RU2278330C1 - Method of enhancing completeness of combustion of hydrocarbon fuel - Google Patents
Method of enhancing completeness of combustion of hydrocarbon fuel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2278330C1 RU2278330C1 RU2005101361/06A RU2005101361A RU2278330C1 RU 2278330 C1 RU2278330 C1 RU 2278330C1 RU 2005101361/06 A RU2005101361/06 A RU 2005101361/06A RU 2005101361 A RU2005101361 A RU 2005101361A RU 2278330 C1 RU2278330 C1 RU 2278330C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion
- local
- completeness
- carbon monoxide
- nozzles
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y02E20/328—
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способам повышения полноты сгорания углеводородного топлива, и может найти применение в двухконтурных газотурбинных двигателях с форсажными камерами, в машиностроении и других областях техники, где используются тепловые агрегаты с камерой сгорания для углеводородного топлива.The invention relates to the aviation industry, in particular to methods for increasing the completeness of combustion of hydrocarbon fuel, and can find application in double-circuit gas turbine engines with afterburner chambers, in mechanical engineering and other fields of technology where thermal units with a combustion chamber for hydrocarbon fuel are used.
Известен способ контроля (повышения полноты сгорания) горения на основании спектрального анализа, включающий выбор заданного диапазона длин волн, выбор анализируемого продукта горения и определение концентрации выбранного продукта по амплитуде измеренного спектрального сигнала излучения от выбранного продукта, при этом диапазон длин волн выбирают от 0,4 до 1,2 мкм, а в качестве анализируемого продукта горения выбирают сажу (см. патент RU №2152564, кл. F 23 N 5/00, опубл. 10.07.2000).A known method of monitoring (increasing the completeness of combustion) of combustion based on spectral analysis, including selecting a given range of wavelengths, selecting an analyzed combustion product and determining the concentration of a selected product from the amplitude of the measured spectral radiation signal from the selected product, the wavelength range of 0.4 up to 1.2 microns, and soot is selected as the analyzed combustion product (see patent RU No. 2152564, class F 23
Недостатки известного способа заключаются в низкой достоверности получаемых данных, поскольку в качестве анализируемого продукта выбирают сажу, по излучению которой из-за непрозрачности струи продуктов сгорания невозможно определить полноту сгорания топлива в середине указанной струи, в невозможности осуществления регулирования процесса горения и, как следствие, в низкой экономичности тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе.The disadvantages of this method are the low reliability of the data obtained, because soot is selected as the analyzed product, according to which, due to the opacity of the stream of combustion products, it is impossible to determine the completeness of fuel combustion in the middle of the specified stream, the impossibility of regulating the combustion process and, as a result, low efficiency of thermal units operating on hydrocarbon fuel.
Технический результат изобретения - повышение достоверности получаемых результатов и повышение экономичности тепловых агрегатов, работающих на углеводородном топливе.The technical result of the invention is to increase the reliability of the results and increase the efficiency of thermal units operating on hydrocarbon fuel.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе повышения полноты сгорания углеводородного топлива в камере сгорания, содержащей форсунки, включающем измерение интенсивности излучения в струе продуктов сгорания неконтактным методом, согласно изобретению интенсивность излучения продуктов сгорания измеряют в спектрах моноокиси и двуокиси углерода, по результатам измерения при помощи метода инфракрасной томографии рассчитывают локальные коэффициенты поглощения в спектрах указанных газов, по результатам расчета локальных коэффициентов поглощения рассчитывают соотношение концентраций моноокиси и двуокиси углерода, затем определяют локальные коэффициенты полноты сгорания и по полученным данным проводят коррекцию координат расположения форсунок в камере сгорания.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of increasing the completeness of combustion of hydrocarbon fuel in the combustion chamber containing nozzles, comprising measuring the radiation intensity in the stream of combustion products by the non-contact method, according to the invention, the radiation intensity of the combustion products is measured in the spectra of carbon monoxide and carbon dioxide, according to the measurement results at using the infrared tomography method, local absorption coefficients in the spectra of the indicated gases are calculated, according to the results of the calculation of the locales In order to obtain the absorption coefficients, the ratio of the concentration of carbon monoxide and carbon dioxide is calculated, then the local combustion completeness coefficients are determined and, based on the data obtained, the coordinates of the location of the nozzles in the combustion chamber are corrected.
Спектры излучения моноокиси углерода (СО) и двуокиси углерода (CO2) выбраны исходя из следующих условий:The emission spectra of carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) are selected based on the following conditions:
- моноокись и двуокись углерода являются газами, характеризующими качество сгорания углеводородного топлива, а именно полное отсутствие моноокиси углерода в продуктах сгорания свидетельствует о полном сгорании топлива углерода и, наоборот, присутствие указанного газа свидетельствует о недостаточном наличии кислорода в зоне горения или, соответственно, об избытке топлива;- carbon monoxide and carbon dioxide are gases characterizing the quality of combustion of hydrocarbon fuels, namely, the complete absence of carbon monoxide in the combustion products indicates complete combustion of carbon fuel and, conversely, the presence of this gas indicates an insufficient oxygen in the combustion zone or, accordingly, an excess fuel;
- моноокись и двуокись углерода являются прозрачными газами и позволяют выполнить решение обратной задачи, то есть по данным измерения интенсивности излучения рассчитать распределение локальных коэффициентов поглощения в спектре данного газа, являющихся функцией локальной концентрации газа. Указанная задача решается с применением томографии по методу Радона. При этом наиболее точное решение задачи повышения полноты сгорания получается в случае решения систем уравнений для излучения моноокиси и двуокиси углерода.- carbon monoxide and carbon dioxide are transparent gases and allow solving the inverse problem, that is, using the radiation intensity measurement data, calculate the distribution of local absorption coefficients in the spectrum of this gas, which are a function of the local gas concentration. This problem is solved using tomography according to the Radon method. Moreover, the most accurate solution to the problem of increasing the completeness of combustion is obtained in the case of solving systems of equations for the emission of carbon monoxide and carbon dioxide.
На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ;Figure 1 shows a device that implements the method;
на фиг.2 - график зависимости коэффициента полноты сгорания, температуры торможения и коэффициента избытка воздуха по относительному радиусу струи до проведения коррекции расположения форсунок;figure 2 is a graph of the dependence of the coefficient of completeness of combustion, braking temperature and the coefficient of excess air in the relative radius of the jet before correcting the location of the nozzles;
на фиг.3 - график зависимости коэффициента полноты сгорания, температуры торможения и коэффициента избытка воздуха по относительному радиусу струи после проведения коррекции расположения форсунок.figure 3 is a graph of the dependence of the coefficient of completeness of combustion, braking temperature and the coefficient of excess air in the relative radius of the stream after the correction of the location of the nozzles.
Конкретная реализации способа рассмотрена на примере авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой.A specific implementation of the method is considered on the example of an aircraft dual-circuit turbojet engine with afterburner.
Двигатель содержит форсажную камеру 1 и сопло 2. В форсажной камере 1 расположены трубчатые распылители 3 со струйными форсунками 4 (в данном случае отверстиями, выполненными в стенке трубчатого распылителя). За выходным сечением сопла 2, по разные его стороны, расположены оптически связанные между собой двухспектральный тепловизор 5 и металлическое зеркало 6, установленное с возможностью поворота (перемещения) вокруг его вертикальной оси. Компьютер 7 для управления процессом съемки и поворота (перемещения) зеркала 6; на компьютере 7 проводится расчет необходимых параметров. Тепловизор 5 установлен от сопла 2 на расстоянии, обеспечивающим безопасность тепловизора 5 при работе, причем оптимальное расположение тепловизора 5, когда оптическая ось тепловизора 4 перпендикулярна оси струи. Координаты расположения форсунок 4 по длине распылителей 3 и их расходные характеристики определяют характеристики распределения топлива в форсажной камере (по пространству форсажной камеры).The engine contains an afterburner 1 and a nozzle 2. In the afterburner 1 there are tubular atomizers 3 with jet nozzles 4 (in this case, holes made in the wall of the tubular atomizer). Behind the exit section of the nozzle 2, on its opposite sides, there are optically coupled two-spectral
При проведении экспериментальных исследований при работающем двигателе, продукты сгорания из форсажной камеры поступают в сопло 2, где поток указанных продуктов сгорания формируется в струю газов, создающую тягу.When conducting experimental studies with the engine running, the combustion products from the afterburner enter nozzle 2, where a stream of these combustion products is formed into a stream of gases that creates thrust.
Интенсивность излучения струи продуктов сгорания регистрируют (снимают) двухспектральным тепловизором 5 в спектрах излучения моноокиси и двуокиси углерода, соответственно, в полосе их излучения с центрами, например, 4,7 и 2,7 микрона. В полосе излучения с центрами 4,7 и 2,7 микрона наблюдаются наиболее сильные полосы излучения указанных газов, что позволяет получить более точные результаты расчетов.The radiation intensity of the jet of combustion products is recorded (taken) by a two-spectral
Процесс регистрации (съемки) делится на два сеанса - первый сеанс с зеркалом 6, установленным таким образом, чтобы отражение излучения от зеркала 6 попадало в зону съемки тепловизора 5, и второй сеанс с зеркалом, установленным таким образом, чтобы отражение излучения от зеркала 6 не попадало в зону съемки тепловизора 5. Во время первого сеанса (зеркало установлено вертикально) тепловизор 5 регистрирует суммарное излучение от струи и излучение, отразившееся от зеркала, и прошедшее струю повторно. Во время второго сеанса тепловизор 5 регистрирует только излучение от струи, так как отражение излучения от зеркала 6 не попадает в зону съемки тепловизора 5. Время сеанса определяется скоростью съемки тепловизора: время каждого сеанса составляет 5-6 секунд при скорости съемки 1 кадр в секунду. Регистрация (съемка) необходима для формирования системы уравнений, позволяющих выполнить решение обратной задачи, т.е. по измеренным данным интенсивности излучения определить температуру газа и коэффициент поглощения в полосе излучения с центрами 4,7 и 2,7 микрона.The registration (shooting) process is divided into two sessions - the first session with the mirror 6 installed so that the reflection of radiation from the mirror 6 falls into the shooting area of the
По данным, полученным при съемках струи продуктов сгорания для двух вариантов расположения зеркала, рассчитывают при помощи метода инфракрасной томографии локальные коэффициенты поглощения в спектре моноокиси углерода и в спектре двуокиси углерода, а также их соотношение:According to the data obtained when shooting a jet of combustion products for two options for the location of the mirror, local absorption coefficients in the spectrum of carbon monoxide and in the spectrum of carbon dioxide are calculated using the infrared tomography method, as well as their ratio:
E(i,j)=E(i,j)co/E(i,j)co2,E (i, j) = E (i, j) co / E (i, j) co 2 ,
где: E(i,j)co - локальный коэффициент поглощения в спектре моноокиси углерода,where: E (i, j) co is the local absorption coefficient in the spectrum of carbon monoxide,
E(i,j)co2 - локальный коэффициент поглощения в спектре двуокиси углерода.E (i, j) co 2 is the local absorption coefficient in the spectrum of carbon dioxide.
На основании полученных результатов рассчитывают локальное соотношение концентраций моноокиси и двуокоси углерода, являющееся функцией локального отношения коэффициентов поглощения в спектрах моноокиси углерода и двуокиси углерода, то есть:Based on the results obtained, the local concentration ratio of carbon monoxide and carbon dioxide is calculated, which is a function of the local ratio of absorption coefficients in the spectra of carbon monoxide and carbon dioxide, that is:
K(i,j)-f1(E(i,j)).K (i, j) -f1 (E (i, j)).
По полученным данным рассчитывают распределение локальных коэффициентов полноты сгорания, являющихся в свою очередь функцией распределения локальных отношений концентраций моноокиси и двуокиси углерода, то есть:Based on the data obtained, the distribution of local combustion factors is calculated, which in turn is a function of the distribution of local ratios of concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide, that is:
f(i,j)=f2 K(i,j).f (i, j) = f2 K (i, j).
После этого проводят коррекцию координат расположения форсунок 4 в камере сгорания (по пространству камеры сгорания).After that, the coordinates of the location of the nozzles 4 in the combustion chamber (over the space of the combustion chamber) are corrected.
Пример. На двухконтурном газотурбинном двигателе с форсажной камерой струйные форсунки 4 в количестве пяти распределены по длине пальцевого распылителя 3 равномерно, то есть с расстоянием между осями форсунок 4, равным 90 мм. Результат испытаний показал, что распределение локальных коэффициентов полноты сгорания неравномерно - см. фиг.2, то есть сгорание топлива в середине струи неполное.Example. On a double-circuit gas turbine engine with an afterburner, five jet nozzles 4 are evenly distributed along the length of the finger atomizer 3, that is, with a distance between the axes of the nozzles 4 equal to 90 mm. The test result showed that the distribution of local coefficients of completeness of combustion is uneven - see figure 2, that is, the combustion of fuel in the middle of the jet is incomplete.
При повторном испытании расстояние между такими же пятью форсунками 4 по длине пальцевого распылителя 3 изменено и получено более равномерное распределение локальных коэффициентов полноты сгорания - см. фиг.3.During the second test, the distance between the same five nozzles 4 along the length of the finger spray 3 is changed and a more uniform distribution of the local combustion complete coefficients is obtained - see Fig. 3.
Для испытаний возможно применение комплектов пальцевых распылителей 3 с различными координатами струйных форсунок по длине пальцевого распылителя. В этом случае необходимо заменить пальцевые распылители на другие, имеющие такое количество струйных форсунок 4.For testing, it is possible to use sets of finger sprayers 3 with different coordinates of the spray nozzles along the length of the finger spray. In this case, it is necessary to replace the finger sprayers with others having such a number of jet nozzles 4.
Обозначения на графиках: fi - коэффициент полноты сгорания; ТО - температура торможения; alf - коэффициент избытка воздуха; Rst - относительный радиус струи.Designations on the graphs: fi - coefficient of completeness of combustion; TO - braking temperature; alf is the coefficient of excess air; Rst is the relative radius of the jet.
Координаты расположения осей струйных форсунок по длине пальцевого распылителя в первом и втором эксперименте приведены в таблице 1.The coordinates of the location of the axes of the jet nozzles along the length of the finger atomizer in the first and second experiment are shown in table 1.
Реализация способа рассмотрена на примере авиационного газотурбинного двигателя с форсажной камерой.The implementation of the method is considered on the example of an aircraft gas turbine engine with afterburner.
Данный способ может быть применен и в других областях техники, в которых используются тепловые агрегаты с камерой сгорания, работающие на углеводородном топливе.This method can be applied in other areas of technology in which thermal units with a combustion chamber operating on hydrocarbon fuel are used.
Используемые терминыTerms Used
Камера сгорания - замкнутое пространство для сжигания топлива (закрытое пространство внутри какого-либо устройства).The combustion chamber is an enclosed space for burning fuel (an enclosed space inside a device).
Форсунка - устройство для распыления жидкого топлива под давлением с одним или несколькими отверстиями для распыления топлива.Nozzle - a device for spraying liquid fuel under pressure with one or more holes for spraying fuel.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005101361/06A RU2278330C1 (en) | 2005-01-21 | 2005-01-21 | Method of enhancing completeness of combustion of hydrocarbon fuel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005101361/06A RU2278330C1 (en) | 2005-01-21 | 2005-01-21 | Method of enhancing completeness of combustion of hydrocarbon fuel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2278330C1 true RU2278330C1 (en) | 2006-06-20 |
Family
ID=36714211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005101361/06A RU2278330C1 (en) | 2005-01-21 | 2005-01-21 | Method of enhancing completeness of combustion of hydrocarbon fuel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2278330C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2495270C1 (en) * | 2012-05-23 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method of definition of supersonic ramjet fuel mix combustion efficiency |
| RU2805103C1 (en) * | 2022-12-15 | 2023-10-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Полимет Трейдинг" | Gas release and afterburning unit |
-
2005
- 2005-01-21 RU RU2005101361/06A patent/RU2278330C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2495270C1 (en) * | 2012-05-23 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method of definition of supersonic ramjet fuel mix combustion efficiency |
| RU2805103C1 (en) * | 2022-12-15 | 2023-10-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Полимет Трейдинг" | Gas release and afterburning unit |
| RU2805103C9 (en) * | 2022-12-15 | 2024-02-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Полимет Трейдинг" | Gas release and afterburning unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107576505B (en) | Mid-infrared laser measuring system and method for engine combustion process monitoring | |
| Bolshov et al. | Tunable diode laser spectroscopy as a technique for combustion diagnostics | |
| Thoma et al. | Open-path tunable diode laser absorption spectroscopy for acquisition of fugitive emission flux data | |
| JP2000074830A (en) | High-speed measuring method and measuring system for temperature, concentration and chemical species by use of semiconductor laser spectroscopy | |
| CN107144503A (en) | Liquid fuel spray burning drop and flame synchronous measuring apparatus and method | |
| KR102164999B1 (en) | 2D Measurement of Concentration and Temperature of Fine Particle Precursor and Active Control Thereof | |
| Hanson et al. | Diode laser sensors for ground testing | |
| US6734965B2 (en) | Optical patternation method | |
| US20130195245A1 (en) | Method for characterizing flame and spray structures in windowless chambers | |
| US20100172471A1 (en) | Method and apparatus for characterizing flame and spray structure in windowless chambers | |
| RU2278330C1 (en) | Method of enhancing completeness of combustion of hydrocarbon fuel | |
| Chterev et al. | Simultaneous high speed (5 kHz) fuel-PLIE, OH-PLIF and stereo PIV imaging of pressurized swirl-stabilized flames using liquid fuels | |
| JP2006153815A (en) | Gaseous component/concentration measuring method and device thereof | |
| KR102130341B1 (en) | 2D Measurement of Concentration and Temperature of Fine Particle Precursor and Active Control Thereof | |
| Payri et al. | Measurement of soot concentration in a prototype multi-hole diesel injector by high-speed color diffused back illumination technique | |
| Arnold et al. | Fuel-oil concentration in a gas turbine burner measured with laser-induced fluorescence | |
| Brundish et al. | Evolution of carbonaceous aerosol and aerosol precursor emissions through a jet engine | |
| Jenkins et al. | A Rugged Low Cost Diode Laser Sensor for H2O and Temperature Applied to a Spray Flame | |
| Rein et al. | 100 kHz Mid-IR TDLAS of Detonation Events with Fiber-Coupled Time-Division-Multiplexed Quantum Cascade Lasers | |
| Ray et al. | Development of High-Speed Laser Absorption Scattering (HS-LAS) System for Measuring Vapor and Liquid Phase Concentration Distributions in Evaporating Diesel Spray | |
| Londrico et al. | A Mid-Infrared Laser Absorption Spectroscopy Diagnostic for Measuring Air Temperature, Pressure, and Mass Flux at 500 kHz via Ambient CO2 | |
| Londrico et al. | Two-Color Mid-Infrared Laser Absorption Spectroscopy Measurements of Air Temperature, Pressure, and Mass Flux Behind Shock Waves via Ambient CO2 | |
| Chelebyan et al. | Researches of two-phase stream by methods of registration of fluorescence of drops of liquid and Shadowgraph | |
| Gu et al. | One-dimensional UV-Raman imaging of a jet-a-fueled aircraft combustor in a high temperature and pressure test cell: a feasibility study | |
| Fink et al. | Non-intrusive measurements of a LPP combustor under elevated pressure conditions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20151012 |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20190801 |