Metodyka oceny wydatku spalin silnika odrzutowego

Transkrypt

1 PIELECHA Jacek 1 MARKOWSKI Jarosław 2 JASIŃSKI Remigiusz 3 ŚLUSARZ Grzegorz 4 WIRKOWSKI Paweł 5 Metodyka oceny wydatku spalin silnika odrzutowego WSTĘP Stosowana metodologia pomiarów emisji zanieczyszczeń z silników turbinowych polega na pomiarze stężenia zanieczyszczeń zawartych w analizowanej próbce spalin pobieranych ze strugi wypływających gazów specjalnie wykonaną sondą pomiarową. W przepisach ICAO Aneks 16 nie określono parametrów geometrycznych sondy, ale zdefiniowano ogólne wytyczne. Sonda, będąca w kontakcie z próbkami spalin, musi być wykonana ze stali nierdzewnej lub innego, niereagującego materiału. Jeśli jest użyta sonda wielootworowa, wówczas wszystkie otwory muszą być o jednakowej średnicy. Konstrukcja sondy musi być taka, aby co najmniej 80% ciśnienia działającego na zespół sondy było pobierane przez otwory. Liczba miejsc poboru próbek spalin nie może być mniejsza niż 12. Płaszczyzna poboru próbek musi być położona tak blisko płaszczyzny wylotowej silnika, jak pozwalają na to osiągi silnika, ale w każdym przypadku musi znajdować się w odległości mniejszej niż 0,5 średnicy dyszy wylotowej. W przepisach zawarto konieczność udowodnienia władzom certyfikującym, że proponowana konstrukcja sondy i jej umieszczenie zapewni uzyskanie próbki reprezentatywnej dla każdego określonego ustawienia ciągu silnika [3]. Zastosowanie w pomiarach emisji zanieczyszczeń spalin silnikowych sondy wielootworowej skutkuje tym, że uzyskuje się uśrednioną próbkę spalin. Uśrednienie pobranej próbki spalin związane jest z tym, że wraz ze zwiększeniem odległości od osi wypływającej strugi spalin następuje zmniejszenie stężenia składników spalin. Zależy ono od rodzaju konstrukcji silnika, w tym sposobu chłodzenia i separacji elementów silnika od gorących gazów oraz występujących zawirowań w strudze wypływających spalin. Pobrane spaliny kilkoma otworami sondy pomiarowej o różnym stężeniu zanieczyszczeń ulegają wymieszaniu, co w konsekwencji dochodzi do uśrednienia wartości stężenia zanieczyszczeń w spalinach [1, 2]. W związku z tym, pożądane jest dokonanie pomiaru stężenia zanieczyszczeń spalin w miejscu, gdzie nie zostają wymieszane z powietrzem chłodzącym elementy silnika, czy powietrzem porywanym przez zawirowania wypływającej strugi spalin. Dokonując takiego pomiaru można oszacować rzeczywisty skład spalin, a wykorzystując dodatkowe informacje określić masę wypływających spalin oraz emisję godzinową zawartych w nich zanieczyszczeń. 1. METODYKA OCENY WYDATKU SPALIN SILNIKA TURBINOWEGO Idea pracy silnika spalinowego ukierunkowana jest na uzyskanie parametrów eksploatacyjnych przekładających się na pracę napędową. Dla turbinowych silników odrzutowych istotne znaczenie ma wypływ strumienia spalin generujący siłę ciągu. Zgodnie z podstawowym równaniem określającym siłę ciągu, istotne znaczenie ma masa i prędkość wypływających spalin. Wskaźniki te wiążą się z takimi parametrami eksploatacyjnymi, jak zużycie powietrza i zużycie paliwa, których łączna masa przekłada się na masę spalin generowanych przez silnik (rys. 1). Znając chwilową wartość zużycia 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , jacek.pielecha@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , jaroslaw.markowski@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , remigiusz.w.jasinski@doctorate.put.poznan.pl 4 2. Skrzydło Lotnictwa Taktycznego; Poznań, ul. Kościuszki 92/98 5 Akademia Marynarki Wojennej, Wydział Mechaniczno-Elektryczny; Gdynia, ul. Śmidowicza 69,tel.: , fax: , p.wirkowski@amw.gdynia.pl 3875

2 paliwa oraz dokonując pomiaru składu chemicznego spalin umożliwiającego wyznaczenie chwilowej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ, można oszacować masę powietrza doprowadzaną w danej chwili do silnika. Suma wartości zużycia paliwa i zużycia powietrza odpowiada wartości strumienia generowanych spalin: (1) gdzie: strumień masy powietrza, pow pal strumień masy paliwa, spal strumień masy spalin. pow pal spal Powietrze Paliwo Silnik turbinowy Spaliny Rys. 1. Schemat wielkości wejściowych i wyjściowych silnika turbinowego odrzutowego Zakładając, że spośród trzech wielkości możliwe jest przeprowadzenie pomiarów dwóch z nich, to wartość trzeciej można obliczyć. W związku z tym przeprowadzono badania, których celem było dokonanie pomiaru zużycia paliwa i wielkości strumienia emitowanych spalin przy jednoczesnym pomiarze stężenia związków szkodliwych spalin i współczynnika nadmiaru powietrza λ. Badania przeprowadzono na przygotowanym stanowisku badawczym (rys. 2), w którego skład wchodził mały silnik turbinowy, odrzutowy, jednoprzepływowy GTM 120. Rys. 2. Widok i schemat stanowiska pomiarowego 3876

3 Silnik zasilany był paliwem ze zintegrowanego modułu zasilającego zawierającego miernicę pomiarową ATMX Pomiaru przepływu spalin dokonano z wykorzystaniem układu pomiarowego składającego się z dwóch przepływomierzy spalin o średnicy przekroju przepływu 125 mm. Zastosowanie dwóch przepływomierzy spalin było związane koniecznością rozdzielenia strugi spalin i zmniejszenia ich prędkości przepływu, dostosowując do zakresów pomiarowych przepływomierzy. Zmniejszenie prędkości przepływu strug spalin wynika ze zwiększenia pola przekroju przepływu. Pomiaru natężenia przepływu spalin oraz stężenia związków szkodliwych w nich zawartych i wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ, dokonano z wykorzystaniem analizatora spalin Semtech firmy Sensors Inc. Pomiary przeprowadzono dla ustalonych wartości siły ciągu silnika od 10 N do 120 N z inkrementacją 10 N. Badania prowadzono w taki sposób, że najpierw dokonywano nastawy wartości siły ciągu, w tym czasie układ rozdziału spalin wraz z przepływomierzami był odsunięty od dyszy wylotowej silnika. Po uzyskaniu odpowiedniej wartości siły ciągu następowało przysunięcie do dyszy wylotowej układu podziału strugi spalin wraz z układem pomiarowym. Czas pomiaru przepływu spalin i pomiaru stężenia zanieczyszczeń dla pojedynczej nastawy ciągu uwarunkowany był osiągnięciem stabilizacji wartości temperatury układu pomiarowego i wynosił od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund. Uzyskiwane wartości mierzonych parametrów poddano analizie. 2. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA Podczas przeprowadzonych badań dla założonych wartości nastaw siły ciągu F, uzyskano wartości wskaźników eksploatacyjnych silnika (tab. 1). Dokonano pomiaru godzinowego zużycia paliwa G e, współczynnika nadmiaru powietrza wynikającego z warunków procesu spalania λ, oraz strumieni masy spalin ṁ spal przepływających przez przepływomierz 1 i przepływomierz 2. Wyznaczono również całkowity strumień masy spalin jako suma strumieni spalin z dwóch przepływomierzy. Tab. 1. Wartości wskaźników eksploatacyjnych uzyskane podczas pomiarów F [N] G e [kg/h] λ [ ] ṁ spal 1 [kg/h] ṁ spal 2 [kg/h] ṁ spal [kg/h] 10 7,2 3, ,0 3, ,8 4, ,6 4, ,0 4, ,5 4, ,3 5, ,7 4, ,8 4, ,5 4, ,6 4, ,7 4, Zgodnie z celem przyjętym w artykule przeprowadzono próbę oszacowania wartości strumienia spalin na podstawie zmierzonych wartości godzinowego zużycia paliwa i współczynnika nadmiaru powietrza podczas spalania określanego na podstawie składu spalin. Mając na uwadze, że na spalenie całkowite i zupełne jednego kilograma paliwa potrzebne jest około 14,5 kg powietrza, można zaproponować następującą zależność: kg spal G e 14,5 (2) h Zgodnie z powyższą zależnością przeprowadzono obliczenia w wyniku których uzyskano wartości strumienia masy spalin (tab. 2). Wyniki uzyskane na podstawie przeprowadzonych obliczeń porównano z wartościami strumienia masy spalin uzyskanej podczas pomiarów (rys. 3). Porównanie przeprowadzono obliczając procentowe różnice wartości względem wyników pomiarów dla 3877

4 Strumień masy spalin [kg/h] poszczególnych wartości siły ciągu. Wspólne zestawienie wartości strumienia masy spalin uzyskanych podczas przeprowadzonych badań z wartościami wyznaczonymi na podstawie obliczeń, wskazuje na to, że wartości obliczeniowe strumieni spalin zbliżone są do wartości pochodzących z pomiarów. W celu dokonania jakościowej oceny wyznaczono procentowe różnice względem wartości uzyskanych z pomiarów (rys. 4). Tab. 2. Zestawienie wartości strumieni masy spalin uzyskanych z pomiaru i wg przeprowadzonych obliczeń F [N] ṁ spal [kg/h] ṁ spal [kg/h] Procentowa różnica wartości (pomiar) (obliczenia) względem pomiaru [%] , , , , , , , , , , , , ṁ spal (pomiar) ṁ spal (obliczenia) F [N] Rys. 3. Zestawienie wartości strumieni masy spalin uzyskanych podczas badań i w wyniku obliczeń dla poszczególnych wartości siły ciągu silnika GTD 120 Z przeprowadzonej analizy wynika, że maksymalna różnica wartości wynosi około 15% i dotyczy najmniejszej wartości nastawy siły ciągu. Dla pozostałych wartości, różnice te nie przekraczają 10%. Największe zróżnicowanie uzyskanych wyników uzyskano dla siły ciągu o wartościach 10 N i 20 N. Są to zazwyczaj parametry pracy silników odrzutowych występujące bardzo rzadko, zazwyczaj podczas uruchamiania i chłodzenia silnika przed wyłączeniem. W tych zakresach eksploatacyjnych mały silnik turbinowy, jako stosunkowo nieskomplikowana konstrukcja może się charakteryzować pogorszonymi procesami przepływowymi i spalania. Może to przyczyniać się do większej różnicy względnej między wartościami zmierzonymi a obliczonymi. 3878

5 Względna różnica wyników [%] ,5% 10 9,9% 6,3% 4,2% 5,8% 7,1% 5 2,3% 2,9% ,9% -4,5% -1,6% -3,6% F [N] Rys. 4. Względne różnice wartości strumieni masy spalin uzyskanych podczas badań i w wyniku obliczeń dla poszczególnych wartości siły ciągu silnika GTD 120 PODSUMOWANIE Proponowana analityczna metoda wyznaczania strumienia masy spalin silnika odrzutowego pozwala uzyskać wyniki zbliżone do wartości rzeczywistych. Charakter rozkładu uzyskiwanych wartości zmierzonych i uzyskanych w wyniku przeprowadzonych obliczeń jest podobny. Maksymalna różnica wartości wynosi około 15% i dotyczy najmniejszej wartości nastawy siły ciągu. Dla pozostałych wartości, różnice te nie przekraczają 10%. W związku z tym, można stwierdzić, że proponowana metoda wyznaczania strumienia masy spalin na podstawie wartości godzinowego zużycia paliwa i znanej wartości współczynnika nadmiaru powietrza wyznaczonej na podstawie analizy składu spalin, może być stosowana w odniesieniu do silników turbinowych. Streszczenie Badania emisji zanieczyszczeń zawartych w spalinach silników o różnych zastosowaniach związane są z określeniem stężenia związków szkodliwych oraz z oszacowaniem strumienia masy wypływających spalin. Współczesna aparatura pomiarowa umożliwia szybki pomiar stężenia związków w spalinach, również umożliwia pomiar strumienia masy wypływających spalin o stosunkowo małej prędkości wypływu. W badaniach emisji spalin z silników turbinowych stosowane metody pomiaru przepływu nie mogą być stosowane ze względu na duże prędkości wypływu spalin. Dlatego w artykule przedstawiono propozycję metodyki oceny wydatku spalin z silnika turbinowego, którą poddano weryfikacji badawczej. Przeprowadzone badania wskazują na możliwości aplikacyjne proponowanej metody w procedurach oceny emisji związków szkodliwych spalin z silników turbinowych. Słowa kluczowe: silniki odrzutowe, emisja spalin, natężenie przepływu spalin Methodology of evaluating exhaust mass flow from jet engine Abstract Exhaust emissions tests of engines for various applications are related to determination the concentration of harmful compounds and the mass of flowing exhaust. Modern measuring equipment enables fast measurement the concentration of compounds in the exhaust and also allows measurement the mass of flowing exhaust but with a relatively low speed. The common methods of flow measurements can not be used for turbine engines due to the high flow rates of the exhaust gas. The article proposes a methodology for evaluating flow exhaust from the turbine engine, which was verified by research. The study indicates the possibility of application the proposed method in the evaluation procedures of exhaust emissions from turbine engines. Keywords: jet engine, Exhaust emission, exhaust mass flow 3879

6 BIBLIOGRAFIA 1. Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Selected issues in exhaust emissions from aviation engines. Nova Science Publishers, New York Merkisz J., Markowski J., Pielecha J., Karpinski D., Galant M., The investigation of the influence of the oxygen additive to fuel on the particle emissions from a small turbine engine. 18 ETH- Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich Załącznik 16 do Konwencji o międzynarodowym lotnictwie cywilnym, Ochrona środowiska, Tom II Emisje z silników statków powietrznych, Wydanie 3, Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego,