Физико-химические свойства газотурбинных топлив

Показатели	По ГОСТ 10433-63, образцы 1 и 2	По МРТУ 12Н № 110-64. Образцы 1 и 2
Плотность при 200 С, г/см3	0,886 – 0,903	0,83
Вязкость кинематическая при 500 С, сст	2,95 – 3,36	1,9
Зольность %	0,008	Отсутствует
Содержание в % ванадия серы	(1,6 – 6,8) * 10-4 1, - 1,9	Отсутствует 0,22 – 0,18
Температура 0 С – вспышки застывания	80 – 82 -12 ÷ - 17	68 – 73 -10 ÷ -17

В соответствии со спецификацией ASTM 975-68Т ди­зельные топлива в США производились трех сортов: 1-D -легкий сорт; 2 -D - более тяжёлый (газойлевые фракции); 4-D - тяжёлый сорт - дистиллятные топлива. На топлива, применяемые в армии США, имелась отдельная военная специ­фикация для быстроходных дизелей. Качество этих топлив со­ответствует требованиям, предъявляемым к топливам для газовых турбин.

На основании проведенных исследований опытных образцов топлив в США в 1966 году был предложен проект ASTM на топ­лива для газовых турбин.

Сорта 1 – GT, 2 -GT, 3 – GT - дистиллятные топ­лива, 4 – GT - остаточные. В нём зольность не ограничи­вается и допускается высокое содержание ванадия и натрия.

О разработке газотурбинных топлив в других странах известно очень мало. В качестве газотурбинного топлива для стационарных ГТУ используются также мазуты. Качество ма­зутов оценивается в основном теми же показателями, что и в РФ. В США была распространена спецификация D 396-66Т.

В Англии использовалась спецификация Английского институ­та стандартов BS 2869-1957, которая распространялась на дистиллятные и остаточные топлива (мазуты), получаемые переработкой нефти.

В ФРГ существовала правительственная спецификация в которой различается четыре сорта: EL и L (дистиллятные), М (типа флотского мазута) и S (типа топочного мазута М 60). Отсутствие сведений о содержании зольных элементов в мазутах, вырабатываемых в Англии, ФРГ и других странах не позволяет оценить возможность их применения в качестве газотурбинного топлива.

 

Контрольные вопросы к главе 2

1. Назовите горючие элементы в топливе ГТД.

2. Укажите физический смысл вязкости топлива.

3. В каких единицах измерения оценивается вязкость керосина и мазута?

 

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Реакции горения топлива

Горением называется химический процесс окисления топлива, идущий с интенсивным выделением тепла. Организация процесса горения состоит в том, чтобы предельно использо­вать теплоту сгорания топлива и получить наибольшее тепло­выделение в камере сгорания. На процесс сжигания топлива в факеле пламени, особенно на полноту его сгорания, влияют различные условия, которые определяются исходным составом топлива, процессом перемешивания воздуха с топливом, жидким иди газообразным, начальными температурами обоих компонен­тов, условиями зажигания, размерами камеры. В процессе го­рения окисляются основные составляющие топлива - углерод и водород, а также примеси.

Основные стехиометрические реакции горения имеют следующий вид:

 

С + О₂ = СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂0; S + O₂ = SO₂

12 32 44 4 32 36 32 32 64

 

Следовательно, для окисления одного килограмма углерода потребуется 8/3 кг кислорода, а для С кг углерода 8/3 С кг кислорода. Для окисления одного килограмма водорода требуется 8 кг O₂, а для Н кг Н₂ - 8 Н кг кислорода.

Таким образом, для сжигания 1 кг топлива нужно следующее количество кислорода:

8/3 С^Р + 8Н ^Р +S ^Р – O ^Р, кг.

В окислителе содержится следующее количество свободно­го кислорода:

О_о^Р – 8/3О_о^Р –8 Н_о^Р – S_о^Р, кг,

где С^Р, Н ^Р,S ^Р,O ^Р - массовое содержание элементов в топливе,

О_о^Р,О_о^Р,Н_о^Р,S_о^Р – массовое содержание элементов в окислителе.

 

Отношение

 

, кг "о"/кг "т"

 

Называется стехиометрическим коэффициентом. Величина L₀ определяет количество окислителя, необходимого для полного сжигания одного килограмма топлива при идеальных условиях. Обычно окислителем в ГТД является воздух. В этом случае Н_о^Р = С_о^Р = S_о^Р и О_о^Р = 0,232, откуда следует:

 

 

При сгорании керосина, имеющего состав С^Р =0,86 и Н^Р =0,14 в воздухе стехиометрический коэффициент равен L₀ = 14,72.

Пользуясь теми же массовыми соотношениями, можно рассчи­тать количество отдельных газов, содержащихся в ох­лажденных продуктах сгорания 1 кг горючего. Так как общая масса продуктов сгорания, получающихся при сжигании 1 кг горючего (топлива), равна

 

, кг "пс"/кг "т",

 

то относительная массовая доля какого-либо компонента в продуктах сгорания равна g_i=G_i|1+αL₀:

 

_{, , , ;}

.

 

Для реакций окисления углерода и водорода можно написать следующие массовые соотношения:

 

 

Где Н^Р, С^Р, S^Р - массовые количества углерода, водорода и серы в топливе. При условии полного сгорания и α = 1 продукты сгорания состоят из СО₂ + SO₂ и Н₂0. Для продуктов сгора­ния одного килограмма топлива с С^Р = 0,86 и Н^Р = 0,14 имеем:

 

Проверка вычислений даёт следующий результат:

 

 

Степень совершенства горения устанавливается газовым анализом. С помощью газового анализа продуктов сгорания можно определить их детальный состав, включая и непрореагировавшее горючее. На практике ограничиваются измерением количества остаточного кислорода для определения двух глав­ных характеристик камер сгорания – суммарного коэффициента избытка воз­духа и коэффициента полноты сгорания η_г. Коэффициент избытка воздуха в точке отбора пробы равен

 

 

где 0,21 - объемная доля кислорода в воздухе,

= - отношение объема O_{2 ост} к общему объему продуктов сгорания после дожигания пробы. Формула для имеет вид:

 

= ,

 

где полагается, что объем воздуха приблизительно равен объему продуктов сгорания. Формула определяет количество кислорода, оставшегося после стехиометрического сжигания 1 кг топлива.

Коэффициент химической полноты сгорания, если приближенно принять, что количество выделившегося тепла пропорционально количеству поглощенного кислорода, равен:

η_г=

 

где - объемная доля О₂ в "замороженной" пробе (без дожигания), то есть это лишний кисло­род плюс оставшийся из-за плохой организации процесса горения.

Методы газового анализа в настоящее время хорошо разработаны и могут быть изучены по специальной литературе.

Таким образом, по измеренным величинам и можно вычислить α и η_г в точке отбора пробы и затем проинтегрировать по сечению:

 

 

где r_ж - радиус жаровой трубы.

При отсутствии ошибок эти рабочие параметры работы камеры должны совпасть с параметрами, определенными по суммарным величинам.

Так как скорость химической реакции весьма велика, то скорость сгорания практически равна скорости смесеобразо­вания.

В общем случае полное время сгорания топлива равняется

τ_c = τ _см + τ _t + τ _x

где τ_см - время смесеобразования;

τ _t - время нагрева до воспламенения;

τ _x - время химической реакции.

 

Если топливо вводится в камеру сгорания неперемешанным, то

τ_cм ≥ τ _t ≈ τ _x и τ_c ≈ τ _см.

В этом случае процесс горения часто называется диффузионным.

 

Если топливо заранее перемешано с воздухом, то

 

τ _см + τ _t ≈ τ _x и τ_c ≈ τ _x.

 

В этом случае процесс горения называется кинетическим, так как перестает зависеть от факторов смешения, а скоро­сть процесса определяется скоростью химической реакции.