневых , так и газотурбинных двигателей показывает, что они в количественном отноше­ нии значительно меньше других токсичных компонентов , например NOx,CO и т . д . Однако загрязнением окружаю­ щей среды Б П , выбрасываемым с ОГ двигателей , прене б ­ регать нельзя, тем более , что по данным онкол огов [ 6 0] , 39

совместное действие Б П , например с N Ox , резко возрас­ тает. О важности борьбы с выбросами Б П говорят также и нормы его ПД К . Сравнивая эти нормы для в о здуха населенных :мест, например , с соответствующими нормами для NOx, можно видеть , что ПДК для NOx в 85 103 раз больше , чем для Б П . Поэтому при исследовании влияния т е х или иных меро­ приятий, направленных на снижение в ыброса нормир уе­ мых токсических веществ с О Г , необходимо учитывать их воздействие на выбросы Б П , характеризующего в опреде­ ленной степени уровни выброса и остальных канцероген­ ных составляющих . Следует отметить , что удельные вы­ бросы БП современными транспортными ГТ Д существен­ но выше , чем стационарными установками , например парогенератор ами , использующими такие же вид ы топ­ лив [39 ) . Авторы указанной работы объясняют эту р аз­ ницу более благоприятными условиями сжигания топлива в топочном объеме камер сгорания указанных энерго­ установо к . ·

4. АНАЛИЗ ТОКСИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГТД

Современное состояние науки о горении тако­ что еще не позволяет создать с помощью р асчета новые, совершенные , в том числе малотоксичные камеры сгор а­ ния, не требующие доводки. О б ычный nуть создания ка­ мер сгорания - конструирование их на основе предыду• щего опыта с учетом рекомендации теории и с последующей кропотливой, трудоемкой опытной доводкой и со­ вершенствованием. При организации процессов горения в технике наметилась тенденция к увеличе нию степени однородно сти смеси. К последнему приводит ряд обстоя­ тельств , главными из которых явJ1яются необходимость интенсификации процессов горения в потоке , борьба з а уменьшение выброса с ОГ токсичных и канцерогенных веществ , стремление избавиться от нагара и желание снизить тепловые потоки в стенки камер сгорания ( 5 4 ) . Способность камеры сгорания р аботать с возможно минимальными выбросами окислов азота , окиси углерода , несгоревших углеводородов, дыма и других токсичных и к анцерогенных веществ характеризует ее эмиссионное совершенство. Эффективность сгорания топлива в камере о бычно опр еделяется безразмерным параметром тг/Тпр • во,

u

40

представляющим собой отношение времени полного сго ­ рания топлива RO времени пребывания газа в Rамере сго­ р и ни я . С уменьшение.м уRазанного параметр а индеRсы выброса оRиси углерода и несгоревших углеводородов снижаются , а индеRс выброса оRислов азота , наоборот, уве­ личивается. Снизить этот параметр можно увеличением времени пребывания газа в зоне горения или уменьшениеr.t времени процесса сгорания топлив а , наприме р , при интен­ сифиRации уRазанного процесса. У ровень эмиссионного совершенства Rамер сгорания определяется следующими пар аметрами : временем пребы­ вания газа в Rамере 'tпр , фунRционально з ависимого от тяги двигателя R 0 (номинальной мощности) или л::� неполнотой сгорания топлива 1 rJz, зависимой от пара ­ м етра форсирования Rамеры 1 Q ; соотношением индеRсов: загрязнения оRиси углерода и несгоревших углеводородов. � . зависимым от неполноты сгорания топлив а . Имеющиеся статистичесRие данные п о ГТД самолетон граждансRой авиации поRазывают, что серийно выпус­ Rаемые зар убежные и отечественные двигатели праRтиче­ СRИ не удовлетворяют проеRтным нормам И RАО одно­ в ременно по всем нормир уемым вредным компонентам в О Г . В связи с этим пр едставляет интерес рассмотреть следующие вопросы. 1 Уровень эмиссионных х а р а ктеристиR ка мер сгора­ ния , способный удовлетворить проеRтным нормам ИRАО на выбросы вредных веществ , и его зависимость от топ­ ливной ЭRОНОМИЧНО СТИ двигателя. 2 . Сравнение результатов анализа с достигнутым уров­ нем эмиссионного совершенства камер сгорания . 3 . Возможность повышения эмиссион н ого совершенст­ ва Rамер сгорания , например , применением синтетиче· СRИХ топли в , в том числе водорода , или обогащением во дородом топливно-воздушной с меси в 1ш.мере сгорания . RaR видно из уравнения (1 . 1 2) , масса выделенного двигателем с О Г Rаждого из нормируемых вредных ком­ понентов зависит от эмиссионного совершенства Rамеры E l ij) , эRономичности двигателя сгорания (величина Спр относительной тяги Ri и времени р а боты 'tj двига­ теля на режимах Rонтрольного циRла взлет - посадка . Дв а последних пар аметр а , на основании статистической -

1 Обозначение Q дается в соответствии народной техни ческой литературе .

с

принятым в ме жду­

оценки р аботы двигателей в зоне аэропорто в , принимают­ ся постоянными (см . табл . 5) . С ледов ательно , з ачетная величина выброса вредных веществ зависит только от эмиссионного совершенства камеры сгорания и экономич­ ности двигателя. Причем уровень эмиссионного совер­ шенства камеры сгорания должен быть тем в ыше , чем больше удельный р асход топлива двигателем на в сех контролируемых режимах. Поскольку в контрольный параметр токсичности значения Elij и Сн j в ходят в одина ­ ковой степени , наряду с улучшением эмиссионного со ­ вершенства камер сгор ания следует повышать экономич­ ность двигателей на в сех режимах , в том числе и на режи­ мах малого газа , чтобы уложиться в нормы ИRАО. Э кономичность двигателя з ависит от таких основных параметров термодинамического цикла ; степени сжатия в о здуха в компрессоре (n к ) ; степени двух контурности ; температуры газа перед турбиной, конструктивных осо­ бенностей двигателя и т. д. Главными фактор ами , в лияю­ щими на образование NO:x:, являются локальные темпе­ р атуры газа в камере сгорания, в ремя пребывания про­ дуктов сгорания в зоне высоких температур , уровни концентр ации кислорода и азота в зоне горения. Регули­ рование выброса N O:x: представляет трудную эацачу , так как параметр ы , определяющие уровень образования N O :x: , высоки и имеют тенденцию к возрастанию , а возможности по управлению локальной температурой газа, концентра­ цией кислорода и азота , например путем перераспреде­ ления р асхода воздуха по длине камеры сгорания, весьма ограничены в следствие того , что распределение воздуха по элементам камеры сгор ания существенно влияет на ее основные характеристики : диапазон устойчивой ра­ боты, высотный запуск , дымность и т . д. Поэтому при проектировании новых камер сгорания с традиционной схемой организации рабочего процесса пр актически единственным действенным средством уменьшения вы­ броса N O:x: , на которое ориентированы нормы И RАО , явл яется сокращение времени пребывания продуктов сгор ания в зоне высоких темпер атур . Приближенно мож­ но полагать , что в ремя пребывания в указанной зоне пропорционально средней величине времени пребывания газа в камере сгорания. Факторами , влияющими на выбр осы СО и СхНу , являются такие параметры термодинамического цикла двигателя , как темпер атура Т к и давление Р к воздуха

з а компрессором , вид применяемого топлива , а таюие :конструктивные фактор ы , такие , н а к 1шчество смесеоб р а­ зов ания топлива с воздух о м , время пребыв а ни я газа н жа­ р о вой тр убе камеры сгорания и т . д . Известно , что с уве­ личением Рн и Т н происх одит уменьшение выброса С О и СхН у и увеличение выброса N Ox. Н а режиме малого газа ( по данным ЦИАМ) выделяется Sfi - 95 % С О и СхНу за цикл и лишь 1 0 - 1 5 % N O x . Высокий уровень в ыброса СО и С хНу на режиме ма.того газа объяс няется малой концентрацией топлива в рабочей смеси , ш1 0хим смесе­ образованием, небольшой скоростью протекания хими­ ческих реакций при низких температуре и давлении , а следовательно , и большой долей несгоревших компонентов топлив а . Результатом является неполное сгорание топли­ в а па малых режимах. Несколько сгл аживает этот эф­ фект увеличение времени пребывания газа в камере сго­ р а ни я, наблюдаемое на режиме малого газа , однаrю низкие значения Рн и Т н оказывают более значимое в о здействие . Режим малого газа - нерасчетный режим . Это ус-угубляет трудности , возникающие при доводке двигателя по выбросам: СО и СхНу. Даже применение специальных мероприятий , таких , как пневм:атичес1юе р ас­ пыление топлива , дающих эффект именно на малых режи­ мах , не всегда обеспечивает удовлетворение норм И .К А О . Итак, повышение Рн • Т н , 't п р приводит к уменьшению в ы­ броса С О и С хНу и к увеличению выброса N O x . Учитывая , что на уровень образов ания N Ox в т р адиционных камерах сгор ания ГТД практичесни реально можно воздействовать только снижением времени пребыв а ния газа в зоне горе­ ния , этот пар а метр выбирается как основной из условия удовлетв орения нормам на выброс N O x . Нормы н а выброс СО и СхНу следует удовлетворять с помощью дополнитель­ ных мероприятий. На основании статистических данных по технико-эко­ номическим показателям ряда современных турбореак­ тивных двигателей (ТРД) приводятся результаты анализа их токсических х арактеристик в соответствии с нормами И .КАО на выбросы вредных веществ с ОГ [3] . Из статистических данных по зависимости Св0 от :rt н 0 для указанных двигатеJrей можно выделить две х а­ р а кт ерные группы, для которых значения Св. удовлетво­ рительно ложатся на крив ые , представл енные н а рис . 18 . .К закономерностям изменения удельных р а с ходов топлива по режимам р аботы двигателей можно отнести 43

35

7rk..

Рис. 1 8 . О бобщенные зависи­ мости удельного р асхода топ­ лива ТР ДД от суммарной сте­ пени повышения давления воз­ духа в компр ессоре на валет­ но111 режиме : 1

С Ro

-

Св0 максимальные; минимальные. -

Рис. 19. Обобщенная зависи­ мость относительного удельно ­ го расхода топлива ТР ДД от относительной тяги двигателя .

S! -

-

Рис. 20. Обобщенная з ависи­ мость относительного уд�льно­ го расхода топлива ТР Д Д на режиме условного малого гааа (R = 0,07) от суммарной сте­ пени повышения давления воадуха в компрессоре на валетном режиме :

Рис. 2 1 . Зависимость температу­ ры от суммарной степени повыше­ ния давления воздуха в компрес­ соре на взлетном режиме .

следующее . Е сли для режи­ мов выше 0 , 3R0 имеется едимаксимальные; S! - ная зависимость Св = f ( R ) 1 СR (рис. 1 9) , то в области малого свм r �-�инимальные. газа (R = 0 , 07) величины Св м .г для разных двигателей о бнаружива ют значительные различия (рис. 20) . Поэтому, как и в случае с Св • • выделяем область , охватывающую основную массу точек Ся м . r = Св м ./ Свф в зависимости от лк.· С помощью кривых (см. рис. 1 8-

_

44

-

.

о

0,2

0,4

0,б

0,8

Рис. 2 2 . Обо бщенная аависи­ мость относительной темпера­ туры (1 ) и давления воадуха (2) аа 1юмпрессором ТРДД от относительной тяги двигателя.

Рис. 23. Обо бщенная зависимость инденса выброса NOx от среднего времени пребывания газа в наме­ ре сгор ания при равличной темпе­ ратуре воздуха за номпрессором: 1 !)

800; 2

- 500; �

6

750; 8 - 400 к. �

-

700;

4

- 600;

20) можно описать область изменения характеристик

удельных расходов топлива для авиационных ГТД с р азличным значением nн. · И зменение др угих параметров двигателей по р ежимам нормируемого ци:кла взлет посадка показано на рис.

21 -25.

Согл асно статистическим данным на рис. 21 представлена зависимость между т;. и п ;, на режиме в злета. И зменение относи­ тельных показателей тем­ пературы и давления воз­ дух а за компр ессором в зави симости от режима р а­ боты двигателей показано на рис. 22. Для определения эмис­ сионны х свойств камер сго­ рания с точки зрения вы­ б роса NO�. воспользуемся статистичес:кими данными [3] , приведенными на З ависимость рис. 23. E l NOx = f (Т 11, 'tпр ) з десь представлена ви де в

r;uo '

5

10 f-YJ"%

Рис. 24. Зависимость неполноты сгорания топлива от пар аметра форсир овани я намер сгор ания ТРДД :

1 � лучшие опытные образцы намер сгорания (двигатель типа CFM-56); 2 лучшие зарубежные серийные образцы (двигатель типа RB-21 1 ); З � реиомt'н­ дуемая иан наиболее вероятная для дв игат�лей, способныJ!С удовлетвор ить проентным норма м ИНАО по выбро• сам вредных nещ�ст в с ОГ; 4 соот­ ветствует типичным 11амерам сгорания двигат�лей,

-

-

45

прямых El N Ox const , что позвол яет f ( Тпр) при Т н а ппроксимацией л иний и последующей интерполя ци ей вычислять з н а ч ения функци и дв ух переменных . Среднее время пребывания газа в объеме жаровой трубы определяется следу ющи ми зависи11Iостями : =

=

'tпр

Vв

Рпс. 2 5 . :i а в иси моеть коэффици­ ента � от сумма р н о й степени по­ воздух а в вышени я давления комп р е ссо р е дл я е уществующих ( 7 ) и перспектив н ых (2) двигате­ лей в ссответстви и с нормами ИRАО.

П одс т ав л я я

п о л учаем

пол учен н ы Р

Vв _

О тно ш ение 'tпр для в виде

v Во Vв;

Vж/Vв;

=

-

(1 . 1 5 )

GB gрв '

(I . 1 6)

где Vж и Vв - объем жаро­ вой трубы и объемный р а с­ ход воздуха через жаровую трубу. Расход воздух а и е го П Л О Т Н О СТЬ

ф ор 11I у л а м

Gв

Рв

=

=

зависимости

ВЫЧИ СJI Я Ю Т С Я

Fp* m , ,r* r Т

р RT

в

=

q

(Л.) ;

р* RT*

(I . 1 5)

ПО

и

е

(Л) .

( l . 1 6) ,

( Л) VT* sq Щ .

m FR g

i-го режима =

=

к

rrup ,

можно записать

v т� [ q ( Л)/Р. (Л) J о V т� [q (Л) /s (Л) ] ; 1.

П ос к о л ь к у приведенная снорость Л на входе в к аме р у сгорания по режимам и зменяется незначительно , пр и н и ­ маем ее п о с тоя нн о й . Тогда (J . 1 7 )

АнаJшзируя статистические д а н н ы е по зависимости нед о ­ жога в каме р а х сгорания авиационных ГТД от величи н ы параметра форси рования к а м ер ы , можно выделить р яд ха ра к т ер н ых п р ямых (см рис. 24) [ 3 ] : 1 и 2 соответ ствуют лучшим образцам камер сгорания , установленны м r:та двиг а тел я х r.о отnететвенно CFM-56 и R В- 2 1 1 : З - р е к о­ менцуется как хара ктеристика, предположитеJ1 ьно спо46

собная удовлетворить проектным нормам И Н' АО : 4 со о т­ в етстн уе r х арактеристикам f\a �H' P сгорания серийных дви-· гателей. В се зависимо сти , представленные на рис. 2 4 , аналити­ чески выражаются функцией вида

1 - 'l'Jz

=

r.b - �� , а

1

(I . 1 8)

пр ичем наклон пр ямой х а р актеризуется величиной кон­ станты Ь , определяющей уровень выброса СО и С хНу на режиме мал ого газа . П р оведенные расчеты показали , что отклонения по недожогу (1 - ·11 2) м . г , ра ссчитанные по прямым 1 -4, о т откл онений по недожогу, рассчитанному по прямой 2 , составляют 3- 7 % Э т о позвол яет при дальнейших р ас­ четах ограничиться рассмотрением прямой 2 и по ней сдел ать все необх одимые выводы. При этом погрешность по недожогу на режиме м а Jюго газа не превысит ± 7 % . Введение раздельных норм на С О и С хНу по нормам И Н' А О предполагает достижение в выполненных конст­ р укциях камер сгорания оптимального коэффициента разделения продуктов неполного сгорания �- Величина � . полученная как отношение Мс о к М с хн11 для каждого·

значения л :., представлена на рис. 25. Индексы выброса СО и СхН11 в flависимости от непол­ ноты сгорания топлива и коэффициента разделения про­ дуктов неп олного сгорания определяются по формулам 1 - ТJz (I . 1 9 ) Elco = 0 0,024

EJ С х Н11

=

+

1

, 16

Elco

-6-

•

(I . 20)

Потреб н ые уровни эмиссионного совершенства камер сгорания , которые необх одимы для удовлетворения про­ ектных норм И Н' АО на выбросы СО , С х Ну, N O,.., с ОГ су­ ществующих и перспективных двигателей , с учетом воз­ можного диапазона изменения Сн0 и Снм.г рассчитыв ались по блок-схеме , приведенной на рис. 26. Н' ак след уе т и з блок-схемы, расчет состоит из двух ветвей; ветвь ра счета 11пр из условия удовлетвор ения нормам на выбросы NOx; ветвь р а счета 't п р и не д о ж ог а (1 YJz) из условия удо в летв орения нормам н а выбр осы СО и Сх Ну. -

47

Нет

:r:u���aНDfo"'

NO, , CO,HC

r;.�

·f(тrk:J

Корректироdкrz

Расчет зночений Рк; . Т,, и С,; на контрольнш режимах

Тпр,

Корректироdка Тпро

ENJJ

Р ис . 2 6 . Б лок-схема расчета пар аметров камер сгорания в соот­ ветствии с проектными нормами И R А О на выбросы вр едных веществ с ОГ ГТД само л етов гражданской авиации.

48

Tnp,!>IC 25 20 15 10 5

о

/О

20 а

30

40

о

/О

20

о

30

2 7 . Р асчетн ые апачеп ия т пр . для существующ их (а) и пер· спе�пивных (6) дви г ател е й в зависимости от пр и разJIИЧ· 0 пых со четани ях С во и Св . ! Рис.

:rt:

м г 1 и в - ст а тистичесни е данные соответств енно по м а н сим11льным нималь ным аначе ниям 'tпр на и ми­ н алРт ном р е жим е ; 2 - С в. м ню Св м . г�шн; С н мин 3 . , Св м . гм анс; 4 - с в.ма ис , Сн 5 м . гмин :

Св м.г м аr,с . (t-QJ".• . %

св. м аис •

4 1-��f\---�---J��-+��-;

о

г- ·-

O L---�-L��-L��-'-�__,., 10 20 30 7Т;.;

о

Р ис . 28. Расчет ные зн ачения (J - 11 )м.г длл сущест в у ющих z (а) и перспе нтивны: х (6) дв и га телей в з а в исимос ти от :rt н при , р а зли ч н ы х сочетан и ях С в, и *

1 -

с в.мин

C н м . гr"-rfi\Ec;

4 1 - 1 932

.

4

ёR м . г М ИI I ; 2 - с в. м аис• - С R0манс ' Св мн.кс, м. r

Свм.гМи нi

8 - с в . м иm

49

П ар аметр форсирования намеры сгорания Q об ъ еди ­ няет обе ветви , таR нан , с одной стороны, он влияет н а величи ну выброса СО и СхНу, а с другой - в него в х о д и т пар аметр 'tпр RaR х арантеристина выброса N Ox : � 1 (I . 2 1 ) Q= . 1 .в ехр ( Т •"! 3 00) V,нРн

�;п р RT•к Рк. о .в е хр

Рис. 2 !:! . Р а с четныtJ зависимости

't np

( т*"! зоо )

на режимtJ взJ�ета *

от Qм.г при различных значениях :rtRo в соответствии с нормами И R А О па выбросы вредных веществ с ОГ существующих (светлые точки) и перспективных (зали­ тые точки) двигателей . Обозначения те же , что и н а р ис. 27.

Результатом расчета явл яются тание величины: мак­ симально допустимое время пребывания газа в камере сгорания , ра ссчитанное из условия удовлетворения норм по выбросу N Ox с О Г двигателей; минимально веобходи­ мое время пребывания газа и недожог топлива , рассчи­ танные из условия удовлетворения нормам по выбросу С О и СхНу . Эти данные определялись из следующих выраже(рис. 27) ; ни й : ( 1 - 'YJz)м.1 = f (л : . ) 'tnp0 = f (л:.) (рис. 28) ; Qм.г = f ('tп р 0 , л:.) (рис . 2 9) ; Чzм . г = f ( Qм.г) (рис. 30) . И з рассмотр е ни я предста вленных расчетных данны х следует , что экономи чность д'вигателя ( С н и Св м . г) сущест­ в е н н о вл и я �т на по·rребную эмиссионную х а ра ктеристику камеры � гор ания. Н а величину Q (к а к аналог 'tпр,) ока3ывает большее влияние экономичность взлетного режима , 50

чем малого газ а ; на уровень допустимой полноты сгор а­ ч. ·значение Свм ,р влияет больше , чем удельный р а сх од топлива на взлетном режиме Св 0 • Время пребыва­ ния газа в камере сгорания Тпр0 , которое может удовле­ творить нормам по выбросам N Ox , очень зависит от :Л:н0 и экоJIИЯ

а

6

2

8

о

Рис. 30. Ра счетные вначения 11zм.г и Qм.г

:тt:

в

в ависимос-

, С Rо ё R в соответствии с нормами И Н АО ти о т о м.г на выбросы вредных веществ с О Г существ ующих (а) и перспективных (б) двигателей. Обовна чения те же , что и на рис. 27. ,

номичности двигател я . С ух удшением экономичности дви­ гателя максимально допустимое время пребывания газа в камере сгорания (по N Ox) падает, а минимально необхо­ димое (по СО и C,Jly) растет Д анный вывод справедлив для любого вида функции 1 Время , необходимое для реализации 'Y]z = f (Q) . -

-

4*

51

недожога топлива , удо в л е т в о р яющего нормам И Н А О по С О и С х Н У • зависит от 423 � 523

>313 ..;;; 453 0,59 6,00 77·3- 793 14,9

2,7

� О,4

- 0,4

121 · 103

42,85 · 103

44,4 · 103

11 О,66 · 10-4

1 ,8 -7- 2 ,0) наблюдается тенденция снижения тепл опроизводительности вследствие уменьшения концентр ации энергоносителя в смеси . В ГТД одной из основных энергетических характер ис­ тик топлив является удельная работоспособность рабочего тел а RT, где R и Т - соответственно газовая постоянная и температура� Расчетные значения RT для стехиометри­ ческих смесей бензина и водор ода с в оздухом с учетом диссоциации (при давлении 7 ,84 МПа) соответствуют 676 , 9 и 830 , 3 кДж / кг . Б л агодаря повышенным температу р ам -

-

-

-

-

-

-

105-

и низкой молекулярной массе пр одуктов сгорания во­ дор од отличается высокими значениями R T, особенно в об ­ ласти стех иометрии. Расчеты номинального режима одноступенчатой газово й турбины исследуемого энергоузла АИ-9 при работе на неросине с добавками в одор ода показали, что термодина­ мические параметры газа и м ощность турбины увеличи­ в аются с повышением добавки водор ода в топливной смеси, а при использовании в качестве топлива химически чистого в одор ода прибавка мощности не превышает 4 -8 % номи­ нального значения , КПД турбины уменьшается не б олее чем на О , 6 % , т . е. конвертация ГТД на водородное топливо практически не потребует изменения компрессорно-турбин­ ной части двигателя. Как уже отмечалось , вследствие значительного разли­ чия параметр ов пр одуктов сгорания углеводор одных топ­ л ив и в одор ода добавка последнего оказывает определен­ ное влияние и на состав рабочего тел а . Основной и наиболее надежный метод получения сведений о термодинамических параметрах и характеристиках рабочих тел в усл овиях изобарно-из ох орного горения - теоретический расчет рав­ новесных пр одуктов сгорания, выполняемый на ЭВМ и базирующийся на информации о термических констант а х и термодинамических св ойствах веществ , вх одящих в состав топлива и пр одуктов сгорания . Исх одными данными для подобного р асчета являются термохимические параметры топлива и рабочие усл овия (давление и температура) . Для р асчета равновесного состава диссоциир ованных продук­ тов сгор ания обычно принимаются следующи е допущения [ 50] : 1 ) пр одукты сгорания представляют собой идеальную ·систему, подчиняющуюся уравнению состояния идеального газа и находящуюся в энер гетическом , х имическом и фа­ з ов ом р авновесии; 2) энтал ьпии к омпонентов диссоцииро­ в анной смеси, их теплоемкости и константы равновесия не зависят от давления ; 3) горение пр отекает адиабатно и ста­ ционарно, характериз уясь однор одностью параметров по поперечному сечению камеры сгор ания и полным выделе­ нием тепла на ее участке. Рассмотренные допущения позво­ ляют значительно упр остить р асчет при приемлемом опи­ сании высо к отемпер атурных пр оцессов . Если топлив о состоит из т химических элементов , то в продуктах сгорания может присутствовать т атомарных и l молекулярных компонентов . В число l включаются все в озможные вещества, образованные из т элементов ,

1.06

п о которым имеется информация в виде термодинамиче­ ских функций для рабочего диапазона температур . В этом случае система уравнениii; химического равновесия гомо­ генной диссоциир ованной смеси включает следующие три гр уппы уравнений : 1 . Уравнение диссоциации в количестве l , описываю­ щее обратимые реакции диссоциации. Для j-го молеку­ лярного компонента уравнение диссоциации з апишется в общем в иде MJ

+е

т

:L

( i)

aiJA , i= 1 ' где Mj - символ компонента ; a i j - числ о атомов i-го i химического элемента в компоненте j; А ( ) - символ i-го элемента . 2 . Ур авнение сохранения вещества в количестве т , выражающееся в в иде равенства количества атомов i-го элемента в топливе и диссоциир ованных пр одуктах , М тЬiт

=

:L.. aijnj J

+ ni

(левая часть уравнения - количеств о атомов i-го элемента в топливе, правая - количество атомов элемента в про­ 1 , 2 , 3 , " " l) . дуктах диссоциации; i 1 , 2 , 3 , " " т; j Здесь Мт - условное число молей топлива и определяется условием равенств а суммарного количества молей диссо­ циированных продуктов суммарному давлению ; ьi т - ко­ л ичество атомов i-го элемента в усл овной формуле топлив а . 3 . Уравнение закона Д альтон а , выр ажающее р авенство суммы парциальных компонентов гомогенной диссоцииро­ ванной смеси ее общему давлению, имеет вид =

=

:L pq q

=

р,

где q - общее числ о компонентов смеси, q l + т; - парциал ьное давление q-го компонент а ; р - общее давление газ овой смеси. Рассмотренная з амкнутая система уравнений , содержащая l + т + 1 неизвестных и столько же уравнений , описывает х имическое равновесие гомоген­ ной диссоциированной смеси при фиксир ованных р и Т и является системой нелинейных алгебраических уравне­ ний, числ о которых может дох одить до нескольких десят­ ков . Вследствие сл ожности и трудоемкости подобные систе­ мы обычно р ешаются методом Н ьютона на ЭВ М . Решение

pq

=

107

Добавка li"

Показатель

о

Экви в алентна я формул а Отнош ение С/Н L0 , моль/моль L кr/кr 0, Полн ая эн тальп и я : кДж/моль кДж/1{r

10

С1, 16Н14

С1, 1вН25, 1

- 194,7 - 1948,9

- 1 75,2 - 1 701 ,0

0,5 1 1 50,2 14,835

0,285 64,5 1 6 ,835

системы ур авнений химического равн овесия позволяет получить теоретический состав диссоциированных пр одук­ тов сгорания при (р , Т) const . Для расчета темпера­ туры горения необходимо введение дополнительного урав­ нения - уравнения сохранения энергии. Для изобарной камеры это уравнение запишется в виде =

f к - lт = О , где lн полная энтальпия з атор м оженного потока на полная энтальпия топлива . входе выхлопного тракта ; /т При заданном произв ольном значении температуры бi. Отсюда , используя метод Н ьютона , Т имеем lн Iт получаем -

-

=

-

( :� )р лт

=

бi

или

В соответствии с этим теоретическая температура горения уточняется по формуле

т

=

т + л т '

где r номер приближения, соответствующий достижению необх одимой точности. Изложенная выше методика позволяет получить инфор­ мацию о параметрах пр одуктов сгорания любой 11шогоком­ п онентной топливной смеси, в том числе и углеводор од­ ного топлива с добавками в одорода . Качественный харак­ тер изменения рабочего тела в основном вызывается сниже­ нием отношения С / Н , наряду с которым определенную р оль играет изменение температуры горения и стехиометри­ ческого коэффициента . Влияние добавки в одорода на т ер-

108

r

Т абли ца по массе 20

C1 , 1вH3s , 9s

0,1 8 4 8 1 ,25 18 ,83

- 1 55,8

- 1559 , 1

30

С1 , 1вН5в , в 2

·1

0 126 1 02 , 8 20,825 ,

- 136,3 - 1364,2

18

50

80

С 7 , 15Н 1 13 , 92

С 7 , 1вН 199 , 8�

0 ,063 171,3 24,813

0,036 531 ,43 30,791

-97 ,35 - 974,5

-38,9 -389,8

11юхимические характеристики углеводородного топлива ( при Т = 298 , 1 6 К) иллюстрирует табл . 1 8 . Д обавка во­ дорода сопровождается уменьшением отношения С / Н и , соответственно, возраста нием стехиометрических коэф­ ф ициентов и абсолютн ого значения полной энтал ьпии топ­ л ива , снижен ием содержания СО и СО2 в раб очем теле . Н а характер изм енения содержания других компонентов она з ывает вл ияние пов ышение температуры горения и со­ ответствующее усиление диссоциации. Д обавка водорода к углеводородн ому топливу ведет к однозначному увели­ че н ию содержания NOx в рабочем теле , в результате чего их изок онцентрационные уровни смещаются в обл асть б едных смесей. Для топливн ых смесей с различными до­ бавкаt\IИ в одор ода в табл . 1 9 [50] приведены значения а1 , соответствующие трем изоконцентр ационным уровням NO; энстремуму по бензину, его половине и н улевому содержа­ нию . П ри увеличении концентрации водорода в смеси от О до 100 % для достижения уровня NO , соответствующего ис­ х одному, т . е . мансимуму по бензину , необх одимо увеличе­ ние а до 1 , 41 , а половине этого уровня - до а = 1 ,86. П олное отсутствие NO в пр одунтах сгорания обеспечивается Т а б л и ц а 19

У р овень

ЭRстремум (по бенэи н у) 1/ 2 :жстр е мума Н у левой

Rонцентрация Н 2 в топливе, % по массе 5

1 ,2 1 ,62

з,2;1

1

10

1 ,25 1 ,6 8

3,4

1

20

1 ,31 1,71 3,6

1

30

1 ,35 1 , 76 3,7

1

50

1 ,38 1 ,8 3, 9

1

80

1 ,4 1 ,89 4 , LJ5

100

1 ,'а 1 , RG

4 , ::1

1 0::1

в диапаз оне а = 3 , 25 -7- 4 , 3 . С толь высокие значения вполне реализуемы, так как обл асть устойчивого горе ­ ния в одородно-в оздушных смесей в двигателях распола ­ гается в диапазоне 0 , 2 � а � 5 0 . Применение водорода как основного то пли в а Приме­ нимость топлив для различных в оздушн о-реактивных дви­ гателей в так называемом Н,км коридоре полета самолетов во1r-----+--+-с=--ю по скорости М (М - число Маха) и высоте Н представ­ лена на рис . 6 4 [ 55] , из ко­ 10 торого следует, что для ско­ р остей полета свыше пяти М единственно приемлемым топливом является жидкий в одород, обладающий зна­ чительным хладоресурсом м и обеспечивающий эффек­ 1 Керосин � Водород тивное охлаждение высоко­ Рис. 64. Обл асти применения В Р Д нагреваемых узл ов двига­ и топлив : теля и аэр одинамически I ируговая (первая иосмичесная) нагреваемых поверхностей ограничение по подъем­ сиорость; 2 гиперзвуиовой бесномп­ ной силе; а летательного аппарата . 4 рессорный прям оточный ВР Д ; аэродинамичесному ограничение по Один из важнейших по­ сверхзвуионой б есиомп­ нагрееу; 5 казателей топлив а , опреде­ рессорный прямоточный ВРД, турбо­ прям оточные и другие номбинир ован­ ляющий его удельный рас­ ТРД и ТРДД с фор­ ные В Р Д ; 6 сажными иамерами ; 7 ТРД; 8 х од gуд и дальность пере­ турбовинтов ой дв иг ател ь; ТР ДД ; 9 транспортного мещения вертолетные ГТД . 10 средства L , - теплота сго­ рания , отнесенная к единице массы топлива Ни · О бычно зависимость удельного расх ода топлива от ос­ новных параметров двигателя выражается уравнением а

,

.

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

gуд

=

3600Q

Pro · 11. Н и

где Q - количеств о тепл а , подведенного к в оздуху в каме­ сил а тяги двигател я ; 'Y}t - коэффициент ре сгорания ; Р полноты выдел ения тепла при сгорании топлив а . Д ал ьность перемещения, например самолета любой аэр одинамической формы , определяется уравнением -

L=

0 , 4 27 k'Y}Hu 1n

Gи

GH _

Gт ,

где '1'] - КПД двигателя; Gн - начальная масса самолета ; Gт масса топлива . -

110

С лед овательно, для обеспечения заданных тяговых ха ракт е р истик двигателя применение топлив с большими значениями Ни при прочих равных условиях целесообраз­ но , та к каR уменьшае тся g-уд или увеличивается дальность перем ещения тра нспортног о средства при неизменной массе топл ива на борту. П редварительные исследования в С Ш А показали воз­ можн ость и целе сообразн ость применения жидRого в одоТ а б л и ц а 20 Эффе11тивность

Летно-техничес11ие данные

Масса топлива, кг Дальность полета, RM С1юрость полета, М Взлетная м асс а , RP Масса самолета, Rr Объем т оплива. м� Масса топлива, Rr

Равмах крыла, м Наrр увна на крыло, нr/ м 2

Тяга ( масса самолета), т / нr Площадh к рыла,

м2

JР-топливо

применения LН2-то пли в о поLН2-топлива сравнению с JР-топли ­ вом , %

25 400 5471 0,820 195 048 108 410 82,6 62 143 47,2 605 0 ,292 ( 15 ,5) 321

254 00 5471 0,820 144 245 97 524 312,7 21 160 42,7 552 0 ,396 ( 12,6) 263

о о о

+26,0 +10,0 -2 78 +65,9

+ 18,2

р ода RaR топлива дл я турбореаRтивных самолетов с дозву­ ковой и сверхзвуковой сRор остью. Расчетн ые результаты. летно-технических характеристик самолета , приведенные· в табл . 20 и 21 , показывают значительный выигрыш в мас­ се самолета , а также в дальности полета и полезной на­ грузRе при испол ьзовании в качестве топлива ж идкого в одорода [ 44] . Ряд исследователей для сверхзвуковых транспортных самолетов отдают предпочтение топл ивной паре - керо­ сину и жидкому в одороду [ 73] . Самолеты на паре топлив· кер осин и жидкий водород обладают б ольшей универсаль­ ностью, сочетают преимущества использ ования жидRого в одорода на длинных трассах с удобствами применения керосина . П р именение уRазанной пары топлив может ока­ заться приемлемым и для ГТД наземных транспортных средств , например для обеспечения низкого уровня ток­ сичности ог. Н1

Использование в одорода как топлива в ГТД позволит с.о здать компактные камеры сгорания с б олее ра вномер­ ным температурным полем газа на вых оде из камеры . П рn­ заданной мощности ГТД работа на водороде характери­ зуется б олее низкими значениями температуры газов на вх оде в турбину вследствие Т а n л и ц а 21 более высокой теплоемк ости газа , чем при работе на 'l'опливо углеводо­ традиционных Летно-тех­ н а основе Ж и дкий р одных топлив а х . Исполь­ н ичес ние нефтепров о д ор о д да нные цун то в зование жидкого водорода в системе охлаждения наиб олее нагретых частей ГТД Балетная может позволить сущест­ 171 914 340 200 масса , * венно увеличить значение кr максимально допустимой Масса само105 23 5 140 480 лета, кr температуры газов перед Объ ем топ­ турбиной и снизить удель­ 6 25 235 лива, м3 ные расх оды топлив а . Г о­ Площадь рение водорода характери­ 704 1000 кры ла , м2 Раамах нрызуется низкой излучатель2 40,4 л а, м 3 ·6 ной способностью и отсутДли на нрнствием нагарообразований, i ,2 10 90,5 ла, м т. е . в усл овиях эксплуата·тяrа двига21 , 5 38,8 теля, т ции характеристики двига Полезная наrр узна 234 пасс ажителя со временем не ухуд­ р а и 22 220 нv груза. шаются , а срок службы, по сравнению с работой на нефтяных топлива х , увеличивается . Б ольшая диффузионная способность , незначител ьная энер­ гия в оспламенения и шир оние пределы воспл аменения во­ дорода в смеси с в оздух ом обеспечивают х ор оший запусн двигателя на разных высотах и при различных температу­ рах окружающей среды. Необх одимость довести до минимума концентрацию несгоревших углеводородов , окиси углерода , сажи, кан­ цер огенных веществ и окислов азота в О Г Д В С широко признана . Использование водор ода как основного топлива обеспечивает полную л иквидацию содержания первых четы­ рех из указанных вредных веществ и значительное уменьше­ ние последнего. Следовательно, вопрос применения водоро­ да в качестве основного и дополнительного топлива в ГТД и других Д В С заслуживает самого тщательного изучения . При ме п«.>пие в качестве топлива атомарного водорода . Н а иб ольшую удельную тягу (мощность) двигателя, б оль*

112

-

mую чем от самых эффективных комбинаций окислителей и горючих , в принципе можно получить з а счет химической энергии свободных р адикалов вещества , нах одящег ося в х имически нестабильном состоянии. Это предел , в ыше к о­ торого поднять эффективность химических топлив в ообще невозможно. Свободными р адикалами называются частицы , обладающие свободной валентностью (не соединенные в мо­ л екулы атомы в одор ода Н, кислор ода О, аз ота N; группы а томов СН 3 , СН 2 , С 2 Н 5 и др . ) . Д иссоциация (р аспад) молекул на свободные р адикалы происходит с погл ощением энергии извн е ; при ассоциации она в ыделяется. Т а к , для диссоциации 1 кг молекулярного водор ода на атомы (Н 2 -+ Н + Н ) необх одимо з атратить 51 300 ккал / кг; при соединении атомов в одор ода в молекулы (Н + Н -+ Н2) эта энергия идет на нагрев газа (данный пр оцесс уже давно нах одит практическое применение в атомно-водор одной электр осварке. В одород (и другие горючие элементы) , кр оме в ыделения теплоты при ассоциации, может р еагир о­ вать с окислителем, в результате чего теплота ассоциации суммируется с теплотой сгорания (51 300 + 28 700 = = 80 ООО ккал /кг, что почти в 2 , 8 раза больше обычной теплоты сгорания водор ода) . Чтобы использовать свобод­ ные р адикалы в качестве топлив а , надо каким-то обра з ом их «законсервир оватм . Пока это удается сделать только с п омощью глубокого охлаждения до температур , близких к абсолютному нулю (например , атомарный в одор од при 4 К) , когда столкновения частиц практически прекра­ щаются. Для этого необходимы сложные и тяжелые х о­ л одильные установки с жидким гелием. При нагреве до 30- 40 R пр оисходит активная ассоциация, сопровождае­ мая в ыделением б ольшого количества тепла и в озникнове­ нием пламени [ 4 5 ] . Атомарный водор од как топливо и ра б очее тело в дви­ гателях очень благ оприятен с точки зрения преобразова­ ния энергии в реактивном сопл е , поскольку удельный им­ пульс !уд, х ар актеризующий этот пр оцесс , увеличив ается при уменьшении молекулярной массы истекающего га­ за µ : !уд =

1 1vµ.

Атомарный водор од - ускоритель х имических реак­ ций , в частности реакций окисления топлив киел ородом. Образование свободных р адикалов в одорода в камер е сгорания тепловых двигателей существенно активи рует 1/ 4

8 1 - 1 932

1 13

пр оцессы сгорания основного топлива , что способствует улучшению технико-экономических характер истик двигате­ лей [ 1 2 ] . Но в настоящее в ремя получение и х ранение атомарного в одор ода с высокой концентрацией и в б ольших количествах на б орту транспортного средства представляет довольно трудную техническую задачу. Однако использо­ в ание атомарного в одорода как инициирующей добавки при сжигании углеводор одных топлив представляется в озможным и целесообразным . П ри м е нение во доро да в кач естве рабочего тела . Перс­ пективным , по нашему мнению , может быть применение в одорода в качестве рабочего тела в з амкнутом энергети­ ческом контуре с термохимической компрессией водор ода в гидридном теплообменнике за счет тепл а ОГ тепловых двигателей. Расчетные исследования показали, что приме­ нение такого способа утилизации тепла О Г ГТД может обес­ печить увеличение м ощности и экономичности всей уста­ новки ДО 20 % ( 1 0 , 2 4 ) . В последующих р азделах представлены расчетные и экс­ периментальные данные по технико-токсическим ха р а кте­ ристикам поршневых и газотурбинных двигателей при ис­ пользов ании в одор ода в к ачестве дополнительного и основ­ ного топлив а . 3. ХАРАКТЕРИСТИКА

РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕИ НА ВОДО}'ОДЕ

Основным

направлением

совершенствования

две на современном этапе является снижение выброса

токсичных и канцер огенных веществ с О Г и удельного по­ требления нефтяных топлив . Эти в опросы, как отмечалось в ыше , нельзя р ешать обособленн о . Опыт показывает, что б ол ьшинство традиционных методов снижения токсич­ ности, как правил о , прив одит к ухудшению экономических показателей двигателей. Токсичность и топливная эконо­ мичность две определяется в значительной степени соста­ в ом топливно-воздушной смеси, т. е. отношением Н / е в топливе и коэффициентом избытка воздуха в з оне горе­ ния. Однако последний для углев одородных топлив имеет довольно узкие пределы, например для бензиновых дви­ гателей а = 0 , 8 -7- 1 , 25 , что объясняется узкими к онцент­ рационными преде;r ами в оспламенения бензина-в оздушной смеси. 1 14

Работа двигателей в области, выгодной с точки зрения снижения токсичности ОГ и обеспечения в ысокой топлив­ ной экономичности, осуществляется в случае применения топлив с шир окими концентр ационными пределами вос­ пламенения и высокими скор остями сгор ания их бедных смесей. Таким топливом может быть в одород. Применение в одор ода , наряду с указ анным , позволит снизить расходы нефтяных топлив , цены на которые , как отмечалось, пос­ тоянно растут. 1 1

о.л

' .

1

/

о 1.0

-

v 1_,,-с а

1

1

0,2

квт

3, 0

f,

....�4 l'Ч:._ ,,,, .

- 1-- а р.о

2

�

1,5 о

' v -ь-

'' \

1,2

0,8

J

40 "

',

'

20

rJ

Рис. 65. Показатели р аботы карбюраторного двигателя на бедных смесях с добавками водорода (основное топливо изооктан) : преде.п устойчивости раб оты; б - индинаторна я НПД - 11i (2)! смесь изоонтана с водородом (а) .

а -

мощность

-

Ni (J);

В одор одные ДВ С могут работать н а сверхбедных сме­ сях при СХма нс = 1 0 , тогда как бензиновые двигатели - при ам а нс = 1 , 25. Работа на бедных смесях дает два преимущест­ в а : обеспечение повышенного термического RПД ; обеспе­ чение очень низкого ур овня выброса окислов азота. Пределы работы двигателя CFR , по данным исследо­ вательской лабор атории «Дженерал моторе» , при работе на из ооктане , в одороде и их смесях представлены н а рис . 65, а [65 ] . Переход от чистого углеводородного соединения на чистый в одород представлен через коэффициент избытка в оздуха для пределов работы на бедных смесях . В озрос­ ший термический RПД при работе двигателя на сверхбед­ ных смесях (рис. 65, б) виден по изменению индикаторного RПД для тех же , что и на рис. 65, а , комбинаций топлив . Дл я получения максимального RПД при ограниченном к оэффициенте избытка в оздуха а = 5 применяется чистый водород . 8 + 114

1-19з2

1 15

Пр едставленные на рис. 66 [ 1 2 , 44 ] данные по иссле­ дованию различных типов две отражают указанное пре­ имущество в одор ода как моторного топлива - сдвиг гр аниц эффективного и максимально в озможного обеднения смеси, что способствует повышению максимал ьного ур овня инди­ каторного КПД , особенно при частичных нагрузках , в ос­ новном определяющих эксплуатационный расход топлива двигателями транспортных средств . 71,

О,� ������� о 2 3 4 а

1,8

щ

2,2

rJ

2,б

сх

Рис. 6 6 . Зависимость индиRаторного К П Д от состава топлива и Rоэффициента и3бытRа воздуха Rар бюраторного (а) и га3ового (6) двигателей :

1 5

� -

бензищ 2 � смесь бензина с в одородом :

сн.

=

5 2 % i н,

=

47 % ;

6

-

с н,

=

3

- водород:

2 7 % , н,

=

4

72 % .

-

СИ, = 1 0 0 % \

Энергетические характеристики две в значительной степени определяются такими показателями раб очих сме­ сей : тепл отой сгорания , пл отностью, объемным отношением топливо - в оздух . Указанные показатели для бензина и в одор ода в стехиометрической смеси соответствуют � 42 , 5 кДж / кг, 3 , 5 кг / м 8 ; 0 ,02 6 и 1 20 кДж / кг, 0,0 9 и 0 , 4 2 кг /м 3 • В основе сопоставимых данных лежит предпол ожение, что бензин попадает в камеру сгорания в виде паров. В стехиометрической смеси доля в одор ода достигает 4 2 % объема воздуха . При внутреннем смесеобразовании коли­ чество и тепл ота сгорания заряда могут быть увеличены в 1 , 42 раза по сравнению с внешним смесеобразованием. При б олее высоких значениях а это влияние ослабевает. В табл . 22 значения удельной теплоты сгорания за ряда бензин овых двигателей с внешним смесеобразованием СО· поставлены с указ анными показателями в одор одных дви­ гателей с внешним и внутренним смесеобразованием. При усл овии стехиометрического состава водородно­ в оздушной смеси теплота сгорания заряда в одор одного 116

двигателя с внешним смесеобрааованием ниже , чем у бен­ аиновых , а при внутреннем смесеобрааов ании, наоборот, в ыше . Внутреннее см(tсеобрааов ание в Д ВС при работе на водороде был о осуществлено Р. Эрреном [ 7 1 ] . В одор од подавался в цилиндр двигателя в начале такта сжатия че­ реа небольшие сопла в течение примерно 60 ° повор ота ко­ л енчатого вал а . Подача в одор ода ааканчивалась не поад­ нее чем аа 80 ° до верхней м ертвой точки (в . м. т . ) , что обеспечивал о повышение энергоемкости ааряда цилиндра 22

Таб л и ца

Iу

Топливо

Б е н зи н ( вне шнее смесеобравов а ние) В одоро д (внешнее смесеобр а вова н ие) Водород ( внутре н нее смесеобравование ) nля

Примеч Нем (в

� н и е. ндж/дм•).

д

У!

а м анс р а б ота б ез (пропуснов зажиг анин)

манс

1 , 0/3 ,77

1 , 1 /3,44

1,0/3 , 19

2 ,5/1 , 55

1 ,0/4,53

2 ,5/ 1 ,81

Н ад чертой пр ив едены значе н и н длн

1

1,2/3,16 5/0 ,83 5/0 ,9

а,

п од черто й

-

при стехиометрическом соотношении в одор ода с воадухом на 20 % по сравнению с бенаино-воадушной и на 40 % с в одор одно-в оадушной смесями при внешнем смесеобраао­ вании. При конвертации бенаиновых и диаельных двигателей на водор од системы подачи нефтяного топлива не переде­ лывались , что поав оляло двигателю работать попеременно на водор оде или жидком топлив е , а также испольа ов ать в одор од в качестве инициирующей добавки к жидким угле­ в одородным топливам. Улучшение сгор ания смешанного топлива обеспечивало увеличение RПД , экономию жид­ кого топлив а , более устойчивую работу и снижение шума двигателя. Н а выставке в Лондоне был представлен одно­ цилиндр овый диаель фирмы «Нэйшенэл» , оборудов анный по системе Эррена для работы на водор оде . При работе -1 на диаельном топливе при частоте вр ащения 1000 мин и эффективной мощности 6 кВт наблюдались сильный шум и повышенная дымность О Г . При а амене части дизе льного -

1 17

топлива в одор одом мощность увеличилась , шум з амет но снизился , уменьшил ась т онсичность О Г . Пр и работе н а в одор оде эффективная мощность увеличил ась до 8 кВ т , а выхлоп стал чистым. Отмечается , что при работе на водо­ роде улучшается приемистость двигателя ( 7 1 ] . П одобные результаты получены также на двухтактном одноцилинд­ р ов ом дизеле «Крупп» мощностью 1 5 нВт при частоте вра­ 1 щения 320 мин- • Двигатель при степени сжатия е = 14 работал на р ежиме х. х. даже при частоте вращения ко­ ленчатого вала 40 мин- 1 • На одном из автобусов «Лэйл энд» был установлен дизель «Б еарДмор» , котор ый мог работать на дизельно�1 топливе с добавками в одорода и на в одороде . В одород подавался от двух баллонов емкостью примерно 60 м 3 • Уназанного количества в одорода при использовании его кан добавки к дизельному топливу достаточно для 1 30 км пробег а . Расход дизельного топлива при этом сократился на 30 % . Д ополнительная подача в одорода позволяла дви­ гателю работать на довольно пл охих дистиллятах каменно­ угольной смолы ( 7 1 ] . В 1 9 7 4 г . в Сан-Фр анциско участникам I X Межотрасле­ в ой нонференции по методам преобраз ования энергии был пр одемонстрирован автофургон груз оподъемностью 0 , 5 т с двигателем, использующим в качестве топлива жидкий в одород . В одород на б орту автофургона хранился при тем­ пературе - 253 ° С в баке с вакуумной тепл оиз оляцией емностью 1 9 0 л, что обеспечивало пробег 800 км ( 72 ] . Такой двигатель практически не загрязняет атмосферу, посколь­ к у О Г состоят в основном из паров воды , а концентрация NO не превышает 10 % ур овня , установленного стандартами США ( 1 9 77 г.) для обычных двигателей транспортных средств . Одним из способов аккумулир ования в одорода на б орту транспортных средств является использование термически неустойчивых металл огидридов , например LaN i , FeTi и др . С такой системой аккумулирования был конвертиро­ ван на в одород автомобиль модели «П онтнак Гр анд В иллм ( 67 ] , а также автобус с двигателем «Д одж» ( 70 ] . Смешение в одорода с в оздухом производил ось газовым смесителем, используемым на автомобилях с пр опаном в к ачестве топ­ лива . Б ензиновый карбюратор использовался для впрыски­ вания в оды в цилиндры. Гидридная система использовала тепл о ОГ двигателя. Н а вых оде системы размещался датчик. регулирующий давление в одор ода в ресивере перепуснои 1 18

_части ОГ мимо гидридного бака . При зарядке последнего - в одор одом для его охлаждения использовалась в одопро­ в одная в ода . В раб оте [ 7 1 ] предста в лены данные по модерниз ации поршневого двигателя для работы на в одор оде с кисл ор о­ дом вместо в оздуха . Если в водор одно-воздушном ци�ле р асширяющейся нейтр альной средой является азот, со­ держащийся в воздухе, то в кислородно-водородпом цикле предполагается вводить в одяной пар . На такте сжатия подается водород так же, как и в в одор одно-в оздушном цикле . Пр одуктом сгорания является в одяной пар , часть к оторого в озвращается в двигатель на такте выпуска , а остальной к онденсируется. Таким образом , двигател ь м о­ жет р а б отать по замкнутой сх еме без наружного выхлопа. Э кспериментал ьная пр оверка указанного способа пр ово­ дилась на одноцилиндр овом диз еле фирмы «Беардмор» [ 7 1 J . В последнее время в связи с необх одимостью снижения з агрязнения окружающей среды вредными выбросам :И активизировались работы по использованию водорода в качестве добавки к нефтяным топливам. Если ранее иссле­ довалось в основном влияние добавки в одорода на энерго­ экономические характеристики и лишь отмечался менее дымный выхлоп, то в последних работах основное внима­ ние уделяется снижению выбр оса токсичных и канцеро­ генных веществ с О Г . В работе [ 68 ] указыв ается , ч т о д л я снижения токсич­ ности можно использовать в одород в к ачестве добавки к бензину. Для устойчив ости работы двигателя при а = 2 необх одима добавка к бензину примерно 4 % в одор ода . Такал смесь обеспечивает удовлетворение норм Агенства защиты окр ужающей среды США по NOx и С О . Для соот­ в етствующего снижения выбр оса углев одор одов добавка в одорода должна быть несколько выше (приlliерно 10 % ) . В указанной работе отмечается в озможность использо­ в ания части бензина для питания водородного генератор а . П р и пр ох ождении 5 0 % бензина через генератор в нем вы­ р а батывался газ следующего состава (по объему) : Н2 0 , 2 1 6 , СО - 0 , 236 , СН4 - 0 , 0 1 1 , остальное - инертные газы. Тепл овые потери в генераторе составляют примерно 20 % , однако общая экономичность двигателя, раб отающе­ го на смеси бензина и газов с генератора , значительно в ыше, чем при работе на бензине . Токсичность О Г указан­ ного двигателя при этом в несколько раз меньш е , чем кар­ бюраторного. -

1 1 !)

Rак отмечается в работе [66 ] , добавление водор ода про­ изв одилось для снижения выброса вредных веществ с ОГ автомобильных двигателей на режимах х . х . и частичных нагрузках. При х . х . двигател ь ра б отает на чистом в одоро­ де . Увеличение нагрузки пр оизводится добавлением бензи­ н а . К оличество водорода , поступающего в цилиндры двига­ тел я , остается при этом примерно постоянным. Поскольк у при гор одской езде автомобили основное время работают с неполной нагрузкой и на х. х . , организация такого р а­ б очего пр оцесса обеспечивает значител ьное снижение выброса вредных веществ в атмосферу. Расход в одорода при этом незначителен по сравнению с работой на чистом в одороде , вследствие чего упрощается аккумулирование и транспортировка в одор ода . В ИПМаm АН УССР пр оведены обширные исследования технико-гигиенических характеристик бензиновых и ди­ вельных двигателей при использ овании в одорода как топ­ лива [ 52 , 44 ] . В указанных источниках отмечается сле­ дующее. 1 . Рабочий процесс двигателей при работе на в одороде и цикловом его дозиров ании на впуске устойчивый в ши­ р оком диапазоне а , а при непрерывной подаче водорода во впускной тракт нарушается вследствие появления об­ ратных вспышек , которые являются резул ьтатом прежде­ временного воспламенения в одорода при его контакте с горячими точками камеры сгорания либо остаточными га­ з ами при относительно б огатой смеси (а = 1 + 1 , 4) . 2 . При составах смеси, близких к стехиометрическим, рабочий пр оцесс на в одороде является жестким вследствие высокой скорости сгорания смеси. 3. Мощность двигателя на в одор оде при внешнем сме­ сеобраз овании на 20 % ниже мощности, развиваемой дви­ гателем на бензине; при обеспечении внутреннего смесеоб­ р а з ования мощность двигателя не снижается . 4 . О птимальный состав с точки зрения достижения мак­ симального RПД и минимальных выбр осов N O x соответст­ в ует а 2,5 + 2,7. 5 . Д обавка в одорода к бензино-в оздушным смесям в количестве 5 % обеспечивает увеличение эффективности цикла , снижение расхода бензина до 30 % , существенное снижение выброса вредных веществ с ОГ двигателей. При организации работы транспортного средства на углеводородно-в одор одных смесях можно использовать следующие способы дозир ования в одор ода [ 50 ] : 1 ) постоян=

120

вую подачу неизменного количества водор ода независимо от режима работы двигателя ; 2) регулируемую подачу водорода , поддерживающую его определенную долю в топливной смеси (например , 10 % количества бензина на всех режимах работы двигателя) . Первый вариант дозирования отличается пр остотой , так как в этом случае требуется лишь дозирующая шайба , обеспечивающая постоянный расход в одор ода . Для под­ держания исх одной теплопро- сх NQ)(,ч.н.м. изв одител ьности топливной t25 600 Нz.%1+--..-+F\---1----1 смеси уменьшается количест­ во подаваемого бензина . На рис. 67 представлено 25 ' 400 изменение параметров топ­ -200 л ивной смеси и выбр оса N Ox Q .. ""'="� ... � �-=:._.,._ ___, Q ...... при различных скор остях 60 V,КН/Ч дв ижения автомобиля с по­ Рис . 6 7 . Хар актеристики топ­ стоянной подачей водорода , ливной смеси и выбросы окис­ лов азота при р а боте двигателя равной 1 8 г /мин . постоянной (сплошные кри­ Н а основании этих данных свые) и регулируемой (штрихо­ можно заключить-, что выброс вые кривые) пода ч ей водо­ при движении автомобиля со рода : скоростью 30 км /ч примерно 1 и оэффициент иэбытиа воздуха; 2 - и онцентр ация N Ox ; 3 - добав­ в 5 раз больш е , чем при дви­ ни н,. жении со скор остью 60100 км/ч . Эта закономерность обусловлена обогащением топливной смеси при низких скор остях движения автомо­ биля вследствие постоянного расх ода в одорода . Для под­ держания постоянного соотношения «Водород/углев одород­ ное топливо» и состава смеси на всех режимах работы тре­ буется система дозир ования в одор ода и углев одородного топлива в соответствии с изменением расх ода воздух а . Д л я этой цели можно использ овать специальный комбини­ р ованный карбюратор . Результаты испытаний автомобиля с комбинированной системой подачи углеводор одно-водо­ р одного топлива представлены на рис. 6 7 . Д обавка в одо­ р ода на всех р ежимах поддерживалась практически по­ стоянной ( 1 0 % ) , тогда как состав смеси изменялся от а = скор ости автомобиля = 1 , 8 на х . х . до а = 1 , 5 при 100 км /ч. Это сра внительно небольшое об огащение смеси на высоких скор остях движения ведет к существенному увеличению выбр оса NO, с ОГ . Однако в усл овиях городского движения с низкими и средними скор остями этот способ дозир ования, несомненно , _

�

121

обеспечив а ет б о.тrее приемл емые ур овни выброса NOx с ОГ двигателей транспортных средств , что подтверждаетс я резул ьтатами испытания автомобилей с рассмотренно й систеllIОЙ дозир ования углев одор одно-водородного топлива по стандартному ездов ому циRлу соответственно для NOx, СО , СхН у : 0 , 2 4 (0 , 25) , 2 , 1 (2 , 1 ) ; 1 , 9 (0 , 26) г / Rм (в cRoбRax уRа заны нормы США 1 976 г . ) . ГТД п о сравнению с поршневыми Д В С , наиб олее легRо можно приспособить для р а б оты на в одор оде или на сме­ шанных углеводор одн о-в одор одных топлив а х . В раRетной тех ниRе и сверхзвуRовой авиации жидRИЙ водор од уже долгое вре11Iя применяется в к ачестве основного топлив а . Однако указанный опыт нел ьзя прямо использовать при отра б отке ГТД , например наземных транспортных средств, а тем б олее при р а б оте ГТД на смешанных топливах . 4. ТОКСИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГТД ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОДОРОДА КАК ТОПЛИВА 1

С 1 9 77 г . ИПМаm АН УССР совместно с ЦИАМ , Запорожским мотор остр оительным заводом (ЗМЗ) , Горьковским автозаводом (ГАЗ) и рядом др угих ор­ ганизаций пр ов одятся исследования технико-экономи­ ческих и токсических характеристик ГТД при р а б оте на в одор оде и углеводор одно-водородно-в оздуmных смесях . С оздана экспериментальная установка на базе одновально­ го ГТД типа АИ 9 [ 5 1 ] с кольцевой пр отивоточной камер ой сгорания , оборудованной в осемью комбинир ованными фор­ сунка ми, обеспечивающими одновременную и р аздельную подачу углеводор одного топлива и в одор ода. Кр оме тог о , подачу в одор ода в камеру сгорания можно осуществля'.l:Ь через четыре керамические трубки, расположенные под топливными форсунками равномерно по окружности ( рис. 68) . Для изменения коэффициента избытка в оздуха в камере сгорания использовался клапан регулируемого отбора воздуха после компрессора ГТД . П ол учение в одор одного топлива для питания Г ТД осу­ ществлялось из воды с помощью энергоаккумулирующего в ещества (ферр осил иция) в специальном реаRторе. Анализ ОГ на в одород, окись углер ода и несгоревmие углеводороды (метан) пров одил ся 111етодом проявительной -

1

Материал параграфа подготовлен автором совместно с А. П. Ма­

л е uаным .

122

газоадсорбционной х р оматографии на х р оматогр афе «Га­ зохром 3 1 0 1 » . Окислы а з ота в пробе определюшсь фото­ калориметр ическим метод_ом с реактивом З альцмана . Ана­ лиз к онцентр ации Б П в ОГ проводился с применением спектр ал ьно-флюоресцентной методики с использованием эффекта Шпольского [ 6 1 ] . f

2 11

Р ис .

Н

fO

68. Схема

9

8

подачи

7

6

топлива

в

5

каме р у

4

сгор ания

J

ГТД

А И-9 :

1 - топливные форсунки; 2, 8 - электроклапаны ; а , 6 , 16 , 19 - манометры; 4, 1 1 , 15 - вентили , 5 - регулятор подачи топлив а ; 7 - подогрев атель топ­ лив а ; 9 - мерная емкость; 10 - топливный насос ; 12 - расходный топлив­ ный бак; 1 8 - в одор одные б аллоны ; 1 4 - р едуктор ; 17 - расходомерное устройств о ; 18 - пламягаситель; 20 - керамические топливные труб ки .

Д ля количественного определения Б П и других ПАУ ОГ пр опускали через фильтры типа АФА РМА-20 , которые 2 обладают высокой пылеемкостью (до 5 к г / см ) и термо­ стойкостью . Материал фил ьтра АФА нерастворим в бен­ з ол е , что позволяет пр оизв одить этим растворителем экстра кцию канцер огенных углеводор одов . Экстрющия Б П из фильтра производилась перегнанным х имически чистым бенз олом в аппар ате Сокслета. Вначале проводился к ачественный анализ пробы на присутствие Б П . К оличест­ в енный анализ фракции пров одилсд на спектр ометре Д ФС-1 2 . О бщее содержание Б П в полном объеме пробы рассчитывают по формуле В = СВ-к , где В общее количество Б П , г; С к онцентрация Б П , г / мл ; В объем пробы, мл ; к к ратность разбавления . Чувствительность метода не ниже 1 0- 10 г / мл . Относи­ тельная погрешность измерений не п р е выш а е т + 5 % . -

-

-

-

1 23

Экспериментальные исследования токсических харак­ теристик ГТД А И - 9 проводились при р а б оте на углеводо­ р одных топливах (дизельное , керосин) и при обогащении в одор одом топливно-воздушной смеси в камере сгорания . Rак отмечалось в гл . I , для указанного типа двигателей основной составляющей выбр оса вредных веществ с ОГ является окись углер ода . Поэтому экспериментальные исследования напр авлялись в первую очередь на опреде­ л ение влияния добавки в одорода в камеру сгорания на выбр осы указанного вредного вещества , а также Б П с ОГ двигателя. Результаты исследования выброса окиси углер ода с ОГ двигателя АИ- 9 при работе на дизельном топливе (спл ош­ ные кривые) и с добавками 5 % в одорода (штрих овые кри­ вые) в камеру сгорания представлены на рис. 6 9 . Работа двигателя при подаче дизельного топлива только через четыре р авномерно р аспол оженные форсунки характери­ зуется несколько меньшим ур овнем индекса эмиссии окиси углер ода , что можно объяснить улучшением р аспыления топлив а . Поэтому для снижения индекса эмиссии окиси углерода на режимах малого газа р ациональным является подача углеводородного топлива через часть форсунок (на­ пример , половину диаметр ально р асположенных форсу­ нок) , а в одор ода - через остальные форсунки. Д обавка в одор ода в камеру сгор ания в количестве 5 - 6 % весового р асх ода углев одор одного топлива при неизменном значении суммарного коэффициента избытка в оздуха CX l: :::::: 7 ,О, соответствующего режимам малого газа некоторых серийно выпускаемых В РД , снижает вы­ б р осы окиси углер од::� с О Г примерно в 2 раза. Даль­ нейшие исследования показали , что более рационально использование 5 - 6 % водоро да для пневматического рас­ пыления жидкого углеводородного топлива . При этом вы­ брос СО и СхНи может быть снижен в 4 раза и более . Результаты исследований уровней выбр оса Б П с О Г двигателя АИ- 9 п р и работе на дизельном топливе с добав­ ками в одорода в камеру сгорания через все фор сунки даны на рис. 70 и в табл . 23 . Исследования проводились на ре­ ж име , в озможно близком (по параметрам воздуха) к ре­ жиму малого газа а виационного двигате.л:я АИ-25 . Представленные результаты исследований показывают , что добавка в одор ода в камеру сгорания в количестве 5-6 % снижает выбр осы канцер огенных веществ в 8 р а з , а 1 2 % -ная добавка - в 20 раз и более. 124

двигателя Резул ьтаты сравнительных испытаний АИ - 9 при работе на дизел ьном топJiиве и водор оде показа­ л и , что двигатель на вод..о р оде раб отает устойчив о в более широком диапаз оне частоты вращения и экономичнее. Так , работая на дизельном топливе двигатель останавли­ вался при nтн = 1 2 000 мин- 1 , а на водор оде работал устой­ чиво при nтн = 7000 мин- 1 • При работе на режима х , ими­ тирующих режим малого газа двигателя АИ-25 , рас- м.п.мкг;м1 х од дизельного топлива со­ ставлял 4 5 кг /ч , а водоро­ да 1 4 кг / ч, т. е. двигатель работал более экономичн о . -

2,4 --- ---+-Еfс0, г1кг 150

1,_

-д-

--+---+--------! о

1

"2

1,8 f, 2 1-+----+-- -·-- -

_ __

70 �-�--�--�� 0,13 Kv 0,10 0,12 Π/!

Рис. 6 9 . Зависимость выброса

СО с отр а ботавшими газами ГТД А И-!J от пар аметр а форси­ рования к амеры сгор а н ия :

1 - под а ча топлива через все (восем ь) фор_ упни; 2 - подача топлива через четырР фnрсунни.

о

- --

1

J

_

_____,

б

Рис. 7 0 . Зависимость 110 1щентра­ пии Б П в отр а ботавших газах ГТД А И -9 от вел и ч ины добавю1 водорода в намеру сгор а ния .

При равенстве теl\rпературы газа перед турбиной мощ­ ность двигателя на нодороде выше на 8 - 10 % а удел ь­ н ы й расход водорода ниже в 3 ,5 - 4 рана по сравнению с р а ботой на дизельно111 топливе . !\ р оме тог о , проводил иеь исследования токсических характер исти:к прямоточной камеры сгорания при использовании в качестве топлив керосина , дизельного, водор ода и их смесей. ,

9 1 - 1 9 32

1 25

Техничесние данные по испытуемой намере сгорания приведены ниже. G т, r/c

2,0

Gв, r/c Gв / G 0 , % Vн . с•

Чv•

40,0

ЧF•

1 5 ,3

мз

м2

Fн с • .

0 ,001 1 2

0 ,0 1 040

Вт/ (м3 · Па) Вт/ (м 2 • Па)

700

75

З десь Gв1 расход воздуха через первичную зону; Vн . с и F н.с соответственно объем и поперечное сечение -

-

камеры сгор ания; qv и qF объемное теплонапряжение и тепл онапряжение характерного сечения намеры сгора­ ния. Результаты иссл едований ур овней выбр оса окиси угл е­ р ода с ОГ на прямоточной камере сгорания при работе -

Д изе л ь Рр .ф · 101 Па

н е о топливо

1

7,44 6,47 6,02 5,63

G .r , кг/ч

45,36 42,26 39,74 38,30

Т а б л и ца G н/Gт , % о

2,3 4,1 5,3

т" к

ull, мнг;м•. отборе

а

1

798

5,03

793

5,13 5,11

793 793

5,11

1

1

23 при

1

j

3,15 1 ,84

3,48 1,75

1 ,63

1 ,04

0,87

0,98

0,52

-

0,45

-

на дизельном топливе и с добавнами ведорода в первичный воздух намеры сгорания в з оне завихрителя фронтового устр ойства представлены на рис. 7 1 и в табл . 24. Из при­ веденных данных следует, что незначител ьные добавни водорода в первичный в оздух намеры сгорания существен-

Gн /G« о

1 ,1 1 ,36 1 ,97 2 ,5 7

3,82

126

1

т •• к

т" к

748 7 56 7 44 733

279

282 280

710

280 280

694

281

Состав топлива по пр одуктам сгорания , %

с

86,� 85,6 85,4 84,8 84,2 83,0

1

н

1 :-1. � 1 4 ,4 1 4 ,6

13

0,361 0,396 0,404

15,2

0,424

15,8 1 7, 0

0,444 0,4811

пым образом снижают индекс эмиссии Е!,0, г;кг . ёО оки си углерода. Выбросы Б П при 5 % в 10 раз д обавке в одор ода снижаются и б олее. Д анные сравнительных испытаний кам еры сгорания ГТД на кер осине (штр их овые кривые) и в одор оде , (спло шные кривые) представлены на 10 1'-"--�__,,,.----1 0.� р ис . 7 2 , из ноторого следует , что в одо­ род б олее полно сгорает по сравнению с кер осином на обедненных топливно- 6 >-----+--+-----< в оздушных смесях . Расчетные исследования токсиче­ ских харантеристик авиационных Г ТД 20----�---:' 2 в соответствии с блок-схемой, приведенной на рис. 26 , и с учетом добавки Рис. 7 1 . Зависимость в одорода в намеру сгорания на режи­ выброса СО с продук­ ме мал ого газа приведены на рис. 73 тами сгорания в пря­ [3]. Представленные данные поназыва­ моточной камере от добавки во­ ют, что незначительными добавками величины дорода в аавихритель режи­ на в одорода в намеру сгорания воздуха : ме малого газа можно снизить ур ов- 1 сО: 2 Elco · ни выброса вредных веществ и удел ьный расх од углеводор одного топлива и обеспечить выпол­ нение проектных норм ИRАО для многих типов двигателей самолетов гражданской авиации. Дальнейшего улучшения технико-токсических х а рактеристик газотурбинных двигате­ лей можно достигнуть обеднением топливно-воздушной сме­ си в зоне горения, например перераспределением расх ода в оздух а по участкам камеры сгорания, и регулированием _

_

Т а б л и ц а 24 Состав пр одук тов сгора ния а

1 ,38 1 ,36 1 , 35

1 , 34 1 , R3 1 . :ю

9*

RO"

%

1 1 ,1 10,6 10,4 9 ,9 9,0 8,65

н"

5,9 6,2 6,4 6 ,9 8,0 8 ,1 5

%

0,0035 0,0038 0,0025 0,0024 0,0000 0,0000

1 ч.с� 'м. 1 680 700 600 460 200 210

Elc

o·

Г/КГ

1 3,66 13,87 1 1 ,80 8 ,98 3,88 3,98 127

величины подачи в одор ода на режимах всего полетного цикла . R а к отмечалось выше, один и з способов существенного уменьшения выбр оса вредных веществ с О Г двигателей предварительное смешение испарившегося углев одородно­ г о топлива с воздух ом (гомогенизация ) и сжигание обед­ ненной смеси в камере сгорания . Исследования пока зали,. что в л аб ораторных камера х д л я достижения низких ур овней выбр оса NOx возможно "J, указанного применение 1.О ' спосо б а , но уровень обеднения смеси на режим а х больших мощн остей весьма близок к пределу горения обедненной смеси углев одо­ р одного топлива и воздух а . / водор одом Насыщение f обедненн ой гомогенной уг­ q1 !О cr, 8 , б 4 2 лев одор одно - воздушной Рис . 7 2 . З а в исимость п о л н оты его­ смеси с ущественно раеши­ . р а н ия то п л и в а в камР.ре ГТ Д от ряет пределы ее устойчиво­ а1:;: го сгорания . В озможность скорость в о здуха в 1 - харакn" рна11 намерР сгорания '1 , 1 5 : 2 - 1 1 , 6 : 8 расш ирения зоны обедне­ d 2 , 4 м с- 1 . ния при таких углев одо­ р одно-в одор одно-в оздушн ы х смесях пока зана на рис. 62. Резул ьтаты расчетно-экспериментальных иссл едований гомогенной камеры сгорания, работающей на обедненных углев одор одно-в оздушных смесях и пр и их насыщен ии водородом, представлены на рис. 74 и 75 [64 ) . Н а рис. 7 4 сплошными и штрих овыми кривыми обозна­ чены экспериментальные данные при работе камер ы соот­ ветственно . на кер осине и смеси кер осина с водородом (Gн2 = 1 2 % ) , а штр их пунктирными кривыми - расчет­ ные ; 1 , 10 и 13 - добавки в одор ода составляют 2 9 , 1 4 и 1 7 % ; 2 и 3 - пол нота сгорания топл ива Т)z > 99 % дл я нер осина , обога щенног о в одо р одом ( G н , = 1 2 % ) , и керо­ сина ; 4 - равновесное содержа ние СО в продукта х сгора­ ния ; 5, 7 и 6, 8 - у р о в н и обр а з ова н и я СО и С"Н 1, пр и с;r-: и­ гании г о могенной смеси соответственн о керос ина с возду­ х ом и кер осина с в одор одом (Gн = 1 0 + 1 2 % ) и возду­ хом; 9 и 11 - энспериментальные т о ч к и п р едел а обедн е н ия смесей кер осина с в оздух ом и к е р о с и н а с водородоы (G 1 1 , = = 1 4 % ) и во:щух ом по усл овию в о с п л н м е н е н и я ; 12 и 1 4 ур овни обр а з ов а н ия СО, вычисленн ые по химической к и128

не тике для гомогенной см:еси в предположении, что пол­ ностью смесь перемешана и время пребыв а ния смеси в з оне горения составляе-т 1 0 мс, соответственно для керо­ сина с добавкой водорода и кер осина.

а

1,00 0,99

0,98 Ц97 Ц96

о

2

4

6

8

о

{0

12

14

!J,.. ,

Рис. 73. Рас'!етные а 1rа 1 , 5) резко возрастают уровни выделений СО и Еfс. ;ЕI,,н , г/Ке -

-

=

{О 7 0.0I L- 0 , 9 9 . Оqевидн о , qто применение обедненных в одор одно-воз­ душных смесей в камерах сгорания ГТД позволит рабо­ тать без выброса СО и СхНу и со сверхнизкими индексами эмиссии NOx на режимах больших мощностей. Однако задаqа состоит в том , qтобы, используя как можно мень­ шее колиqество в одорода , обеспеqить необходимые ур овни каqе_ртва сгорания топливно-воздушных смесей и допусти­ мыеi уровни выделения токсиqных веществ с ОГ двигателей. 1 30

Проведенные исследования и полученные результаты позволяют оценить эффективн ость потенциаль ных методов с н ижения содержания !3Редных компонентов в пр одуктах сгорания при регул ировании х имического соста ва топлив­ но-воздушной смеси. Д обавки водор ода к углев одор одсо­ держащим нефтяным и синтетическим топливам обеспечи­ в а ют ул учшение их энергоэкологических показателей . В одор од при этом эффективным образом з аменяет часть углеводор одного топлив а . Та к , при добавке 10 % по массе в о;:�;орода в камеру сгорания ГТД уменьшается расх од нефтяных топлив на 30 % и б олее. Снижаются также вы­ б р осы токсичных и канцерогенных веществ с ОГ двигате­ лей при работе на обедненных углеводор одно-водор одно­ в оздушных смеся х . Применение обедненных топливно­ воздушных смесей способствует увел ичени ю долговечности стабил изаторов пл амени и камер сгорания в цел ом:, обес­ печивает б олее равномерное поле темпер атур и давлений газа на выходе из камер сгорания и др . П о сравнению с однокомпонентными топливами добавки в одор ода являют­ ся частным решением , которое может б ыть реализ овано в ближайшее время на существ ующей технол огической базе и станет важным методол огическим шагом на пути внед­ рения водор ода в транспортной энергетик е . К онвертация ГТД на раб оту с чистым водородом, обес­ печив ая практическую бестоксичность О Г , не требует переделки турбокомпрессорной части двигателя. В б удущем такие топлива , как водор од и его н осител и, станут неотъемлемыми элементами новой «чистой» энерге­ тики, обеспечивающими аккумулирование и транспорти­ р ов ание энергии, вырабатываемой атомными реакторами и концентр аторами солнечной энергии.

СПИСОК ЛИТ ЕР АТУРЫ

1 . А ви а ц и о ииые 2.

3.

4.

5. 6. 7.

8.

9.

10.

11. 12.

1 32

газотур бинные вспомогательные силовые уста­ новки / А . М. Поляков , Ю. И. Шальман, В. И. Н ричаюш и др . ­ М . : Машиностроение , 1 97 8 . - 200 с . А ви а ци о и и ы й двухконтурный тур бореактивный двигатеJIЬ АИ2 5 . - М . : Машиностроение , 1 97 1 . - 1 22 с . А иалиа токсических хар актеристик Г Т Д и пути и х улучшенпя / А. Н . 3Jiенко , П . М . Н аюшо , П . Ф . Жило и др . - Х а р ышв , 1 97 9 . - 42 с . - (Препр инт / И н-т пробл. ыашиностроепия ; No 1 49 ) . А иуфр иев В . А " А р апов В . Ф . , К у теиев В . Ф . Нор мироваппе токсичности отработавших газов автомобильных дизелей. В кн. : Защита воздушного бассейна от загряз нения тоисичнышr выбросами тр анспортных средств : ДокJI. Всесо юз . науч. ионф . ( Х ар ьков , 1 2 - 1 4 ою. 1 97 7 г) . В 2-х т. Харьков , 1 9 7 7 , Т . 1 , с . 1 4 -25. В асевич В . Я . , К огар ко С . М . Промотировани:е гор е н ня . ­ Физ1ша горения и взрыва, 1 96 9 , 5, No 1 , с . 9 9 - 1 0 5 . В еджер Г . М . Х имические основы канцеро генной активно­ сти . - М . : Медицина , 1 9 66 . - 124 с . В ел осел ъский В. С . Топочные мазуты . - М . : Э нер гия , 1 97 6 . 256 с . В ар шавск и й И . Л . , К а иило П. М " Н и к и шов А . А . Сниженпе тоисичности отр аботавших газов ГТД путем обогащешrн водо­ р одом рабочей смеси в иамере сгорания . - Пробл. машиностр ое­ ния , 1 97 9 , .№ 8, с . 94 - 9 7 . В ар ш авский И. Л . , К аиило П. М . , Рябеико В . П. Экспер и­ ме нтаJiьные исследования эмиссии бенз (а) пир е на с отр аботав­ шими газами ГТД при добавках водорода в иамеру сгор а ния . ­ Пробл. машиностр оения , 1 97 9 , No 1 0 , с. 9 3 - 9 7 . В ар шавск и й И . Л . , Солове й В . В . , К аиило П . М . ИссJ1едо в анпе эффективности иомбинированных газотур бинных устано воr> с утилизацией тепла выпускных газов в термосор бционном rшм­ прессор е . - ПробJI . машиностроения , 1 97 9 , � 8, с. 80 - 8 3 . В ар ш авски й И . Л . Состояние р а боты по уменьшению токспч­ ности автомобилей. - Сб. тр . Лаб. неЦтр аJiизации и пр обJI . энер гетики, 1 969, No 1 , с. 7 -33. В и шиевский А . Е " Гусс ак Л . А . , Само йло в И . В . О пр омотиро­ гор ения углеводородно-воздушных смесей. - Докл. вании А Н СССР , 1 9 7 7 , 232, No 2 ,. с . 363-366.

1 3 . В л и я ft и е

группового состава топлива и антидето натор о в на конце нтр ацию uю1с и углерода и бенз (а)пирена в отр аботавших газах ДВС / .М . О . Лернер , А . Я, Х есина , В. В. Гончаров и др . ­ В к н . : З ащита воздушне го бассейна о т загр язнения тонсич­ ными выбросами транспорт н ы х средств : Доил . В сесоюз . науч. нопф. ( Х ар ьнов , 1 2 - 1 4 ою. 1 9 7 7 ) . В 2 х т . Х а р ько в , 1 9 7 7 , т. 2 , с. 78-92. Гавр илов А . К . , Ш евченко П . Л . Пр именение сжиженно го газа с цел ью уме ньшения токсичных выбросов тр анспортных дизе­ лей. - В кн. : З а щита во3душно го бассейна от загрязнения токс ичными выбросами тр анспортных средств : Докл. Всесоюа. нау ч . конф . ( Харьков, 1 2 - 1 4 окт . 1 9 7 7 г . ) . В 2 х т . Харько в , 1 9 7 7 , -

14.

т . 1 , с . 1 5 3 - 1 70 .

-

1 5 . Ге п к и л К . И . , Реп ков А . С . Сгорание и р абочи й процесс дв ига­ теля на водор одсодер жащих смеся х . - В 1ш . : Защита воздуш-

1ю го бассейна от загрязнения токсичными выбр осами транс­ портных средств : Докл . Всесоюз . науч. конф. ( Х ар ьков , 1 2 1 4 окт . 1 97 7 г . ) . В 2 х т . , Х а р ьков , 1 9 7 7 , Т . 1 , с . 1 88 - 209 . 1 6 . 3 а бежипски й М . А . Роль автотр а нспорта в загр я з не нии ат­ мосфер ного воздуха нанцерогенными угJiеводор одами : Авто­ реф. дис . . . . канд. техн. наук . - .М . , 1 9 6 5 . - 17 с . 1 7 . З ел ьд о в и ч Н. В . , С а да в п и к о в П . Н . , Ф р а пк-К а,�tе пе ц к и й Д . А . Они­ сление а:юта при горении . - .М. : Изд-во АН СССР , 1 947 . - 1 45 с 1 8 . Игпатович И . В . , К у тепев В. Ф., Малое Р. В. Общие поло­ жения теории оценки токсичности автомобиля . - Автомоб. промст ь , 1 9 7 9 , .№ 7 , с . 1 -4 . 1 9 . Испол ьзовапие водор ода в начестве до бавон н основ ному топ­ л иву в газотурбинных двигателях / И . Л . В ар ша вский, П . .М. Rанило , А . А . Никишо в , А . П. МаJiе ваный . - Х ар ы\ о в , 1 97 8 . - 2 8 с . - (Препр инт / И н-т пробJI . машиностроения ; J\o 6 7 ) . 2 0 . И ссл едовапие состава и но нце нтр ации угJiеводородов в продун­ тах сгорания автомобиJiы1ых двигатеJiеЙ п р и иснр овом и фо р­ намер но-фанеJiьном зажигании / Л. А. Гуссак , В. П. К а р по в , Л . И . Орел, Г. Г . ПоJiитеино в а . - В ни. : З ащита воздуш н о го бассейна от загр язнения тонспчными выбросами тр анспортных ср едств : ДонJI . Всесою з . науч. нонф. (Харышв, 1 2� 1 4 окт. 1 9 7 7 г . ) . В 2-х т . Х арьно в , 1 9 7 7 , Т . 1 , с . 2 1 0 - 2 2 0 . 2 1 . К амер а сгор ания автомо бил ьного ГТД с низюш уровнем вы­ бросов. Методика эксперименто в, резуJi ьтаты и их анаJiиз / АзеJiь­ бор н , Уэйд, Секорд, М аклин. - Тр . Амер . о-ва инж . -ме х . Се р . Энер г . машины и установки, 1 97 4 , .№ 1 , с . 5 6 - 6 4 . 22. К а.чер а с гор ания автомо биJiьного ГТ Д с пизк н м ур овнем вы­ бр осов / Уэйд, Ш е н , Оуэне , М акшш . - Тр . Амер . о-ва ппж.­ мех. Сер . Энер г . машины и установю1 , 1 9 7 4 , . № 1 , с . 3 5 - 5 5 . 2 3 . К апило П. М . , Малев а п ы й А . П. , Н п к и zиов А . А . Сни жение токсичности отр аботавших газов ГТД п утем обогащения во­ дородом топJiивно-воздушной смеси в каме ре сгорания . - В кн . : Защита воздушного бассейна от загр язнения токсичными вы­ бросами транспортных средств : Докл . Всесоюз . науч. к о нф. ( Х арьков , 1 2 - 1 4 окт. 1 97 7 г. ) . В 2-х т. Х арьков , 1 97 7 , Т . 1 , с . 3 9 6 - 40 2 . 2 4 . К а п ило П. М . , С о л о в е й В . В . , М а к с а к о в И . Е . Пов ышение мощности и снижение тонсичности транспорт н ых ГТД . - В кп. : Защита воздушного бассейна от загрязне ния токсичпымп вы ­ бросами тр анспортных ср едств : До1ш . Всесоюз . на уч. к онф. -

•.

133

25.

26. 27.

28 .

.2 9 . �30 . :з 1 .

:З2. 33.

34 .

(Х арьков , 1 2 - 1 4 окт. 1 977 г . ) . В 2-х т. Х ар ько в , 1 9 7 7 , Т . 1 , с . 403 -410. Н оллрек , А цето. Обрааование окиси ааота в камерах сгор ания гааотур бинных двигателей . - Ранет. техника и носмонавтика, 1 973, 2 , .№ 5, с. 1 1 1 - 1 1 7 . Н оссов М . А . , Цветков С . И . , Ш вар цман а . Е . О перспективах; раавития автомобильных гааотур бинных двигателей. - Авто­ моб. пром-сть, 1 978, .№ 8, с. 39-41 . Н увнецов Л. А . :Камеры сгор ания стационар ных гааотур0ин­ ных установок . - М . - Л. : Машгиа , 1 957 . - 1 66 с. Лавров Н. В. Фиаико-химическ ие основы процесса горения топлива . - М. : Наука, 1 9 7 1 . - 272 с. Л авров Н . В . , Стаскевич Н . Л. , Н о м и н а Г. П . О мех а н изме образов ания бенз (а)пирена. - Докл. А Н СССР , 1 97 2 , 206 , .№ 6 , с . 1 3 6 3 - 1 366. Л ью ис В . , Эл ьбе Г. Горение , пламя и взрывы в газах . - М . : Мир , 1 968- 592 с. М очешнико в Н . А . , М анус а джянц Ж. Г. Эко номи ческие ас­ пекты про блемы загрязнения атмосферы двигателями внутре ннего сгор ания . - В кн. : Защита воздушного бассейна от з а­ грязнения токсичными выбросами транспортных ср едств : Доюr . Всесоюз. науч. конф. (Х ар ьнов , 1 2 - 1 4 окт. 1 977 г . ) . В 2-Xi т . Хар ьков , 1 97 7 , Т . 2 , с . 1 89 - 1 97 . Мамфор д, Х у н , С и нгх. Гибр идная камера сгор ания газотур­ бинного двигателя с низкими выбросамп N O x . - Тр . Амер . о-ва инж . -мех. Сер . А , 1 97 7 , .№ 4, с. 1 50 - 1 57 . Неустанови в ш и еся режимы поршневых и газотурбинных дви­ гат11лей автотр актор ного типа / Н . С. Ждановский, А . И . :Ковригин, В . С. Шкрабак , А . В. Сомич. - Л. : Машиностроение , 1 974. - 222 с. Н и д цвески, Джоне. Измерение загрязняющих веществ , выде­ ляемых вавихр ительной камерой сгор ания . - Р анет техника и космо навтика, 1 97 4 , 12, .№ 6, с . 1 34 - 1 4 1 Нор мир ование эмиссий двигателей воздушных судов : Ц и р к у­ Междунар . ляр И :КАО 1 34-А (94) . - Монреаль - :К анада ; о р г . гр ажд. авиации , 1 977 . - 39 с . О пр еделение некотор ых тонсичных компонентов в отр аботав­ ших газах Д В С / Е . Н. Морозо в , И . М. Никитин, О. Г. Попо­ в а , О. Д. Убоженко . - В кн. : Защита воздушного бассейна 01• загрязне ния токсичными выбросами тр анс портных средств : Докл. В сесоюа . науч. конф. ( Х арьков , 1 2 - 1 4 онт . 1 977 г . ) . В 2-х т . Харьков , 1 9 7 7 , Т. 2 , с. 1 6 9 - 1 83 . О пределение полициклических ароматичесних углеводородов в отр аботавших газах дизелей / Л. В. Альтман, Н. И. Б р ыз­ галова , Л . Г . М асленковский и др . - В юr . : Защита во здуш­ ного бассейна от загр язнения токсичными выбросами тр а нс­ портных средств : Докл. Всесоюз. науч. конф. (Х ар ыш в , 1 2 - 1 4 окт. 1 97 7 г . ) . В 2-х т . Харьков , 1 9 7 7 , Т . 1 , с . 3 - 1 3 . Основы горения углеводородных топлив / П о д ред. Л . Н . Х ит­ рина , Б . А. Попова . - М. : Изд-во иностр . л ит. , 1 960 . - 664 с . О содер ж а н и и канцер огенных веществ в уходящих гааах при сжигании газа и мазута / Л. М. Цирюльнико в , В . Г . :Конюхо в , И . Н . Д имант , Э . Н . Владимиров . - Тепло энер гетика, 1 97 6 , .№ 9 , с . 32-35. О токсичности выхлопа газотур бинных двигателей / С. А. Г ав.

.3 5. .36 .

:37 .

38. . 39.

40 . 134

риш, В . И . Диденко , Г. Н . Любчик , В . А. Х ристич. - Э нерго­ машиностроение , 1 9 7 7 , No 1 2 , с . 2 1 -23.

41 . П а т . 3462948 (США ) . Continuous flo\V co mbustion engine / N . Scho l z . - Опубол. 2 6 . 0 8 . 6 9 . 42 . П а т . 404 1 694 (СШ А ) . Co mbustion te mp erature contro l . / Lewis George D . - О публ . 1 6 . 0 8 . 6 9 . 43. П а т . 1 489339 (Англия) . G a s turblne engine c o m b u stion cham­ bers . / Carl isle Denis R ic h ard . - Опубл. 1 9 . 1 0 . 7 7 . 44 . По дгор пь� й А . Н . , В ар ш авский И. Л. В одород - топливо бу­ дущего . - Киев : Наук. думка , 1 978. - 1 34 с . 4 5 . Реапиков М . Е . Топлива и смазочные матер иалы для летатель­ ных аппар атов. - М. : Воен. изд-во М О СССР , 1 973. - 232 с. 46. С амоль Н . Г . Некотор ые особенности регулирования газовых двигателей в нутренне го сгор ания по параметр ам токсичности отработавших газов . - В кп. : Защита воадушного бассейна от загрязнения токсичности выбросами транспортных средств : Д окл. Всесоюа. науч. конф. ( Х ар ьков , 1 2 - 1 4 окт. 1 97 7 r. ) . В 2-х т . Х ар ьков , 1 9 7 7 , Т. 2 , с . 262-270. 47 . Семепов Н . Н . Раавитие теории цепных реакций и теплового воспл амене l!ИЯ . - М . : Зна ние , 1 969 . - 9 4 с . 4 8 . Сигал И. Я . Применение методо в , rор елочных и топоч н ых устр ойств с пониженным выходо м онислов азота - В к н . : Образов ание окислов ааота в процессах горения и пути с ниже­ ния их выбросов в атмосферу. Киев : О-во «З нание» УССР , i 977 ' с. 3-5. 49 . Смайлис В . И . М алотоксичные дизели. - Л . : М ашинострое� ние , 1 97 2 . - 1 28 с. �50 . Смаль Ф . В" А рсепов Е . Е. Перспектив ные топлива для авто� мобилей . - М. : Транспорт, 1 97 9 . - 151 с. 5 1 . С п ижепие токсичности и повышение экспл уатационной эно но­ мичности тр анспортных энер гоустановок / И. Л. Варшавский , П . А. Гра науэр , П . М . Канило и др . - Х а р ьков , 1 97 8 . - 49 с . ­ (Препр инт / Ин-т проблем машиностроения ; No 1 04 ) . 5 2 . С п и жен,ие токсичности О Г бенаинового двигателя примене1mем добавон водорода / И. Л. Варшавсний , А . И . Мищенко , Г . В . Т алда , В . Д . Савицrшй. - В кн. : Защита воздушного бассейна от загр я а не ния тонсичными выбросами тр анспорт­ ных средств : Докл . Всесоюз. науч. конф. (Х ар ьков , 1 2 - 1 4 онт . 1 97 7 г . ) . В 2-х т. Х а р ьнов , 1 97 7 , Т . 1 , с . 9 3 - 1 0 2 . 53 . С ь� т и п с к и й И. А . Гигиеническое основание создания тр а нс­ портных средств с прогрессивными · двигателями . - В ин. : Опыт эксплуатации транспорт ных средств с прогрессив ными двигателями и охр ана во адушно го бассейна города : Докл . семинар а . (Ленингр ад. 4 - 5 дек . 1 978 г . ) . Л . , 1 9 7.8 , с . 43-48. f> 4 . Талаптов А . В. Горение в потоке . - М . : М ашиностроение , 1 9 7 8 . - 1 60 с . 55 . Теория воадушно-реантивных двигателей / Под р е д. С. М . Ш лях­ тенко . - М : М ашиностр оение , 1 97 5 . - 568 с. 56. Тумаповски й А . Г. Исследования камер сго р а ния ГТУ и раз­ р аботка мероприятий по снижению концентр аций окислов азота : А втореф. дис . ". нанд. техн. наун . - М . , 1 97 1 . - 26 с. 57 . Туман,овски й А . Г. Некоторые особенности обрааования окислов азота в высокофорсиров анных намерах сго р а ния с последо в атель­ ным вводом во здуха в зону горения . - Теплоэнер гетика , 1 97 7 , No 1 2 , с. 70-72. ·

135

Р о бер тс , lf о мпто н . Регул ир уемая камера сгор ания ав томобил ьного газотур бинного двигатеJIЯ с низким уровнем выбросов . - Тр. Амер . о-ва инж .-ме х . Энер г . машины и уста­ новки, 1 9 7 3 , № 3 , с . 5 9 - 6 8 . Ф е • ьдма н, Ю . Г. Гигиеническая оце пка автотр анспорта r>ait источника аагрязнения атмосферного воздуха. - М. : Меди­ цина , 1 9 7 5 . - 1 60 с . Ш аба д Л . М . О циркуляции канцероге но в в окружающеi:i: среде . - М. : Медицина , 1 9 7 3 . - 146 с . Ш а fi а д Л. М . , С дtuр н,ов Г. А . , Х ес и н а А . Я . Опр еделение rсичными в ы­ бросами транспортных средств : Докл . В сесоюз . науч. конф. (Х арьков , 1 2 - 1 4 окт. 1 9 7 7 г . ) . В 2-х т . Хар ьков , 1 9 7 7 , Т . 1 , с . 390-398 . Щ ет1� н:ко• Е . С. Физика горения га�ов . - М . : Наука, 1 9 65 . ....... 740 с .

58. У а й т ,

59.

60. 61.

62.

W . Fuel econo my and the aero engine . - I n : Po\ver plants and fut . fuels. London; New York, 1 97 6 , р. 9 3 - 1 04 . Clayton R . М . H ydrogen enrich ment f o r low-e mission jet co m b us­ tion . - In : E vaporation - Co m b ust. Fuels S y mp . 1 7 2nd Meet. A mer. Che m . Soc . (San Francisco , Cali f . , 1 9 7 6 ) . Washington , D . С . , 1 97 8 , р . 2 6 7 -286. Escher Will iaт J . D . S urvey and assess ment o f conte mp orary U. S. hydrogen-fueled i nternal co mbustion engi ne projects. __, I n : Record 10th I nte1·soc . E nerg y Co n v ers . Eng. Conf. , Newark , Del . , 1 97 5 . Ne\v York , 1 9 7 5 , р . 1 1 43 - 1 1 55 . Hattingen U . , Jordan W. Wasserstoff als Zusatz kraftstoff . ­ V D l - N achr" 1 9 7 4 , N 21 , S. 5 . Henriksen D . L . , Maskay D . В., Anderson V . R . Prototype h yd­ r·o ge n a u tomobl le using а metal h;ydri de . - The lst WorJ d Hyd­ rogen E nergy Conf. , Mia mi Beac h , Flor i d a , 1 9 7 6 , vol. 3 , р. 7 С .......

6 3 . Bennet Н . 64.

65.

66. 67 .

1 -7С- 1 2 . 6 8 . Hydrogen i n gaso l i ne boosts mi leage ! 1 6\:lth A CS N a t . Meet . ....... Che m . Eng. Ne\vs , 1 9 7 5 , 53, N 1 5 , р . 1 9 . 69 . Neuen Kraftstoffen a u f der S p u r . - Bonn : Gersbach а Sohn Ver­ lag , 1 97 4 , - 5;, 1 S . 7 0 . Roger Е " B i l l ings А. H ydrogen-p o\vered mass transit syste m .

P r o c . lst World Hydro gen E nergy Conf. , M i a mi B e a c h , Flo r i d a , 1 9 7 6 , 3, р . 7 С - 2 7 - 7 С - 4 0 . 7 1 . The Erren co mbustion cycle : А new me thod o f utilizing gaseo us fuels . - A u to mo b . Eng" 27 , N 9, р. 31 9 - 3 2 2 . 7 2 . The 9 t h lntersociety E nergy Conversion E ngineering Conferen­ ce . - Mech. Eng. , 1 9 7 4 , 96 , N 1 1 . р. 6 7 - 6 9 . 7 3 . Ve idner J . Р . The applica tion o f d u a l fuel for b yp ersonic c1· uise vel1icles. - A I A A Рар " 1 9 7 8 , N 1 49 , р . 7 .

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

Пр едисловие r л а ва

Токси чность отр аб отавших газон двигателей

5

грязнения воздух а . . . . . . . . 2. Н о р м и р о в а н ие токсичности 3. В ы б р о с ы токс и ч н ы х и ка н церогенных веществ 4. А н а л и з тонсических х арактер истин Г Т Д

6 12

'

1 . Гигиен ическая оце н к а

дв иг а тел я как исто чника за-

•

Г л а· в а

11

Мех анизм образования в редных веществ в камерах сгорания дв игатеJ1ей . . . . . . . .

1.

.

А л ьдегиды , онись у гл е рода ,

ды

.

.

.

.

.

.

Онислы азота

.

.

.

.

.

•

55

несr·оревшие у глеводоро-

.

56 64

. . . . .

72

2. Сажа и ды м н о сть О Г 3. Н а н цер о г е нны е ве щест в а

4.

17

40

•

.

.

•

.

67

Глава Ш

Пути снижения выброса вредных вещ еств с отрабо­ тавшими г а зами двигателей . . . . . . . .

.

.

1 . У л у ч ш ени е р а с п ы ле н ия и см f' с еоб р а а о в а н и я

во3духом

2. И з менение 1ю эффи цивнта в к а м е р е с го р а н ия . . .

3 . Ступен чатое

.

с

.

.

.

.

ж иг а н и е

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

и .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

смесей

81

воздуха .

.

р а з б а в л е н ие

•

.

85

топ­

инертными к о м п о н е н т а ми е б ы в ани я продуктов сгорания в зоне в ы с о к и х т е м п е р а т ур к а ме'р ы сгор а н ия 5 . П р имене н иР внеш него с м е с е о б р а з о в а н и я . . . 6. П с п о л 1, с� р в а н ие r а зообр а в н ы х топл и в и п р и с а док к то пл ив а м

л и вно - в о з д у шн ы х

4. Снижение в р ем ен и

80

топлива с

.

и з бы тн а п е р в ично го

топл и в а

.

пр

.

.

88 90 �11

137

Г л а в а IV

применения

Пер спек тив ы

дви г а тел я х

водо р ода в

1 . Х ар актеристика водородь нак топлива . . . . . 2. Основные пути и особенности применения водорода

в гтд

3. Хар актер истика работы двигателей на 4. Токсические характеристини ГТД при .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

вании водорода кан тош1ива

Список литер атуры

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

водороде использо­

98

99 1 02 114

122

132

П авел Ма н арови ч Н ани ло

токсичность гтд

И ПЕРСПЕНТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОРОДА

J7тверждено Yi, печати ученым советом Института проблем •