Вібраційне горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного

УДК 629.735.03: 621.43.056

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вібраційне горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок

Спеціальність 05.05.16 - турбомашини та турбоустановки

Налісний Микола Борисович

Харків 2007

Загальна характеристика роботи

вібраційне горіння газотурбінна установка

Вступ. Внаслідок посилення вимог щодо екологічних і економічних показників, нові газоперекачувальні агрегати (ГПА), які встановлюються замість тих, що відпрацювали ресурс у газотранспортній галузі, повинні мати істотно вищу економічність при нижчих питомих викидах шкідливих речовин у відпрацьованих газах газотурбінних приводів. Однак тенденції у розвитку таких приводів супроводжуються значним зростанням теплових і динамічних навантажень на елементи їх конструкцій, виникненням нових проблем при їх експлуатації. Однією з таких проблем є виникнення режимів вібраційного горіння.

Проблема боротьби з вібраційним горінням загострилась у зв'язку зі створенням низькоемісійних камер згоряння (КЗ) для газотурбінних установок (ГТУ). Обмеження температури у зоні горіння для зниження оксидів азоту потребує спеціальної організації процесу горіння збідненої паливно-повітряної суміші шляхом регулювання її складу залежно від режимів і умов роботи ГПА. Незважаючи на те, що нестійкому процесу вібраційного горіння присвячені достатньо глибокі фундаментальні дослідження, ця проблема далека від її повного розв'язання через багатовекторність завдань. Причому, складність її визначається не тільки різноманітністю процесів, що відбуваються одночасно під час горіння: фізико-хімічних перетворень, гідродинамічних нестаціонарних вихрових течій, акустичних хвилевих явищ, тощо, а й різними механізмами виникнення автоколивань тиску в камері згоряння ГТУ.

Актуальність теми. Нині дедалі більшу увагу приділяють стану і захисту навколишнього середовища, що потребує виконання нових вимог до двигунів, побудованих за принципом спалювання органічного палива, зокрема, до газотурбінних установок як авіаційних, так і наземного типу. Рівень викидів шкідливих речовин в атмосферу є одним з найважливіших показників досконалості сучасних ГТУ. До основних забруднюючих речовин у продуктах згоряння належать оксиди азоту (NO_x), що дають найбільший коефіцієнт небезпеки, та оксид вуглецю (CO).

Забезпечення жорстких нормативів щодо викидів NO_x і CO досягається тільки за умов використання новітніх технологій організації робочого процесу в камерах згоряння ГТУ. Загалом у камерах згоряння реалізується технологія горіння збідненої гомогенної суміші з підтриманням у зоні горіння температури полум'я на рівні 1700...1800 К - так званий “сухий” метод одержання низької емісії NO_x і CO.

Спалювання попередньо перемішаної суміші паливного газу і повітря створює, у свою чергу, проблеми нестабільності процесу горіння - вібраційне горіння, “проскакування” і зриви (погасання) полум'я. Вібраційне горіння є недопустимим, оскільки призводить до швидкого руйнування елементів камери згоряння та прогарів ГТД. Горіння збіднених сумішей відбувається поблизу межі збідненого зриву, тому збільшується ймовірність погасання полум'я за різких змін навантажень. Окрім того, під час спалювання таких сумішей збільшується ймовірність переходу процесу горіння в стан стійких акустичних коливань - вібраційного горіння. При вібраційному горінні амплітуди коливань тиску у камері згоряння можуть досягати великих значень і викликати повні або часткові руйнування елементів конструкцій - передусім деталей, у яких частота власних коливань близька до частоти пульсацій робочого тіла, що в подальшому спричиняє аварійні зупинки ГПА. Тому забезпечення стійкого процесу горіння становить серйозну і актуальну наукову задачу, вирішення якої потребує великих матеріальних затрат, і займає значну частину часу в загальному доведенні двигунів, розробці систем подавлення вібраційного горіння.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана у рамках державних програм НАК “Нафтогаз України”: “Національна програма “Нафта і газ України до 2010 р.”; “Програма науково-технічного розвитку Дочірньої Компанії “Укртрансгаз” до 2030 р.”; тематичних планів науково-дослідних та експериментально-конструкторських робіт Дочірньої Компанії “Укртрансгаз”; відповідно до науково-дослідних робіт Національного авіаційного університету “Розробка технології продовження ресурсних показників авіаційних двигунів з використанням автоматизованих систем супроводження їх експлуатації” (тема 151-ДБО47, шифр “ГР.104І003748”, 2006 р.); “Розробка програми продовження міжремонтних і призначених ресурсів ГТД у циклах” (остаточний); госпдоговірна тема (договір № 849-Х06 на створення науково-технічної продукції, 2006 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка і вдосконалення методики визначення автоколивань тиску в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ для попередження виходу КЗ на режими вібраційного горіння.

Поставлена мета досягається розв'язанням таких основних завдань дослідження:

1. Кількісна оцінка взаємозв'язку між сигналами пульсацій тиску в камері згоряння та вібрацією корпусу камери згоряння ГТУ. Формалізація механізму автоколивань параметрів при вібраційному горінні в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ.

2. Розробка динамічної моделі камери згоряння ГТУ з урахуванням динамічного запізнення заповнення камери згоряння, інерційності руху продуктів горіння у жарових трубах, динаміки трубопроводу паливного газу. Проведення розрахункових досліджень з використанням побудованої динамічної моделі КЗ ГТУ, визначення амплітуд і діапазонів частот проявлення вібраційного горіння.

3. Проведення натурного експерименту на ГТУ з низькоемісійною КЗ для оцінки достовірності розробленої динамічної моделі з визначення діапазонів частот проявлення вібраційного горіння.

4. Розробка методики виявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ з використанням методів вузькосмужної спектральної обробки.

5. Апаратурна реалізація розробленої методики у вигляді сигналізатора вібраційного горіння. Проведення стендових та заводських експериментальних досліджень створеного сигналізатора.

Об'єкт дослідження - камера згоряння газотурбінної установки.

Предмет дослідження - процес вібраційного горіння в камері згоряння газотурбінної установки.

Методи дослідження - методи системного аналізу, математичного моделювання, числового розв'язання диференціальних рівнянь, вузькосмужної спектральної обробки, кореляційного аналізу, булевої алгебри, теорії цифрових автоматів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розроблена методика виявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок, яка, на відміну від відомих рішень, базується на реєстрації вібраційних сигналів з подальшою їх обробкою методами вузькосмужного спектрального аналізу.

2. Подальшого розвитку отримала динамічна модель нестаціонарного підводу тепла в КЗ ГТУ шляхом урахування динаміки заповнення “холодної” і “гарячої” частин камери згоряння, інерційності руху продуктів згоряння, динамічних властивостей системи підводу палива.

3. Удосконалено підхід до формалізованого опису механізмів появи та встановлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ.

Практичне значення одержаних результатів дослідження:

1. Автоматизовано процес проведення розрахунків з виявлення частотних діапазонів прояву вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ за рахунок доповнення математичної моделі ГТУ модулями моделювання коливальних процесів, що відбуваються в камері згоряння, і реалізації моделі у вигляді програмного комплексу на ПЕОМ.

2. Розроблена методика виявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння та її апаратурна реалізація у вигляді пристрою - “Сигналізатор вібраційного горіння”, який базується на використанні сигналів штатного датчика вібрації, що встановлюється на корпусі КЗ ГТУ, впроваджено у виробництво ДП НВКГ “Зоря - Машпроект”, м. Миколаїв (акт впровадження результатів наукових досліджень дисертаційної роботи Налісного М.Б. від 27.11.2006 р.).

3. Розроблено комплекс стендового обладнання і програмного забезпечення для проведення настроювання, калібрування та випробувань апаратури з виявлення нестійкого горіння КЗ ГТУ, яка базується на вібраційних сигналах.

4. За результатами математичного моделювання і експериментальних досліджень динамічних характеристик ГТУ типу ДН-80 з екологічною протиточною камерою згоряння визначені частотні діапазони прояву вібраційного горіння, співвідношення значень амплітуд пульсацій тиску і віброшвидкості, отримана амплітудно-частотна характеристика КЗ.

5. Матеріали дисертаційної роботи використані при розробці галузевої методики Дочірньої компанії (ДК) “Укртрансгаз” НАК “Нафтогаз України” - “Методика моніторингу вібраційного стану ГПА типу ГТН-25С”, яка затверджена і введена в дію наказом ДК “Укртрансгаз” №479 від 29.12.2006 р.

Особистий внесок здобувача

Дисертація відображає результати досліджень, здійснених автором у Національному авіаційному університеті. Основні результати одержані здобувачем самостійно. Автору особисто належать ідеї та розробки, пов'язані зі створенням методів побудови та практичної реалізації концепції виявлення та подавлення процесів вібраційного горіння.

У надрукованих статтях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать наступні особисті наукові внески: теоретичне обґрунтування використання методів скалярного, спектрального та вейвлет-аналізу для обробки віброакустичної інформації [1,15], систематизація обліку змін експлуатаційних характеристик та розробка алгоритму автоматичного контролю параметрів ГТУ [2,3], аналіз форм та обґрунтування причин виникнення нестійких режимів роботи камер згоряння ГТУ, постановка проблеми різноманітності форм нестійких режимів роботи ГТУ, дослідження проблеми інтелектуального керування складними системами в умовах впливу дестабілізуючих факторів [4,5,6,10], формалізація механізму автоколивань при вібраційному горінні, дослідження газодинамічної і гідродинамічної стійкості ГТУ, залежності частотного діапазону автоколивань від первопричин віброгоріння [7-9], вирішення задачі регулювання подачі палива в камеру згоряння, натурні випробування і теоретичні дослідження характеристик відцентрових нагнітачів ГТУ, вдосконалення способу визначення витрат газоподібних і рідких середовищ [11-14].

Апробація результатів дисертації

Основні результати дисертаційної роботи, що пропонується до захисту, пройшли апробацію на:

- VІІІ міжнародній науково-практичній конференції “Нафта і газ України-2004”, м. Судак, 2004 р.;

- III міжнародній науково-технічній конференції “Математичне і програмне забезпечення інтелектуальних систем”, м. Дніпропетровськ, 2005 р.;

- ХV міжнародній діловій зустрічі “Діагностика 2005”, м. Сочі, 2005 р.;

- 2-му міжнародному конгресі “Авіація в ХХI столітті”, м. Київ, 2005 р.;

- VІІ міжнародній науково-технічній конференції “АВІА-2006”, м. Київ, 2006 р.;

- XI міжнародному конгресі двигунобудівників, с. Рибаче, 2006 р.;

- міжнародній науково-практичній конференції “Удосконалення турбо-установок методами математичного і фізичного моделювання”, м. Харків, 2006 р.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 15 публікаціях, з яких 9 статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 4 тез доповідей, 2 патенти України на винаходи та корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, який включає 119 найменувань, 5 додатків. Повний обсяг роботи становить 197 сторінок, з них 153 сторінки друкованого тексту, 56 рисунків, 3 таблиці та додатки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та перспективність теми дисертаційної роботи, наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі, який має оглядовий і постановочний характер, виконано аналітичний огляд літератури з проблеми вібраційного горіння, який показав, що проблема вібраційного горіння відома вже півстоліття і питанню дослідження цього явища присвячена достатня кількість наукових робіт і публікацій. Проте в останні роки у зв'язку з підвищенням екологічних вимог до нових та функціонуючих ГТУ, створенням низькоемісійних камер згоряння значно виросла зацікавленість дослідників до вирішення проблеми забезпечення стійкості горіння.

На прикладі ГТУ з низькоемісійними камерами згоряння, які перебувають в експлуатації на компресорних станціях газотранспортної системи України, розглянуто особливості організації ”збідненої” (дифузійної) і “збагачено-збідненої” схем організації процесу горіння. Показано, що низькоемісійні камери згоряння найбільш наражені на небезпеку виникнення і розвитку автоколивань, які призводять до вібраційного горіння. При цьому амплітуди коливань робочого тіла в камері згоряння можуть досягати великих значень і викликати часткові або повні руйнування елементів конструкцій - насамперед деталей, у яких частота власних коливань близька до частоти пульсацій робочого тіла.

Виконано порівняльний аналіз вітчизняного і зарубіжного досвіду боротьби з явищем вібраційного горіння, який дав змогу умовно виділити дві основні групи: пасивні й активні методи боротьби. Показано основні переваги і недоліки кожної з виділених груп методів, перспективність та високу ефективність активних систем подавлення вібраційного горіння. Зроблено висновок про те, що однією з проблем на шляху впровадження активних систем подавлення вібраційного горіння є застосування низьконадійних та малоресурсних датчиків пульсацій тиску в КЗ, якими серійні ГТУ не оснащуються. Таким чином, у процесі реальної експлуатації ГТУ на сьогодні відсутні засоби виявлення режимів нестійкого горіння в низькоемісійних КЗ. Проте всі сучасні ГТУ оснащені системами, що забезпечують контроль рівня корпусної вібрації, яка непрямо характеризує пульсації тиску в камері згоряння. Це створює передумови для використання штатних датчиків вібрації для побудови пристрою виявлення вібраційного горіння в КЗ ГТУ на основі обробки вібраційних сигналів.

На підставі проведеного аналітичного огляду сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі розглянута схема виникнення вібраційного горіння, яка представлена типовою автоколивальною системою, що складається з джерела енергії (теплопідводу та кінетичної енергії потоку), власне коливальної системи (камери згоряння), каналів прямого і зворотного зв'язків. Наведено теоретичний аналіз причин і умов виникнення вібраційного горіння в камерах згоряння ГТУ. Показано, що основною причиною виникнення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згорання ГТУ є істотне збільшення часу протікання реакції горіння при збідненні паливно-повітряної суміші.

Виділені різні частотні діапазони проявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ, виконано аналіз механізмів встановлення автоколивань параметрів для кожного з виділених частотних діапазонів. Показано, що при низькочастотному вібраційному горінні відбувається запізнення процесу горіння відносно вприску палива форсункою, в результаті чого виникають коливання витрати палива в залежності від ємності камери згоряння. Тоді як при високочастотному вібраційному горінні, частота коливань співпадає з однією з власних частот камери згоряння, як акустичного резонатора, і причиною запізнення є збудження звукових хвиль стінками КЗ, коли час зміни тиску в КЗ при зміні витрати палива близький до половини періоду резонансних коливань.

Виконано теоретичний аналіз хвильових процесів в камері згоряння ГТУ за допомогою неоднорідного акустичного хвильового рівняння для звукового тиску (1). Виявлено акустичні джерела збурень і механізми розвитку коливальних процесів при вібраційному горінні в різних частотних діапазонах. Обґрунтовано термічне збудження звукових хвиль в результаті змін швидкості тепловиділення, що характеризується пульсаційним параметром у вигляді відношення коефіцієнта повноти згоряння до коефіцієнта надлишку повітря. Зроблено висновок про більшу схильність до виникнення вібраційного горіння низькоемісійних камер згоряння з “бідною” паливно-повітряною суміщу, в яких можуть досягатися межі концентраційних границь горіння, а також порушуватись стійкість горіння внаслідок нестачі підводу тепла для запалювання свіжих сумішей.

-Ў, (1)

де Ў - оператор Даламбера; - оператор Лапласа; - швидкість звуку; p - тиск в КЗ; - густина середовища в КЗ; С - вектор швидкості; t - час; штрих позначає пульсаційні складові відповідних параметрів.

На підставі теоретичного аналізу коливань під час горіння газоподібного палива за допомогою неоднорідного хвильового рівняння для звукового тиску висунуто вимоги про необхідність урахування в математичній моделі інерційних властивостей системи подачі палива, акустичних властивостей та динаміки камери згоряння, залежності швидкості звуку від температури в КЗ.

Представлено результати виконаного дослідження взаємозв'язку між пульсаціями тиску в камері згоряння та вібрацією корпуса камери згоряння ГТУ. Наведено результати спектрального аналізу сигналів датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених у районі КЗ ГТУ типу ДН-80. Показано, що залежність між амплітудами пульсацій тиску і віброприскорення при різних частотах коливань в КЗ ГТУ є лінійною. Це створило передумови для розробки методики виявлення вібраційного горіння в КЗ за допомогою штатної системи контролю рівня вібрації ГТУ.

У третьому розділі на підставі представлення збурення параметрів при сталих автоколиваннях у камері згоряння ГТУ у вигляді часової діаграми, одержано формалізований опис досліджуваного процесу. Це дозволило висунути вимоги до структури та потрібних властивостей математичної моделі для опису встановлення автоколивань параметрів при вібраційному горінні в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ. На основі формалізованого опису досліджуваного процесу розроблені динамічні моделі камери згоряння ГТУ та тракту подачі паливного газу.

Динамічна модель камери згоряння ГТУ побудована з урахуванням наступних динамічних факторів:

- динамічного запізнення заповнення “холодної” частини камери згоряння, що визначає темп змін тиску за компресором залежно від різниці витрат повітря у зоні горіння і за компресором;

- динамічного запізнення заповнення “гарячої” частини камери згоряння, що визначає темп змін температури і тиску на виході КЗ залежно від різниці витрат повітря у зоні горіння і в турбіні компресора;

- інерційності руху продуктів згоряння у жаровій трубі, який визначає темп змін витрат повітря у зоні горіння залежно від різниці тиску повітря в районі форсунок на вході у зону горіння і на виході КЗ.

З цією метою газовий тракт ГТУ представлено як сукупність елементів із зосередженими параметрами, виділеними як ідеалізовані пристрої, що мають такі властивості - гідродинамічний опір, ємність, інерційність, тощо. В цьому випадку опис динаміки потоку одержано у вигляді еквівалентного ланцюга із ряду таких самих елементів.

Динамічна модель камери згоряння побудована з урахуванням коефіцієнта відновлення повного тиску, балансів витрат на вході в камеру згоряння і на вході в робоче колесо турбіни компресора з урахуванням відборів і підводів охолоджуючого повітря (2), а також теплового балансу в КЗ (3):

, (2)

, (3)

де - витрата повітря на вході компресора; - витрата паливного газу камери згоряння; - відносний відбір повітря в компресорі; - відносне підведення охолоджувального повітря у сопловому апараті турбіни; - витрата газу на вході в робоче колесо турбіни; - ентальпія повітря за компресором і продуктів згоряння відповідно; - повна температура продуктів згоряння; - нижча теплота згоряння паливного газу; - коефіцієнт повноти згоряння.

Для забезпечення потрібної якості моделювання динаміки камери згоряння у діапазонах частот, що охоплюють процеси заповнення ємності камери згоряння, у розрахункову схему включені дві ідеалізовані моделі динаміки неізотермічної течії газоповітряної суміші у камері згоряння, які включають:

1. Модель адіабатичної течії, яка передбачає повну відсутність перемішування (обмін енергією) порцій робочого тіла, що тільки надійшли у тракт, з тими, що вже там є, і застосовувану для опису динаміки параметрів повітря у “холодній” частині камери згоряння (рівняння 4, 5). За цією моделлю темп зміни температури повітря на виході тракту відповідає поточній різниці між повними температурами повітря на виході і вході тракту, які віднесені до часу проходження тракту порцією повітря. Темп зміни тиску в тракті залежить від поточного небалансу втрат на вході і виході тракту, маси газу в об'ємі тракту та поточної величини повного тиску на вході:

(4)

, (5)

де - поточні масові витрати газу на вході і виході тракту; М- середня маса газу у тракті, яка відповідає встановленій течії газу; - повний тиск на вході та виході тракту відповідно; - приведена щільність газу на виході тракту; - довжина тракту; - площа поперечного перерізу тракту; - показник адіабати.

2. Модель повного миттєвого перемішування робочого тіла у тракті, застосовувана для опису динаміки параметрів продуктів згоряння в ємності жарової труби (рівняння 6-8). Відповідно до цієї моделі, зміна температури газу на вході у сопловий апарат турбіни підпорядкована зміні теплового балансу в камері і зміні балансу витрат, але зі зворотним знаком. Зміна тиску продуктів згоряння визначається тільки умовами теплового балансу в камері згоряння:

, (6)

, (7)

, (8)

де - кількість тепла, яке надходить до КЗ за одиницю часу з повітрям від компресора; - кількість тепла за одиницю часу від згоряння палива; - кількість тепла, що виходить з КЗ; - питома теплоємність продуктів згоряння за постійного об'єму; - середня маса газу в КЗ.

Для забезпечення моделювання динамічних процесів в діапазоні частот акустичних коливань, динамічна модель течії доповнена рівнянням руху, згідно з яким інерційність продуктів згоряння описується моделлю нестисливого нев'язкого середовища. Відповідно до цієї моделі, прискорення порції газу пропорціональне перепаду тиску на ділянці тракту (9-11):

(9)

(10)

, (11)

де - маса газу у об'ємі тракту; - масова витрата газу; - швидкість потоку; - щільність газу; - перепад тиску на ділянці тракту; - відносний перепад тиску і витрати газу у тракті; - відносна зміна витрати газу у тракті; - середній тиск газу у тракті; - середня витрата газу у тракті; - тиск на вході і виході тракту відповідно.

Таким чином, модель динаміки газового тракту побудовано як сукупність наступних елементів із зосередженими параметрами: адіабатичної течії повітря під кожухом КЗ (12), втратами повного тиску у тракті КЗ, рухом продуктів згоряння як нестисливого нев'язкого середовища (13), повним миттєвим перемішуванням продуктів згоряння (14)

, (12)

, (13)

, (14)

де - повний тиск і температура повітря за компресором; - повна температура повітря в районі паливних форсунок на вході у зону горіння; - витрати повітря за компресором і в зоні форсунок; - середня маса повітря під кожухом камери згоряння; - площа прохідного перерізу повітряних каналів у жаровій трубі; - приведена щільність потоку повітря в районі форсунок на вході у зону горіння.

Розроблена математична модель, крім динаміки камери згоряння, враховує такі динамічні властивості, як інерційність обертання роторів, пневматичні ємності трактів компресора і вихідного пристрою. На рис.2.а представлена загальна схема моделі динаміки камери згоряння ГТУ.

Динаміка процесу підводу паливного газу в камеру згоряння описана наступною сукупністю моделей: регульований місцевий опір паливного регулюючого крана (ПРК) і втрати в'язкого тертя на половині довжини тракту у вигляді залежності витрат ПРК від перепаду тиску на ньому з урахуванням розташування ПРК; інерційність двох стовпів нестисливого нев'язкого газу від ПРК до середини труби і від середини до вихідного опору; ємність об'єму тракту, яка описана залежністю швидкості зміни тиску в середині тракту від балансу витрат на вході і виході тракту; місцевий опір на виході трубопроводу з урахуванням гідравлічного опору вихідного отвору (газового жиклера) і втрати тертя на другій половині довжини у вигляді залежності витрат через вихідний отвір (жиклер) від перепаду тиску на ньому.

Таким чином, для опису нестаціонарних процесів підводу паливного газу використані два ємнісних елементи (ємності двох частин трубопроводів підводу газу), один інерційний елемент (стовп нестисливого нев'язкого паливного газу) і два місцевих опори на вході і виході тракту.

На прикладі ГТУ типу ДН-80 виконано математичне моделювання динаміки низькоемісійної КЗ, отримана амплітудно-частотна характеристика коливань тиску в КЗ. Згідно з результатами математичного моделювання, характерними для встановлення автоколивань параметрів в КЗ ГТУ типу ДН-80 є два діапазони частот: 25...50 Гц та 430...525 Гц. Високочастотний діапазон проявлення вібраційного горіння в 3,2 рази ширше, ніж низькочастотний. Максимальна амплітуда низькочастотних коливань в 1,8 рази вище ніж високочастотних.

У четвертому розділі на основі розробленої динамічної математичної моделі КЗ ГТУ і методів вузькосмужної спектральної обробки запропоновано методику виявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок.

Методика передбачає виконання моделювання динаміки камери згоряння ГТУ з метою оцінки смуг низькочастотних Df_нч і високочастотних Df_вч автоколивань тиску в камері згоряння ГТУ, зняття спектральних характеристик сигналів зі штатного датчика вібрації, встановленого на корпусі камери згоряння, з метою визначення рівня середньоквадратичних значень (СКЗ) вібрації у виявлених частотних діапазонах в момент вібраційного горіння СКЗ_ВБГ. Отримані дані використовуються для виявлення режиму вібраційного горіння з застосуванням методів вузькосмужної спектральної обробки сигналів.

У розділі викладено результати проведеного натурного експерименту на ГТУ типу ДН-80 з виявлення домінуючих гармонік коливань при виникненні процесів вібраційного горіння в низькоемісійній камері згоряння. Виявлено, що вібраційне горіння проявляється на частоті 31,7 Гц у низькочастотному діапазоні спектру та 400…500 Гц у високочастотному діапазоні. Амплітуда низькочастотних складових коливань у 1,4 рази перевищує амплітуду високочастотних складових.

Порівняння результатів натурного експерименту з одержаними результатами математичного моделювання дало змогу підтвердити достовірність розробленої математичної моделі динаміки камери згоряння ГТУ та обґрунтувати технічні вимоги для апаратурної реалізації практичної частини розробленої методики.

На основі штатного датчика вібрації, встановленого на корпусі КЗ ГТУ, застосування додаткових формувачів сигналів і цифрового програмованого автомату, розроблено апаратурний “Сигналізатор вібраційного горіння”. У розділі наведено опис конструкції розробленого “Сигналізатора вібраційного горіння”, запропонованого експериментального стенду та програмного забезпечення для проведення настройки, калібрування та випробувань апаратури з виявлення нестійкого горіння в КЗ ГТУ, яка базується на вібраційних сигналах.

В результаті проведення стендових випробувань одержана амплітудно-частотна характеристика фільтрів розробленого “Сигналізатора вібраційного горіння”. Аналіз результатів стендових випробувань дав можливість зробити висновок про забезпечення сигналізатором видачі дискретного та цифрового сигналів за наявності факту вібраційного горіння в камері згоряння ГТУ в штатну систему автоматичного керування ГПА або систему активного подавлення вібраційного горіння.

У розділі наведено результати заводських випробувань розробленої методики та створеного “Сигналізатора вібраційного горіння” на ДП НВКГ “Зоря-Машпроект” м. Миколаїв.

В результаті проведення заводських випробувань показано, що за наявності вібраційного горіння збільшення амплітуди коливань реєструється не лише датчиком пульсацій тиску, але також й датчиком корпусної вібрації. Максимуми обома датчиками було зафіксовано на частоті 31,7 Гц. В цей момент часу також отримано відповідний сигнал з створеного “Сигналізатора вібраційного горіння”.

У додатку А приведений акт впровадження результатів дисертаційної роботи на ДП НВКГ “Зоря-Машпроект” м. Миколаїв.

У додатку Б приведено копію Наказу ДК “Укртрансгаз” про затвердження і введення в дію галузевої “Методики моніторингу вібраційного стану ГПА марки ГТН-25С“ з двигуном типу ДН-80, яка розроблена з використанням матеріалів дисертаційної роботи в частині діагностування вібраційного горіння.

У додатку В наведено приклад протоколу математичного моделювання по розробленій динамічній моделі.

У додатку Г наведені технічні характеристики складових створеного “Сигналізатора вібраційного горіння”.

У додатку Д наведені лістінги розробленого програмного забезпечення для “Сигналізатора вібраційного горіння”.

Висновки

Вирішена наукова задача виявлення режиму вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок на основі застосування методів вузькосмужної обробки вібраційних сигналів КЗ, що дозволило отримати наступні результати.

1. На основі спектрального аналізу сигналів датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених у районі КЗ ГТУ типу ДН-80, виявлено лінійну залежність між амплітудами пульсацій тиску в камері згоряння ГТУ та віброприскоренням корпусу КЗ при різних частотах коливань. Встановлено, що рівень кореляції між складовими спектрів, отриманими з датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених в районі КЗ, становить 0,999, що свідчить про можливість використання сигналу штатного датчика вібрації для виявлення вібраційного горіння в камері згорання ГТУ.

2. На основі аналізу особливостей процесу організації горіння в сучасних низькоемісійних камерах згоряння ГТУ, розроблено формалізований опис механізмів і причин вібраційного горіння, обґрунтовані вимоги до математичної моделі досліджуваного процесу.

3. Розроблено математичну модель камери згоряння ГТУ з урахуванням наступних динамічних факторів:

- динамічного запізнення заповнення “холодної” частини камери згоряння, що визначає темп змін тиску за компресором залежно від різних витрат повітря у зоні горіння і за компресором;

- інертності руху продуктів згоряння в жаровій трубі, що визначає темп змін витрат повітря у зоні горіння залежно від різниці тиску повітря в ділянці форсунок на вході в зону горіння та на виході КЗ;

- динамічного запізнення заповнення “гарячої” частини камери згоряння, яка визначає темп змін температури і тиску на виході КЗ залежно від різних витрат повітря у зоні горіння і в турбіні компресора;

- динамічного запізнення заповнення пневматичної ємності трубопроводу тракту подачі паливного газу, що визначає темп змін тиску в середині трубопроводу залежно від різних витрат паливного газу через ПРК і форсунки паливного газу;

- інерційності руху мас паливного газу в тракті подачі паливного газу, що визначає темп змін витрат паливного газу через ПРК і форсунки.

4. В результаті виконання математичного моделювання динаміки КЗ ГТУ типу ДН-80 одержана амплітудно-частотна характеристика коливань тиску в КЗ. Згідно з результатами математичного моделювання, характерними для встановлення автоколивань в низькоемісійній КЗ є два діапазони частот: f_нч=25...50 Гц та f_вч=430...525 Гц. Високочастотний діапазон f_вч проявлення вібраційного горіння в 3,2 раза ширше, ніж низькочастотний f_нч. Максимальна амплітуда низькочастотних коливань в 1,8 раза вище високочастотних.

5. Вперше розроблена методика виявлення режиму вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ на основі вібраційних сигналів з використанням методів вузькосмужної спектральної обробки. На відміну від існуючих, як вихідне джерело інформації використовується сигнал від датчика вібрації, встановленого на корпусі камери згоряння ГТУ. Методика базується на ідеї виділення зі смуги частот роторних гармонік сигналу, пропорційного СКЗ віброшвидкості, що відповідає гармонікам вібраційного горіння камери згоряння.

6. В результаті проведення натурного експерименту на двигуні типу ДН-80, який є приводом газоперекачувального агрегату ГПА-25С, виявлено домінуючі гармоніки коливань при виникненні процесів вібраційного горіння в його низькоемісійній камері згоряння. Вібраційне горіння виявляється на частоті 31,7 Гц у низькочастотній ділянці спектра і 400…500 Гц у високочастотній ділянці. Амплітуда низькочастотних коливань в 1,4 рази перевищує амплітуду високочастотних складових.

7. Адекватність розробленої математичної моделі динаміки камери згоряння ГТУ підтверджується узгодженням отриманих результатів математичного моделювання з даними натурного експерименту для ГТУ типу ДН-80.

8. На основі штатного датчика вібрації, встановленого на корпусі КЗ ГТУ, застосування додаткових формувачів сигналів і цифрового програмованого автомату, розроблено і створено апаратурний “Сигналізатор вібраційного горіння”, а також експериментальний стенд та програмне забезпечення для проведення настройки, калібрування та випробувань апаратури з виявлення нестійкого горіння в КЗ ГТУ, яка базується на вібраційних сигналах.

9. Отримана в результаті проведення стендових експериментальних досліджень амплітудно-частотна характеристика фільтрів розробленого “Сигналізатора вібраційного горіння”, свідчить про забезпечення видачі відповідних сигналів за наявності факту вібраційного горіння в камері згоряння ГТУ. Створений “Сигналізатор вібраційного горіння” може бути використаний у штатній системі автоматичного керування ГТУ, а також при реалізації систем активного подавлення вібраційного горіння.

10. Достовірність розробленої методики та працездатність створеного “Сигналізатора вібраційного горіння” підтверджено результатами їх заводських випробувань на стенді ГТУ типу ДГ-90 в ДП НВКГ “Зоря-Машпроект”, м. Миколаїв.

Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи можуть бути використані в експериментальних конструкторських бюро, науково-дослідних установах та інститутах, які займаються розробкою та доведенням камер згоряння ГТУ, а також експлуатаційними організаціями для виявлення нестійких режимів роботи ГТУ з низькоемісійними КЗ.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Пустовий С.О., Налісний М.Б. Методика оперативної скалярно-спектральної обробки віброакустичної діагностичної інформації // Труди академії. - К.: Нац. академія оборони України. - 2004. - №54. - С. 200-206.

2. Герасименко В.П., Мандра А.С., Налесный Н.Б., Нурмухаметов Т.М. Адаптивное математическое моделирование газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2005. - Вып. 2/18. - С. 49-53.

3. Квасников В.П., Борковская Л.А., Налесный Н.Б. Алгоритм контроля геометрических параметров деталей газотурбинных двигателей // Вісник Хмельницького нац. ун-ту. - Хмельницький: ХНУ.- 2005. - №6. - Т.1 (76). - С.165-168.

4. Налісний М.Б. Аналіз стану газоперекачувальних агрегатів на компресорних станціях УМГ “Черкаситрансгаз” // Нафтова і газова промисловість. - Київ: НАК “Нафтогаз України”. - 2005. - №3. - С. 47-49.

5. Герасименко В.П., Налесный Н.Б. Вибрационное горение в камерах сгорания ГТД // Вестник нац. технич. ун-та. “ХПИ”. - Харьков: НТУ “ХПИ”. - 2006. - №5. - С. 53-58.

6. Герасименко В.П., Налесный Н.Б. Механизмы вибрационного горения в камерах сгорания ГТД //Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2006. - Вып. 3/29. - С. 48-52.

7. Налесный Н.Б., Герасименко В.П., Проблемы вибрационного горения в газотурбинных приводах газоперекачиваючих агрегатов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - Сумы: Международ. ин-т компрес. и энергетич. машиностр. - 2006. - Вып. 3 (5). - С. 94-96.

8. Торхов М.И., Лозня С.В., Налесный Н.Б. Метод выявления вибрационного горения топлива в камерах сгорания газотурбинных установок // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2006. - Вып. 10/36. - С. 103-106.

9. Ясиніцький Е.П., Торхов М.І., Лозня С.В., Налісний М.Б. Моделювання механізму автоколивань тиску при вібраційному горінні в низькоемісійних камерах згорання газотурбінних установок // Вісник Нац. авіаційн. ун-ту. - К.: НАУ. - 2006. - №1. - С. 105-108.

10. Декларац. патент на корисну модель № 13423 Україна. Спосіб визначення вібраційного горіння палива в камері згорання газотурбінного двигуна. Торхов М.І., Лозня С.В., Дударев Є.А., Налісний М.Б., Мандра А.С. Заявл. 30.01.2006.; Опубл. 15.03.2003., Бюл. №3. - С. 5.118.

11. Патент на корисну модель № 17826 Україна. Спосіб визначення витрати газоподібних і рідких середовищ. Беккер М.В., Налісний М.Б., Куньов А.Г., Ангелов В.В., Пономарьов Ю.В., Коток В.Б., Волков І.І., Бондарев С.А., Лобов П.О., Золотарьов О.М., Грінченко К.М., Бантюков Є.М. Заявл. 14.04.2006.; Опубл. 16.10.2006., Бюл. №10. - С. 5.145.

12. Налісний М.Б., Герасименко В.П., Саприкін С.О. Аналіз нестійких режимів роботи газоперекачувальних агрегатів // Матеріали 8-ї Міжнародної науково-практичної конференції “Нафта і газ України - 2004”. - К.: Українська нафтогазова академія. - 2004. - Том 2. - С. 163-164.

13. Налесный Н.Б., Герасименко В.П. Диагностирование неустойчивых режимов работы газоперекачивающего агрегата // Материалы 15-ой международной деловой встречи “Диагностика-2005”. - Москва: ОАО “Газпром”. - 2005. - Том 2. - С. 86-89.

14. L. L. Borkovskaya, M. Nalisnyy. Intellectual system of diagnostic parameters determination of coordinate measuring machines // Proceedings of the second world congress “Aviation in the XXI-st century” - “Safety in aviation.” - K.: NAU. - 2005. - р. 2.17-2.21.

15. Передерко А.Л., Налісний М.Б., Чекмарьов О.М. Анализ методов обработки сигнала вибрации для выработки управляющего воздействия // Матеріали VІІ міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2006”. - К.: НАУ. - 2006. - Том 1. - С. 11.87-11.90.

Анотація

Налісний М.Б. Вібраційне горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.16 - турбомашини та турбоустановки. Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України, Харків, 2007 р.

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача виявлення режимів вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок на основі обробки вібраційних сигналів. Розроблено математичну модель камери згоряння ГТУ з урахуванням інерційності руху мас паливного газу в тракті подачі паливного газу, динамічного запізнювання заповнення камери згоряння, інерційності руху продуктів згоряння в жаровій трубі. Проведені на ГТУ типу ДН-80 натурні експерименти підтверджують адекватність розробленої математичної моделі по виявленню частотних діапазонів прояву вібраційного горіння.

Розроблено методику виявлення режимів вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ на основі вібраційних сигналів з використанням методів вузькосмужної спектральної обробки. Практична частина розробленої методики реалізована апаратурно у вигляді “Сигналізатора вібраційного горіння”. Здатність виявлення вібраційного горіння розробленим сигналізатором підтверджено в результаті виконання заводських випробувань на ГТУ типу ДГ-90.

Ключові слова: газотурбінна установка, низькоемісійна камера згоряння, вібраційне горіння, вузькосмужна спектральна обробка, сигналізатор.

Аннотация

Налесный Н.Б. Вибрационное горение в низкоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.16 - турбомашины и турбоустановки. Институт проблем машиностроения им. А.Н.Подгорного НАН Украины, Харьков, 2007 г.

В диссертации решена важная научно-техническая задача выявления режимов вибрационного горения в низкоэмиссионных камерах сгорания (КС) газотурбинных установок на основе узкополосной спектральной обработки вибрационных сигналов, снятых с корпуса КС.

В результате исследования спектров сигналов датчиков пульсаций давления в КС и вибрации корпуса КС ГТУ типа ДН-80, показано, что зависимость между амплитудами пульсаций давления и виброускорения при различных частотах колебаний в КЗ ГТУ является линейной. Данный факт явился предпосылкой для разработки методики выявления вибрационного горения в КС с использованием штатной системы контроля уровня корпусной вибрации ГТУ.

Разработана математическая модель камеры сгорания ГТУ с учетом инерционности движения масс топливного газа в тракте подачи топливного газа, динамического запаздывания заполнения камеры сгорания, инерционности движения продуктов сгорания в жаровой трубе. Приведена методика численного исследования, в которой использована разработанная математическая модель, для получения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик колебаний давления и температуры в КС ГТУ. На примере ГТУ типа ДН-80 с помощью разработанной динамической математической модели выявлены характерные диапазоны частот установления автоколебаний термодинамических параметров в КС. Показано, что вибрационное горение проявляется на частоте 25...50 Гц в низкочастотном диапазоне спектра и 430...525 Гц в высокочастотном диапазоне. Высокочастотный диапазон проявления вибрационного горения в 3,2 раза шире, чем низкочастотный. Максимальная амплитуда низкочастотных колебаний в 1,8 раза выше высокочастотных. Проведенные на ГТУ типа ДН-80 натурные эксперименты подтверждают адекватность разработанной математической модели по выявлению диапазонов частот проявления вибрационного горения.

Разработана методика выявления режимов вибрационного горения в низкоэмиссионных камерах сгорания ГТУ на основе вибрационных сигналов. Методика основывается на идее выделения из полосы частот роторных гармоник сигнала, пропорционального среднеквадратическому значению виброскорости, отвечающего гармоникам вибрационного горения камеры сгорания.

Практическая часть разработанной методики реализована аппаратно в виде “Сигнализатора вибрационного горения”, в состав которого входят: датчик вибрации, устанавливаемый на корпусе КС ГТУ, формирователи сигналов с аналоговыми фильтрами с заданной частотной полосой пропускания, цифровой программируемый автомат с возможностью подключения к ПЭВМ. Разработанное программное обеспечение сигнализатора обеспечивает автоматизацию его настройки, снятие характеристик вибрационного горения, визуализацию и архивирование результатов измерений и расчетов в процессе эксплуатации. Разработан и создан экспериментальный стенд для проведения настройки, калибрования и испытаний аппаратуры по выявлению неустойчивого горения в КС ГТУ, которая базируется на вибрационных сигналах.

Выделение разработанным сигнализатором низкочастотных и высокочастотных спектральных составляющих в полосах, характерных для проявления вибрационного горения, подтверждено по результатам выполнения стендовых испытаний. Достоверность разработанной методики и способность выявления вибрационного горения созданным образцом сигнализатора подтверждена в результате выполнения заводских испытаний на ГТУ типа ДГ-90.

Ключевые слова: газотурбинная установка, низкоэмиссионная камера сгорания, вибрационное горение, узкополосная спектральная обработка, сигнализатор.

Summary

Nalesnyy M.B. Vibrating combustion in low-emissions combustors of gas-turbine plants. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree by speciality 05.05.16 - turbomachines and turbo-installations. A.N. Podgorny Institute of the Mechanical Engineering Problems of NAS of Ukraine, Kharkov, 2007.

In the dissertation the important scientific and technical problem vibrating combustion detection in the gas-turbine plants low-emissions combustors that basis of processing vibration signal is solved. The mathematical model of gas-turbine plant combustor is developed in view of fuel gas masses driving inertia in the fuel gas feeding tract, combustor infill dynamic lag and combustion materials driving inertia in a flame tube. DN-80 gas-turbine plant full-scale experimental results confirm adequacy of the designed mathematical model on detection of the vibrating combustion frequency bands.

The technique of detection gas-turbine plants low-emissions combustors vibrating regime is developed. It based on the vibration signals narrow-band spectral treatment methods. The practical part of the designed technique is implemented in “Vibrating combustion signaling device”. Vibrating combustion detection capability of the designed signaling device is confirmed as a result of implementation of DG-90 gas-turbine plant shop test.

Keywords: gas-turbine plant, low-emissions combustor, vibrating combustion, narrow-band spectral treatment, signaling device.

Размещено на Allbest.ru

...