К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ НА ДЫМЛЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ И ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Александр Васильевич Исаев, заместитель начальника
ФГУП "25 ГосНИИ МО РФ" по науке, к.т.н.
Игорь Валентинович Никитин, доцент ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, к.т.н.

В настоящее время при разработке технологий производства углеводородных топлив (УВТ), в том числе из альтернативного сырья, стремятся обеспечить их соответствие стандартам на традиционные нефтяные топлива. Тем не менее результаты исследований свидетельствуют о противоречивости связи дымления газотурбинных и дизельных двигателей (ГТД и ДД) со свойствами топлив (плотностью, вязкостью, фракционным составом, высотой некоптящего пламени, содержанием ароматических углеводородов, массовой долей нафталиновых углеводородов, люминометрическим числом, содержанием водорода). Поэтому в стандартах на топлива нормируются несколько показателей свойств, связанных с сажеобразованием, и считается, что соответствие этих показателей нормам обеспечивает надежность и экологическую безопасность техники. Однако при таком подходе ограничиваются ресурсы УВТ.

В результате комплексного исследования процессов сажеобразования в условиях ламинарного диффузионного пламени (ЛДП) и в камерах сгорания (КС) ГТД и ДД (экспериментального и на математических моделях) было установлено, что непосредственная склонность УВТ к сажеобразованию при горении лучше всего характеризуется показателем черноты диффузионного пламени (ПЧДП), пропорциональным степени черноты ЛДП и концентрации дисперсного углерода (ДУ) в нем, а склонность образовавшегося при этом ДУ к газификации - индексом газифицируемости сажи (ИГС), пропорциональным количеству ДУ в пламени на пороге дымления. Пара этих показателей определяется при лабораторных испытаниях топлива.
В разработанных математических моделях (ММ) учтено влияние физических свойств УВТ на образование топливовоздушной смеси (ТВС), ПЧДП на образование и ИГС на газификацию ДУ. При этом описание процессов переноса в КС ГТД и ДД с помощью упрощенной методики газо- и термодинамического расчета с применением статистического описания турбулентности обеспечивает учет конструкции и режима работы исследуемого двигателя. Особо следует подчеркнуть, что данные ММ позволяют оценить, каким образом свойства УВТ влияют на дымность.

Все величины рассчитываются в функции времени пребывания выделенного элементарного объема ТВС в КС. Полученные зависимости от времени газодинамических параметров и законы распределения их мгновенных значений используются для корректировки кинетических зависимостей процессов образования и газификации частиц ДУ, полученных при исследовании ЛДП.

В качестве характеристики состава ТВС использована "восстановленная" концентрация топлива z, связанная с коэффициентом избытка воздуха и стехиометрическим коэффициентом топлива по воздуху L₀ соотношением: ,
где z рассматривается как случайная величина, распределенная по усеченному нормальному закону, параметры которого, в свою очередь, являются функциями параметров турбулентности.

Сравнение результатов, полученных с помощью ММ и эксперимента на установках с КС авиационного ГТД и одноцилиндровым дизелем AVL-528, показало хорошее их совпадение. Так, на рисунке явно просматривается достаточно хорошая корреляция между дымностью отработавших газов (ОГ) ДД и часовым выходом ДУ.

Оптимальное сочетание значений показателей свойств топлива существенно зависит от параметров двигателя, поэтому при формировании требований к альтернативным топливам нет смысла жестко ориентироваться на действующие стандарты. Это открывает дополнительные возможности для повышения их конкурентоспособности.

Полученные результаты показывают, что в случае исследования сложных явлений, подобных образованию и газификации ДУ в КС, целесообразно комбинировать экспериментальные и численные исследования. В этом случае удается выявить закономерности между изменением свойств исследуемых объектов и интенсивностью рассматриваемых явлений, устойчивые в широком диапазоне изменения варьируемых параметров.

Описанный подход к оценке дымности ОГ применим для различных классов двигателей и КС, благодаря тому, что в его рамках сложный процесс образования частиц ДУ составлен из ряда последовательно протекающих стадий превращения УВТ. Закономерности этих стадий (дробления и испарения капель топлива, перемешивания паров с воздухом и продуктами сгорания, сажеобразования, газификации) достаточно универсальны в широком диапазоне изменения термодинамических параметров в КС и в значительной мере определяются свойствами топлива. КС с ее конструктивными особенностями в данном случае выступает как генератор значений термодинамических параметров и законов их распределения в пространстве КС и во времени, которые, в свою очередь, оказывают влияние на характер реализации указанных закономерностей.