Способ повышения полноты сгорания углеводородного топлива

Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способам повышения полноты сгорания углеводородного топлива, и может найти применение в двухконтурных газотурбинных двигателях с форсажными камерами, в машиностроении и других областях техники, где используются тепловые агрегаты с камерой сгорания для углеводородного топлива. В способе повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающем измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, согласно изобретению интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания. Изобретение позволяет повысить достоверность полученных результатов и повысить экономичность тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способам повышения полноты сгорания углеводородного топлива, и может найти применение в двухконтурных газотурбинных двигателях с форсажными камерами, в машиностроении и других областях техники, где используются тепловые агрегаты с камерой сгорания для углеводородного топлива.

Известен способ контроля (повышения полноты сгорания) горения на основании спектрального анализа, включающий выбор заданного диапазона длин волн, выбор анализируемого продукта горения и определение концентрации выбранного продукта по амплитуде измеренного спектрального сигнала излучения от выбранного продукта, при этом диапазон длин волн выбирают от 0,4 до 1,2 мкм, а в качестве анализируемого продукта горения выбирают сажу (см. патент RU №2152564, кл. F 23 N 5/00, опубл. 10.07.2000).

Недостатки известного способа заключаются в низкой достоверности получаемых данных, поскольку в качестве анализируемого продукта выбирают сажу, по излучению которой из-за непрозрачности струи продуктов сгорания невозможно определить полноту сгорания топлива в середине указанной струи, в невозможности осуществления регулирования процесса горения и, как следствие, в низкой экономичности тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе.

Технический результат изобретения - повышение достоверности получаемых результатов и повышение экономичности тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающем измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, согласно изобретению интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания.

Спектры излучения моноокиси углерода (СО) и двуокиси углерода (CO₂) выбраны исходя из следующих условий:

- моноокись и двуокись углерода являются газами, характеризующими качество сгорания углеводородного топлива, а именно полное отсутствие моноокиси углерода в продуктах сгорания свидетельствует о полном сгорании топлива углерода и, наоборот, присутствие указанного газа свидетельствует о недостаточном наличии кислорода в зоне горения или, соответственно, об избытке топлива;

- моноокись и двуокись углерода являются прозрачными газами и позволяют выполнить решение обратной задачи, то есть по данным измерения интенсивности излучения рассчитать распределение локальных коэффициентов поглощения в спектре данного газа, являющихся функцией локальной концентрации газа. Указанная задача решается с применением томографии по методу Радона. При этом наиболее точное решение задачи повышения полноты сгорания получается в случае решения систем уравнений для излучения моноокиси и двуокиси углерода.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ;

на фиг.2 - график зависимости коэффициента полноты сгорания, температуры торможения и коэффициента избытка воздуха по относительному радиусу струи до проведения коррекции расположения форсунок;

на фиг.3 - график зависимости коэффициента полноты сгорания, температуры торможения и коэффициента избытка воздуха по относительному радиусу струи после проведения коррекции расположения форсунок.

Конкретная реализации способа рассмотрена на примере авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой.

Двигатель содержит форсажную камеру 1 и сопло 2. В форсажной камере 1 расположены трубчатые распылители 3 со струйными форсунками 4 (в данном случае отверстиями, выполненными в стенке трубчатого распылителя). За выходным сечением сопла 2, по разные его стороны, расположены оптически связанные между собой двухспектральный тепловизор 5 и металлическое зеркало 6, установленное с возможностью поворота (перемещения) вокруг его вертикальной оси. Компьютер 7 для управления процессом съемки и поворота (перемещения) зеркала 6; на компьютере 7 проводится расчет необходимых параметров. Тепловизор 5 установлен от сопла 2 на расстоянии, обеспечивающим безопасность тепловизора 5 при работе, причем оптимальное расположение тепловизора 5, когда оптическая ось тепловизора 4 перпендикулярна оси струи. Координаты расположения форсунок 4 по длине распылителей 3 и их расходные характеристики определяют характеристики распределения топлива в форсажной камере (по пространству форсажной камеры).

При проведении экспериментальных исследований при работающем двигателе, продукты сгорания из форсажной камеры поступают в сопло 2, где поток указанных продуктов сгорания формируется в струю газов, создающую тягу.

Интенсивность излучения струи продуктов сгорания регистрируют (снимают) двухспектральным тепловизором 5 в спектрах излучения моноокиси и двуокиси углерода, соответственно, в полосе их излучения с центрами, например, 4,7 и 2,7 микрона. В полосе излучения с центрами 4,7 и 2,7 микрона наблюдаются наиболее сильные полосы излучения указанных газов, что позволяет получить более точные результаты расчетов.

Процесс регистрации (съемки) делится на два сеанса - первый сеанс с зеркалом 6, установленным таким образом, чтобы отражение излучения от зеркала 6 попадало в зону съемки тепловизора 5, и второй сеанс с зеркалом, установленным таким образом, чтобы отражение излучения от зеркала 6 не попадало в зону съемки тепловизора 5. Во время первого сеанса (зеркало установлено вертикально) тепловизор 5 регистрирует суммарное излучение от струи и излучение, отразившееся от зеркала, и прошедшее струю повторно. Во время второго сеанса тепловизор 5 регистрирует только излучение от струи, так как отражение излучения от зеркала 6 не попадает в зону съемки тепловизора 5. Время сеанса определяется скоростью съемки тепловизора: время каждого сеанса составляет 5-6 секунд при скорости съемки 1 кадр в секунду. Регистрация (съемка) необходима для формирования системы уравнений, позволяющих выполнить решение обратной задачи, т.е. по измеренным данным интенсивности излучения определить температуру газа и коэффициент поглощения в полосе излучения с центрами 4,7 и 2,7 микрона.

По данным, полученным при съемках струи продуктов сгорания для двух вариантов расположения зеркала, рассчитывают при помощи метода инфракрасной томографии локальные коэффициенты поглощения в спектре моноокиси углерода и в спектре двуокиси углерода, а также их соотношение:

E(i,j)=E(i,j)co/E(i,j)co₂,

где: E(i,j)co - локальный коэффициент поглощения в спектре моноокиси углерода,

E(i,j)co₂ - локальный коэффициент поглощения в спектре двуокиси углерода.

На основании полученных результатов рассчитывают локальное соотношение концентраций моноокиси и двуокоси углерода, являющееся функцией локального отношения коэффициентов поглощения в спектрах моноокиси углерода и двуокиси углерода, то есть:

K(i,j)-f1(E(i,j)).

По полученным данным рассчитывают распределение локальных коэффициентов полноты сгорания, являющихся в свою очередь функцией распределения локальных отношений концентраций моноокиси и двуокиси углерода, то есть:

f(i,j)=f2 K(i,j).

После этого проводят коррекцию координат расположения форсунок 4 в камере сгорания (по пространству камеры сгорания).

Пример. На двухконтурном газотурбинном двигателе с форсажной камерой струйные форсунки 4 в количестве пяти распределены по длине пальцевого распылителя 3 равномерно, то есть с расстоянием между осями форсунок 4, равным 90 мм. Результат испытаний показал, что распределение локальных коэффициентов полноты сгорания неравномерно - см. фиг.2, то есть сгорание топлива в середине струи неполное.

При повторном испытании расстояние между такими же пятью форсунками 4 по длине пальцевого распылителя 3 изменено и получено более равномерное распределение локальных коэффициентов полноты сгорания - см. фиг.3.

Для испытаний возможно применение комплектов пальцевых распылителей 3 с различными координатами струйных форсунок по длине пальцевого распылителя. В этом случае необходимо заменить пальцевые распылители на другие, имеющие такое количество струйных форсунок 4.

Обозначения на графиках: fi - коэффициент полноты сгорания; ТО - температура торможения; alf - коэффициент избытка воздуха; Rst - относительный радиус струи.

Координаты расположения осей струйных форсунок по длине пальцевого распылителя в первом и втором эксперименте приведены в таблице 1.

Таблица 1
Координаты форсунок в мм	Между стенкой и первой форсункой	Между первой форсункой и второй	Между второй форсункой и третьей	Между третьей форсункой и четвертой	Между четвертой форсункой и пятой	Примечание
До оптимизации	90	90	90	90	90	Распределение локальных коэффициентов полноты сгорания неравномерно
После оптимизации	70	80	90	100	110	Распределение локальных коэффициентов полноты сгорания равномерно

Реализация способа рассмотрена на примере авиационного газотурбинного двигателя с форсажной камерой.

Данный способ может быть применен и в других областях техники, в которых используются тепловые агрегаты с камерой сгорания, работающие на углеводородном топливе.

Используемые термины

Камера сгорания - замкнутое пространство для сжигания топлива (закрытое пространство внутри какого-либо устройства).

Форсунка - устройство для распыления жидкого топлива под давлением с одним или несколькими отверстиями для распыления топлива.

Способ повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающий измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, отличающийся тем, что интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания.