Закономерности образования загрязняющих веществ в авиадвигателях

Особенности воздействия летательных аппаратов на атмосферу связаны, во-первых, с тем, что современный парк самолетов имеет турбовентиляторные двухконтурные реактивные двигатели (ТРДД). Основными факторами, определяющими состав и объем выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) авиацией и масштабы их воздействия на здоровье людей, изменение климата и разрушение озонового слоя нашей планеты, является вид авиационного углеводородного топлива (авиакеросин) и показатели его потребления.

Главной особенностью загрязнения атмосферы, характерной только для летательных аппаратов, исключая космические, является выброс ЗВ на следующих характерных высотах:

• на уровне земной поверхности – это наземные гонки, запуск и остановка двигателей, руление перед взлетом и заруливание после посадки, а также опробование маршевых двигателей ВС в стационарных условиях и работа вспомогательных силовых установок ВС;

• в приземном слое атмосферы от уровня земли до высоты 900 м;

• на больших высотах - от 900 м до 9000-12000 м – для обычных самолетов и до 19000-22000м – для сверхзвуковых самолетов. Это набор высоты, крейсерский горизонтальный полет и снижение ВС.

Принято все время полета ВС подразделять на несколько стадий, соответствующих различным зонам выброса ЗВ в атмосферу, а именно:

• взлетно-посадочный цикл в зоне аэродрома (до высоты 900 м);

• набор высоты от 900 м и до эшелона крейсерского полета;

• крейсерский горизонтальный полет по маршруту на высотах эшелона;

• снижение с высоты эшелона крейсерского полета до высоты зоны аэродрома (900 м).

Современные авиадвигатели работают на углеводородных топливах – продукте переработки нефти, сгорание которых происходит в специальных камерах при высоких температурах, достигающих 1700°С (2000 К), и при больших избытках нагнетаемого в двигатель воздуха.

Уровень совершенства авиадвигателей очень высок и достигнутые в современных конструкциях коэффициенты полноты сгорания топлива близки к 0,96 в режиме малого газа и 0,99 в расчетных режимах работы. Особенно большой прогресс в конструировании двигателей, достигнутый в последней четверти XX в., в частности, был связан со стремлением снизить содержание загрязняющих веществ в отработавших газах.

Исследования строения атмосферы Земли, естественных химических процессов, протекающих в ней, и особенностей антропогенного воздействия на атмосферу, проведенные в конце прошлого века, выявили две глобальные экологические проблемы современности, на которые авиация оказывает принципиально важное воздействие. Это изменения климата и разрушение озонового слоя атмосферы (преимущественно сверхзвуковая авиация). Причем, проблемы связаны не только с выбросом в атмосферу веществ, традиционно считавшихся загрязняющими, но и с основными продуктами сгорания топлива – диоксидом углерода и парами воды.

Уникальное свойство воздушных судов состоит в том, что они летают на высотах в несколько километров. Воздействие большинства выбросов ВС зависит непосредственно от высоты полета и от того, где именно происходит полет: в тропосфере или стратосфере. Воздействие компонентов отработавших газов, поступивших в атмосферу на этих высотах, заметно отличается от воздействия тех же выбросов на уровне поверхности земли.

При сгорании керосиноподобных топлив в идеальных условиях образуются диоксид углерода СO₂ и пары воды Н₂O, соотношение между которыми зависит от соотношения углерод/водород (С/Н), специфического для каждого конкретного топлива. Продукты сгорания составляют всего 8,5% массы веществ, выбрасываемых двигателем в атмосферу. Только очень малая часть (около 0,4%) продуктов реального сгорания является следствием «неидеальности» конструкции авиадвигателя, «допускающего» неполное сгорание (СО, C_nH_m и сажа) и окисление азота (NO_X).

Назначение камеры сгорания современного реактивного авиадвигателя – приготовление топливовоздушной смеси и создание наиболее благоприятных условий для протекания экзотермических химических реакций с целью максимально полного перехода энергии химических связей в другие виды энергии. Камера разделяется на две части: первичную зону и зону разбавления.

В первичной зоне происходит смешение топлива и окислителя (воздуха) в пропорции, соответствующей несколько обогащенной (топливом) смеси. Несгоревшая часть топлива доокисляется в зоне разбавления, где к продуктам реакций первичной зоны подмешивается вторичный воздух. Последний охлаждает стенки камеры сгорания, а также выравнивает и снижает температуру потока продуктов сгорания до значений, допустимых для турбины двигателя.

Стабильные условия горения в первичной зоне достигаются преимущественно созданием интенсивной циркуляции газов. В этих условиях топливо через форсунки впрыскивается в первичную зону, имеющую высокую температуру, где оно быстро испаряется. В газообразном виде углеводороды топлива сгорают, смешиваясь с воздухом и продуктами протекающих реакций.

Для создания условий, обеспечивающих устойчивое горение в первичной зоне, требуется возможно малая скорость газовой смеси, то есть как можно большее время ее пребывания в первичной зоне. Образовавшаяся смесь паров топлива, воздуха и продуктов сгорания, отличающаяся некоторым избытком топлива и высокой температурой, поступает в зону разбавления, где смесь обедняется (соотношение топливо/окислитель уменьшается), а скорость ее движения увеличивается.

Образование и выделение ЗВ в авиадвигателях всех типов, использующих углеводородное топливо, зависит от режима их работы. Так, удельные выбросы СO₂, Н₂O и SO₂ одинаковы на всех этапах цикла полета. Они связаны непосредственно с расходом углеводородного топлива двигателями в соответствующих режимах. Выбросы таких загрязняющих веществ, как СО, C_nH_m, NO_X зависят от большого числа переменных, но общая зависимость определяется значением тяги.

Рисунок 1 – Выброс в атмосферу продуктов сгорания

для различных режимов работы

Из рисунка 1 следует, что минимальное образование СО и C_nH_m имеет место при наибольшей тяге, соответствующей взлетному режиму. При конструировании авиадвигателей всегда стремятся к достижению максимальной полноты сгорания, тем самым обеспечивая наиболее экономное расходование топлива, и, следовательно, максимальные дальность и экономичность воздушного судна. Прежде всего, это относится к самому продолжительному режиму работы двигателя – режиму крейсерского полета. В результате наибольшая полнота сгорания топлива характерна для режимов, близких к режиму максимальной тяги.

С уменьшением тяги удельное выделение СО и C_nH_m быстро увеличивается. Основные причины столь резкого возрастания удельных показателей «недожига» исходных углеводородов в авиадвигателе (снижение коэффициента полноты сгорания топлива) обусловлены в основном снижением температуры процесса и давления воздуха перед камерой сгорания, а также ухудшением распыления топлива.

В современных авиадвигателях приняты специальные меры по снижению образования продуктов неполного сгорания, в результате чего удельное выделение СО и C_nH_m возрастает не так значительно – всего на один порядок (в 101 раз). Тем не менее в режиме «малого газа» в авиадвигателях всех типов и конструкций, использующих углеводородное топливо, выделение СО иC_nH_mбыло и остается максимальным, а при взлетной тяге – минимальным.

Прямо противоположный тип изменения удельных показателей выделения характерен для оксидов азота и для частиц. Максимальное образование и выброс NO_X в атмосферу наблюдаются в режиме взлета, а в режиме «малого газа» в авиадвигателях они минимальны. Связано это с тем, что скорость реакции между азотом и кислородом с увеличением температуры процесса возрастает экспоненциально.

Температура зоны горения зависит от температуры и давления воздуха на входе в двигатель, а также от соотношения масс топливо/воздух. Большая часть NO_X в авиадвигателях генерируется в зоне максимальной температуры – обычно в зоне предварительного сгорания (первичной зоне) до начала разбавления.

Пик образованияNO_Xв газотурбинных двигателях совпадает с пиком температуры, соответствующим стехиометрическому соотношению топливо/воздух, а в потоке горящих веществ реальных двигателей всегда образуются участки, где происходит стехиометрическое горение. Основными причинами повышенного образования оксидов азота являются: недостаточно эффективное смешение воздуха с парами топлива, неравномерное распределение топлива по объему камеры сгорания.

Еще одним фактором, влияющим на выброс оксидов азота, является влажность воздуха. Известно, что увеличение количества паров воды, содержащихся в воздухе, на 1 % по массе приводит к снижению содержания этих соединений (NO) в отработавших газах авиадвигателей на 25%.

Таким образом, задача снижения образования и выброса в атмосферу NO_X является одной из наиболее сложных научно-технических проблем современного авиадвигателестроения. Ее решение невозможно без значительных изменений конструкции, поэтому в двигателях старых типов и конструкций задача снижения выбросов не может быть решена до конца срока их эксплуатации и списания.

Наличие в отработавших газах авиадвигателей различных частицрегламентируется показателем (числом) дымности–безразмерной величиной, количественно характеризующей выброс дыма (частиц). Этот показатель определяется следующим образом. Первоначально измеряется способность стандартного бумажного фильтра отражать свет, а затем через фильтр пропускается отобранная проба газа определенного объема и на нем оседают (задерживаются) все твердые и жидкие частицы. Уменьшение коэффициента отражения света, выраженное в процентах, и называется условным числом дымности SN. Визуально бездымный поток отработавших газов авиадвигателя все равно вызывает потемнение фильтра, но не более чем на 20- 30% (в зависимости от размеров двигателя).

Основным компонентом частиц является сажа, формирование которой и дальнейшее полное и неполное окисление являются очень сложными процессами. В газотурбинных авиадвигателях сажа образуется преимущественно в обогащенной топливом предварительной зоне камеры сгорания, а затем она окисляется в высокотемпературных областях зоны разбавления и промежуточной (средней) зоне.

Характер изменения этого показателя экологического совершенства авиадвигателя с изменением его относительной тяги такой же, как и для оксидов азота – с ростом тяги число дымности увеличивается.

Удельный выброс сажи двигателями современного парка воздушных судов оценивается 0,04 г/кг сожженного топлива. Особенности образования сажи в камере сгорания газотурбинного двигателя, а также влияние на этот процесс размеров конструкции и прочих условий горения были и продолжают оставаться предметом пристального изучения. К началу 1990-х годов были созданы принципиально новые приборы для измерения характеристик аэрозолей, позволившие определять частицы с диаметром до 3нм.

Удельный выброс частиц сажи (частиц/кг топлива) составляет: от 1012 – для самых современных камер сгорания реактивных двигателей; до 1015 – для авиадвигателей старого типа; от 1014 до 1015 – для большинства двигателей, использовавшихся в коммерческих перевозках в конце XX в. и использующихся в наши дни.