Азот оксидінің эмиссия деңгейін төмендету үшін отандық және шетелдік әзірлеушілер жану құрылғылары мен ГТҚ жану камераларында жануды ұйымдастырудың мынадай технологияларын қолданады:
1. «Бай-кедей» жану.
2. «Кедей» гомогенді отын-ауа қоспасын жағу.
3. NOx-ті «ылғалды» төмендету әдісі - жану камерасына отынды немесе тотықтырғышты су буымен араластырып беру.
4. Төмен калориялы отынды жағу – табиғи газдың каталитикалық ыдырауы арқылы алынған синтез-газды.
Азот оксидтері эмиссиясының төмен деңгейіне қол жеткізу отын-ауа қоспасын «кедейлету» немесе жалын температурасын төмендеу арқылы мүмкін болады. Бірақ эксплуатациялық және энергетикалық талаптарды бір мезгілде орындау қажеттілігі бұл міндетті айтарлықтай күрделендіреді, өйткені азот оксидтерінің эмиссиясын төмендетудің кез келген технологиясы жалпы жүйе сенімділігінің төмендеуімен бірге жүреді. Қазіргі заманғы азэмиссиялық форсунканы, жанарғысы бар фронт құрылғыны және жану камерасын жобалау үшін азоттың оксидтері эмиссиясының деңгейі және отынның толық жануы, сенімді стабилиация мен жұмыс бойынша қорлар талаптарын орындау арасында тар қырынан өту қажет, яғни қоспаның құрамы бойынша диапазон шамасын білу немесе бағалау қажет. Демек, аз эмиссиялы жану камерасын жобалау бойынша есептік-экспериментальдық жұмыстарды жүргізу кезінде оның мынадай маңызды сипаттамаларын бағалау қажеттілігі туындайды:
1. Ластаушы заттар эмиссиясының деңгейі: NOx, CO.
2. Отынның толық жану.
3. Жанудың гомогенді және диффузиялық зоналарындағы жалынды стабилизациялау шектері.
Газ турбиналы қозғалтқыштардың аз эмиссиялы жану камераларын жобалау үшін оларда өтетін физика-химиялық процестерді сандық моделдеу негізінде программалық кешенін әзірлеу қажет. Жобалау кезінде бірінші кезекте:
1. Азот оксиді эмиссиясының деңгейін есептеу үшін бар математикалық модельдерді нақтылау.
2. Көміртегі оксиді эмиссиясының деңгейін есептеу үшін математикалық модель әзірлеу.
3. Жалын фронтын стабилизациялау шегін бағалау үшін математикалық модельді жасақтау.
Бұл проблемаларды дұрыс шешу оптималды параметрлерді табуға мүмкіндік береді, яғни нақты жағдайларға байланысты сенімді жұмыс істейтін
азэмиссиялық жану камерасының негізгі жобалық параметрлерін анықтауға, оның ішінде геометриялық (конструктивтік) шектеулерді ескере отырып.
Сандық модельдеу мүмкіндіктерін пайдалану жанарғылар мен жану камераларын жетілдіру кезінде көп шығынды эксперименттер санын едәуір қысқартады.
Алайда, қойылған есептерді шешу кезінде белгілі қолда бар турбуленттілік моделін және көмірсутек отынының тотығуының кинетикалық механизмдерін таңдау (яғни экспериментпен сәйкестендіру) ғана емес, сонымен қатар, айтарлықтай күрделі, егер оның математикалық сипаттамасы туралы айтатын болса, сызық емес қасиеттерге ие қатты бұралған (құйындалған) ағынның үш өлшемді реакция кеңістігіндегі жалынның (гомогенді және диффузиялық) типтерін кеңістіктік идентификацияау тәсілін әзірлеу қажет. Бұл идентификацияның қажеттілігі қазіргі уақытта аралас жалын фронтының (диффузиялық және гомогенді) математикалық модельдері жоқ болуымен байланысты. Ал қазіргі заманғы жану камерасында жалынның нақты фронты әдетте аралас.
Белігіл жайт, жалын фронтының стабилизация және көміртегі оксидінің концентрациясы бойынша қорларды бағалаусыз аз эмиссиялы жану камерасын жобалау мүмкін емес. Азот оксидтерін математикалық модельдер көмегімен бағалау бойынша әлемде үлкен тәжірибе жинақталған, бірақ кедейленген үзілісті және жану камераларын жағу бойынша модельдеу тәжірибесі өте аз. Қазіргі уақытта қол жетімді жанудың математикалық модельдермен жобаланатын жану камерасының негізгі сипаттамаларын комплексті есептеу мүмкін емес.
Жану камераларында азот оксидінің түзілуіне әсер ететін негізгі фактор жалын температурасы. NO түзілу жылдамдығы жалын температурасының өзгеруімен экспоненциалды түрде өзгереді, сондықтан NOx концентрациясын төмендеуінің негізгі жолы-жалын температурасының азаюы. NOx түзілуіне әкелетін физика-химиялық процестер, ГТҚ жану камераларында NOx
шығарындыларын азайту үшін келесі практикалық әдістерді негіздейді:
1. «Кедейленген» біріншілік зонаны құру – жалын температурасын төмендету үшін біріншілік зонаға ауа қосу NOx шығуының едәуір азаюын қамтамасыз етеді.
2. «Байытылған» біріншілік зонаны құру – артық отын, артық ауа сияқты, жалын температурасын төмендетеді, сәйкесінше, NOx шығуын.
3. Жануды гомогенизациялау. Отын шашыратуды және үлестіруді жақстартып және ыстық құбырдағы қысымның ауытқуын арттыру арқылы отын мен ауа араласуын қарқындату жану аймағындағы жалын температурасын біркелкі етеді.
4. Болу уақытын азайту. Газдың жоғары температурада болатын уақытын азайтса, NOx шығарындалары да төмендейді.
Бұл әдістерді практикада қолдану NOx эмиссиясының деңгейін төмендетудің мынадай технологияларына әкеледі:
1. Алдын ала араластырылған кедейленген отын-ауа қоспасын жағу
(жағу сұлбасы LPP-Lean Premixed Prevaporized).
2. «Байытылған жану - араластыру – кедейлетілген жану» жану сұлбасы бойынша (RQL – Rich /Quench/ Lean жағу сұлбасы).
3. Жану камерасына суды немесе буды шашырату.
4. Шығарынды газдарды тазалау үшін каталитикалық бейтараптандырғыштарды қолдану.
5. Каталитикалық жану.
Газтурбиналы қозғалтқыштардың жану камераларындағы физика- химиялық процестерді модельдеу үшін физика-химиялық процестердің келесі классификациясы келтіріледі:
1. Газ қоспасының турбуленттік ағыны.
2. Отын тамшыларының таралуы және булануы (сұйық отын жанған кезде).
3. Газ тәрізді отынның турбуленттік жануы.
4. NOx түзілуі.
5. Күйе түзілуі.
6. Радиациялық жылу алмасу.
7. Конвективті жылу алмасу.
8. Ыстық құбыр қабырғасының ішіндегі жылу алмасу.
Жану камераларында өтетін процестер бөлек жүрмейді, олар бір-бірімен өзара әрекеттеседі. Сондықтан ГТҚ жану камераларында өтетін құбылыстардың физикасын нақты сипаттайтын есептеулерді жүргізу үшін жоғарыда аталған барлық процестерді және олардың арасындағы өзара әрекеттесуін моделдеу қажет. ГТҚ жану камерасында болатын физика- химиялық процестерді толық сипаттау үшін келесі математикалық модельдер қолданылуы тиіс:
1. Газ қоспасының турбуленттік ағынының моделі.
2. Сұйық отын тамшыларының таралу және булану моделі.
3. Газ тәрізді отынның турбуленттік жану моделі.
4. NOx-тің түзілу моделі.
5. Сәуле шығаратын ортадағы радиациялық жылу алмасу моделі.
6. Беттер арасындағы (сәуле шығаратын орта жоқ кезде) радиациялық жылу алмасу моделі.
7. Конвективті жылу ағындарын есептеу моделі.
8. Жылуөткізгіштік процесінің моделі.
9. Күйе түзілу процесінің моделі.
Жоғарыда аталған моделдерді пайдалану теориялық және экспериментальды сипаттағы белгілі бір қиындықтармен ұштасқан жұмыс көлемі жағынан өте үлкен болып табылады.
Олардың ішінде ең маңызларының бірі жану камераларында турбуленттік газ ағысын модельдеу үшін қолданылатын математикалық модельдер болып табылады:
1. Навье-Стокс теңдеулері.
2. Буссинесктің турбуленттік тұтқырлық туралы гипотезасына
негізделген, Фавр бойынша орташалаған Навье-Стокс теңдеулер жүйесінің тұйықталуы үшін қажетті турбуленттік модельдері: k-, k- RNG, k- ASM, k-, k- SST, k- RSM. Сондай - ақ турбуленттік тұтқырлық туралы гипотезаны пайдаланбайтын k-RSM Рейнольдс кернеулерінің моделі. Осы модель шеңберінде Рейнольдс кернеулерінің тензорының белгісіз мүшелері үшін тасымалдау теңдеуінің шешімі жүргізіледі.
Жану камерасының ыстық құбыры қабырғасының жылулық жағдайын модельдеу үшін әрекеттесетін газға энергия, ал қабырғаға жылу өткізгіштік теңдеулерін шешу арқылы бірлесіп жылу алмасу есебі шешіледі.
Отынның тотығу процесін модельдеу табиғи газ бен ТС-1 керосиніне арналған детальді кинетикалық механизмдерді пайдалана отырып жүргізіледі.
Табиғи газдың тотығу процесін модельдеу үшін үш түрлі механизмді қолдануға болады:
1. Метанның тотығуы үшін KEE механизмі. 18 қоспа компоненті және 58 қайтымды реакция.
2. Қоспаның 16 компоненті мен 46 реакцияны қамтитын SMOOKE механизмі.
3. GRI-MECH 3.0–53 қоспа компоненті және 325 химиялық реакциялар.
Авиациялық керосиннің жану процесін сипаттау үшін суррогат отынының моделі қолданылды. Суррогаттық отын керосинді түзетін бір немесе бірнеше компоненттерден тұрады. Керосиннің "молекуласы" ретінде C12H23 қолданылды. C12Н23 үшін кинетикалық механизм отын ыдырауының екі сатысын қамтиды және екінші сатылы тұрақты аралық компоненттерге назар аударады, онда қарапайым көмірсутектер әректеттеседі:
Үшінші кезеңде рекомбинация реакциялары және СО2-ге айналуы басым. Кинетикалық механизм 26 реакциядан және осы реакцияларға қатысатын қоспаның 18 компонентінен тұрады.
Альтернативті тәсіл ретінде керосиннің жануын сипаттау үшін n-гептан тотығуының келесі механизмі қолданылды:
1. 20 компоненттен және 42 қайтымды реакциядан тұратын n-гептан тотығу механизмі.
2. n-гептан тотығуының детальді механизмі: 41 компонент және 175 қайтымды реакциялар.
n-гептанды авиациялық керосинді алмастырушы көмірсутек ретінде таңдау ол жеңіл болса да (C7H16 молекулалық салмағы 100,198-ге тең, ал керосиннің «молекуласы» 167,315), n-гептанның стехиометриялық коэффициенті (15,4 тең) керосинге жақын – 14,8 .
Жану камераларын есептеу үшін механизмдерді таңдаудың негізгі критерийлері:
1. Жану камерасының шығысындағы жану әсерінен жылу бөлінуді немесе орташа температураны дұрыс болжау.
2. Азот оксиді түзілу реакциясына қатысатын жану аймағындағы еркін оттегі концентрациясын дұрыс болжау.
Күйе түзілу процесін модельдеу көмірсутекті отынды жағу кезінде радиациялық қасиеттерді есепке алу үшін жүргізіледі. Күйе прекурсорларының түзілу механизмі ацетилен мен сутегі хош иісті Аі
сақинасының пайда болуына әкелетін қарапайым реакциялар сериясынан тұрады:
Күйе прекурсорларының түзілу механизмі A4 түзілуінің сипаттамасымен шектеледі. Күйе «графитизация» процесі арқылы пайда болады:
7.2 Турбулентті жануды модельдеу үшін қолданылатын