Вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згоряння газотурбінних двигунів методами математичного моделювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

імені адмірала Макарова

УДК 621.45.034

Спеціальність 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВДОСКОНАЛЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗЬКОЕМІСІЙНИХ КАМЕР ЗГОРЯННЯ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Мостіпаненко Ганна Борисівна

Миколаїв 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування (НУК) імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Сербін Сергій Іванович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, професор кафедри турбін.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Романов Віктор Іванович, ДП Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря”-”Машпроект”, провідний конструктор;

канд. техн. наук, старший науковий співробітник Костюк Володимир Євгенович, Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут» імені М.Є. Жуковського, провідний науковий співробітник

Захист відбудеться "16" березня 2009 р. в 14:00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д38.060.02 при Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9, ауд.360.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий "9" лютого 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 38,060,02, доктор технічних наук, професор Тимошевський Б.Г.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнє десятиліття характеризується інтенсивним розвитком газотурбобудування в розвинених в технічному відношенні країнах світу, у тому числі й в Україні.

Жорсткість міжнародних норм на рівні шкідливих викидів визначає актуальність і викликає необхідність комплексного рішення питань екологічного вдосконалювання енергетичних газотурбінних двигунів (ГТД) і установок на їх основі, що приводить до створення принципово нових конструкцій низькоемісійних камер згоряння.

Тому розробка й обґрунтований вибір математичних моделей процесів горіння в низькоемісійних камерах згоряння з урахуванням часткового попереднього перемішування палива з повітрям і упорскування водяної пари, а також апробація їх в умовах розв'язання тривимірної задачі хімічного реагування з метою поліпшення характеристик камер згоряння енергетичних ГТД є актуальним науковим завданням. Створення й впровадження подібних методів у практику проектування газотурбінних установок дозволить різко зменшити вартість дослідно-доводочних робіт і підвищити конкурентоспроможність українських газотурбінних двигунів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано автором-аспірантом на кафедрі турбін машинобудівного інституту Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова в рамках Пріоритетних напрямків розвитку науки й техніки, напрямок 6 "Новітні технології й ресурсосберегаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі": держбюджетні теми № 0105U001763 "Розробка теорії низькоемісійного горіння в гібридних паливоспалюючих пристроях суднової й стаціонарної енергетики" (2005-2007 рр.), № 0108U001165 "Теорія низькоемісійного горіння вуглеводневих палив у камерах згоряння з упорскуванням пари контактних газопаротур-бінних установок" (2008 р.), а також відповідно до договору про творчу співдружність між НУК і ДП Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря"-"Машпроект" (2005-2006 рр.) за темою "Розробка методів розрахунку характеристик робочого процесу в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів". У цих роботах здобувач брала участь у якості виконавця на посаді молодшого наукового співробітника.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згоряння з частковим попереднім перемішуванням палива з повітрям і упорскуванням водяної пари для газотурбінних двигунів стаціонарного типу.

Досягнення цієї мети потребувало рішення наступних завдань:

вибору адекватних тривимірних математичних моделей турбулентних хімічно реагуючих потоків у низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів, що працюють на газоподібному паливі;

розробки кінетичних механізмів утворення токсичних компонентів (оксидів азоту й вуглецю) у газотурбінних камерах згоряння із частковим попереднім перемішуванням газоподібного палива з повітрям, а також з упорскуванням водяної пари;

розробки методики числового експерименту для вдосконалення робочих процесів у низькоемісійних камерах згоряння ГТД з використання програмного забезпечення ANSYS Fluent і ANSYS CFX;

верифікації запропонованих математичних моделей за результатами випробувань низькоемісійних паливоспалюючих пристроїв у стендових і натурних умовах; камера згоряння паливо газотурбінний

теоретичного дослідження характеристик низькоемісійних камер згоряння ГТД, визначення основних напрямків і розробки практичних рекомендацій по їх вдосконалюванню;

впровадження результатів досліджень у практику проектування низькоемісійних стаціонарних газотурбінних двигунів.

Об'єкт дослідження - процеси турбулентного горіння газоподібного палива в низькоемісійних камерах згоряння ГТД.

Предмет дослідження - механізми окиснення вуглеводнів, утворення токсичних компонентів і структура тривимірних хімічно-реагуючих потоків у газотурбінних камерах згоряння з урахуванням часткового попереднього перемішування палива з повітрям, а також упорскуванням водяної пари.

Методи дослідження. Вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згоряння газотурбінних двигунів забезпечено теоретико-експериментальним рішенням дослідницьких завдань на єдиній методологічній основі. Теоретичну основу дисертаційних досліджень склали фундаментальні й прикладні роботи вітчизняних і закордонних фахівців в області процесів горіння органічних палив. Для теоретичного аналізу процесів низькоемісійного горіння з урахуванням часткового попереднього перемішування палива з повітрям, а також упорскуванням водяної пари використаний підхід, заснований на числовому розв'язанні систем диференціальних рівнянь, що описують основні закони збереження енергії й переносу хімічних компонентів у турбулентній хімічно реагуючій системі, за допомогою програмних продуктів ANSYS Fluent і ANSYS CFX. Експериментальні дослідження екологічних характеристик ГТД здійснювалися в стендових умовах НВКГ "Зоря"-"Машпроект" і в натурних умовах газоперекачуючої станції електрохімічними методами. Теплотехнічні вимірювання параметрів камер згоряння проводилися стандартними методами. При постановці дослідів використані загальна теорія моделювання й планування експериментів, а при обробці даних і перевірці гіпотез - статистичний аналіз.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в ній автором отримані наступні наукові результати, що виносяться на захист.

Вперше:

розроблені й верифіковані кінетичні механізми утворення й розкладання оксидів азоту й вуглецю в паливоспалюючих пристроях, які враховують часткове попереднє перемішування палива з повітрям, а також упорскування екологічної й енергетичної водяної пари для контактних парогазових установок;

отримані теоретичні й експериментальні дані по усередненим і пульсаційним компонентам швидкості у зворотно-вихровій камері згоряння, що свідчать про нестійкість центрального стабілізуючого повітряного вихору при малих витратах робочого тіла;

виявлено істотний зв'язок між викидами оксидів азоту й розподілом концентрацій атомарного кисню в об'ємі низькоемісійної газотурбінної камери згоряння, а також запропонована залежність для їх визначення, яка враховує зміну концентрацій молекулярного кисню, водню та водяної пари і швидкостей проміжних реакцій, i дозволяє зменшити розрахункову похибку при обчисленні викидів оксидів азоту на 25-30 %;

розрахунковим шляхом доведено, що для камер згоряння ГТД, у яких реалізований принцип горіння частково перемішаної збідненої паливо-повітряної суміші з максимальною температурою, що не перевищує 1900 К, істотну роль відіграє не тільки термічний механізм утворення оксидів азоту, але й механізм їх формування через закис азоту N2O (до 50 %).

Одержали подальший розвиток:

підхід до проведення тривимірного аналізу аеродинамічних процесів у низькоемісійних камерах згоряння ГТД із використанням RNG k-е і динамічної LES моделей турбулентності;

метод дослідження втрат повного тиску в камерах згоряння з урахуванням нерівномірності тиску повітря на виході компресорної частини двигуна.

В результаті розроблена тривимірна математична модель низькоемісійних газотурбінних камер згоряння, що враховує особливості гомогенно-дифузійного горіння збіднених паливо-повітряних сумішей, обумовлені як фізичними процесами сумішоутворення, так і кінетикою хімічних реакцій.

Достовірність результатів досліджень забезпечується коректністю застосованих методик досліджень, прийнятною точністю одержання експериментальних даних, задовільним узгодженням результатів теоретичних і експериментальних досліджень, математико-статистичною обробкою отриманих даних, результатами натурних випробувань газотурбінних низькоемісійних камер згоряння.

Практичне значення отриманих результатів складається зі:

створення методики числового експерименту для вдосконалення робочих процесів у низькоемісійних камерах згоряння ГТД з використання програмного забезпечення ANSYS Fluent і ANSYS CFX, що дозволяє скоротити вартість і підвищити ефективність експериментально-доводочних робіт;

розробки рекомендацій з поліпшення температурного режиму й екологічних характеристик низькоемісійних камер згоряння ГТД ДН-80 потужністю 25 МВт і ГТУ типу "Водолій" потужністю 16 МВт із упорскуванням екологічної й енергетичної водяної пари виробництва ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв) на основі тривимірних розрахунків вдосконалених конструктивних варіантів камер згоряння, запропонованих автором.

Впровадження рекомендацій в практику проектування газотурбінних двигунів дозволить зменшити емісію оксидів азоту в 1,5-2 рази та нерівномірність температурного полю у вихідному перерізі, збільшити ресурс жарових труб камер згоряння і двигунів в цілому, а також збільшити ККД ГТД ДН-80 та ГТУ типу "Водолій" на 0,64 і 0,04 % за рахунок зниження витрат охолоджувального повітря.

Впровадження результатів досліджень. Результати дисертаційної роботи й методики розрахунку впроваджені на ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" і використовуються при доводці й модернізації існуючих і проектуванні перспективних зразків низькоемісійних камер згоряння ГТД. Запропонована кінетична модель хімічно реагуючих потоків у низькоемісійних камерах згоряння ГТД, що працюють на газоподібному паливі, впроваджена в навчальний процес НУК і використовується при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт зі спеціальностей 8.090506 "Турбіни" і 8.070801 "Екологія й охорона навколишнього середовища".

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, висновки й рекомендації, які наведені в дисертації і виносяться на захист, отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачем розроблені й верифіковані кінетичні механізми утворення і розкладання оксидів азоту і вуглецю в низькоемісійних камерах згоряння, які враховують часткове попереднє перемішування палива з повітрям, а також упорскування екологічної й енергетичної водяної пари, числовими методами вирішене завдання моделювання токсичних речовин у камерах згоряння ГТД, розроблені заходи для поліпшення вихідних характеристик низькоемісійних камер згоряння ГТД виробництва НВКГ "Зоря"-"Машпроект".

Апробація результатів дисертації. Основні наукові й практичні результати дисертаційних досліджень доповідалися й були позитивно оцінені на Х и ХІ Міжнародних конгресах двигунобудівників (Харків-Рибальске, 2005-2006 рр.), на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів, молодих вчених і фахівців (Миколаїв, 2005 р.), на 4-й Міжнародної науково-технічної конференції з проблем екології й енергозбереження в суднобудуванні (Миколаїв, 2005 р.), на 2-й і 3-й Міжнародної конференції із проблем плазмового супроводу горіння ІWEPAC-2, ІWEPAC-3 (США, Falls Church, Вірджинія, 2006-2007 рр.), на 45-м Міжнародному аерокосмічному конгресі Amerіcan Іnstіtute of Aeronautіcs and Astronautіcs (США, Reno, Невада, 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових праць, з них 5 - статті в спеціалізованих наукових виданнях з технічних наук, які входять у перелік, затверджений ВАК України, 1 стаття й 5 тез - у збірниках міжнародних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі списку умовних скорочень, вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Обсяг основного тексту дисертаційної роботи становить 197 стор., рисунків - 78, таблиць - 13. Список використаних джерел містить 147 найменувань на 16 сторінках. У додатку наведені акти впровадження.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, обрані об'єкт і предмет дослідження, сформульовані мета й основні завдання дисертаційної роботи, коротко викладені методологічні основи досліджень, наукова новизна й практична значимість роботи.

У першому розділі виконаний огляд основних конструктивних типів низькоемісійних камер згоряння газотурбінних двигунів за закордонними та вітчизняними джерелами. Розглянуті особливості конструктивного оформлення сучасних камер згоряння ГТД дозволили визначити основні напрямки наукових досліджень щодо зменшення емісії токсичних компонентів.

На основі аналізу сучасних способів організації робочого процесу і тенденцій підвищення ефективності роботи паливоспалюючих пристроїв сформульовані основні вимоги, яким повинні відповідати низькоемісійні камери згоряння. Для їх виконання необхідно підвищувати ефективність проектування й доводки низькоемісійних камер згоряння. Математичне моделювання робочих процесів у камерах з урахуванням часткового попереднього перемішування палива з повітрям і упорскування водяної пари при використанні сучасного програмного забезпечення розглядається як один з перспективних засобів, що дозволить різко зменшити вартість дослідних робіт і підвищити конкурентоспроможність українських ГТД.

У другому розділі проведено обґрунтування вибору теми дисертаційного дослідження, показані її важливість і актуальність, передбачувані наукова новизна, практичне значення та можливість впровадження, а також відповідність спеціальності 05.05.03 "Двигуни та енергетичні установки". Сформульовано мету й задачі роботи, визначені завдання й методики теоретичних і експериментальних досліджень фізико-хімічних процесів в низькоемісійних камерах згоряння, наведені описи експериментальних установок і вимірювань параметрів:

Стенда для дослідження аеродинамічних характеристик фронтових пристроїв.

Стенда для дослідження процесів горіння й характеристик камери згоряння ГТД ДН-80 виробництва ДП НВКГ “Зоря”-”Машпроект” (рис. 1).

Стенда для дослідження повнорозмірної моделі зворотно-вихрової камери згоряння "Торнадо".

Схеми вимірювань екологічних характеристик ГТУ типу "Водолій" виробництва ДП НВКГ “Зоря”-”Машпроект”.

Експериментальні дані, отримані на установках для дослідження аеродинамічних параметрів фронтових пристроїв і процесів горіння у відсіку камери згоряння двигуна ДН-80 (рис. 1), дані по температурних полях безпосередньо на двигуні та характеристики, визначені в ході випробувань ГТУ типу "Водолій", дозволили верифікувати математичні моделі і перевірити адекватність запропонованої кінетичної схеми реакцій для низькоемісійних "сухих" камер згоряння з частковим попереднім перемішуванням газоподібного палива й повітря, а також з упорскуванням енергетичної та екологічної водяної пари.

Експериментальні дані, отримані за стенді для випробувань вихрової камери згоряння "Торнадо", створеного за участі автора й оснащеного сучасними лазерними засобами вимірювань, дозволили визначити температурні і екологічні характеристики камери, пульсаційні складові швидкості робочого тіла й вибрати адекватні фізичним умовам моделі турбулентності. Порівняння експериментальних даних з розрахунковими підтвердило принципову можливість математичного моделювання процесів сумішоутворення й горіння у вихрових камерах згоряння.

У третьому розділі створено універсальну математичну модель хімічно реагуючих потоків у низькоемісійних камерах згоряння ГТД, що працюють на газоподібному паливі, що дозволяє коректно прогнозувати гідродинамічні й хімічні процеси в паливоспалюючих пристроях як у стаціонарній, так і нестаціонарній постановці.

Математична модель враховує особливості організації робочого процесу в камерах згоряння, у яких організується гомогенно-дифузійне горіння паливоповітряних сумішей, обумовлене як фізичними процесами сумішоутворення, так і кінетикою хімічних реакцій.

Модель хімічно реагуючих турбулентних потоків базується на системі диференціальних рівнянь нерозривності (1), збереження кількості руху (2), збереження енергії (3), переносу хімічних компонентів суміші (4) і NO (5):

; (1)

; (2)

; (3)

, (4)

(5)

де - масова густина; - вектор локальної швидкості; Sm - джерело, що визначає масу, яка вноситься до потоку, p - статичний тиск; - гравітаційна сила; - зовнішні сили; - тензор тисків; E - внутрішня енергія; Yi, YNO, - масова концентрація хімічного компонента i та NO; - густина теплового потоку суміші; - густина дифузійного теплового потоку j-го компонента; Sh - джерело, що описує тепловиділення в результаті хімічних реакцій, Si - рівень додаткового утворення i-го компонента з дисперсної фази або інших джерел; - масова дифузія i-го компонента. Ri - рівень утворення i-го компонента в результаті хімічної реакції, D - коефіцієнт дифузії, SNO- джерело NO в залежності від механізму утворення.

Зазвичай швидкість хімічної реакції та рівень утворення визначають величиною характерного масштабу перемішування . Однак у реальних конструкціях низькоемісійних камер згоряння ГТД завжди є ділянки попереднього змішування пального і окислювача. Якщо використати модель горіння, що враховує тільки турбулентні характеристики, то можна одержати надмірно високу швидкість вигоряння палива. Уникнути цього ефекту можна з огляду на вираз Ареніуса при розрахунку швидкості хімічних реакцій

,

де А,,Е - константи та енергія активації суміші.

В даному дослідженні запропоновано та протестовано п'ять кінетичних механізмів горіння газоподібного палива на базі метану з різними константами швидкості, які визначають різні рівні . Вперше розроблені й верифіковані кінетичні механізми утворення й розкладання оксидів азоту й вуглецю в паливоспалюючих пристроях, які враховують часткове попереднє перемішування палива з повітрям, а також упорскування екологічної й енергетичної водяної пари.

Замикання системи рівнянь (1)-(5) проводиться шляхом додавання відповідних диференціальних рівнянь моделей турбулентності, напівемпіричних залежностей для тензора тисків, теплового й дифузійного потоків, а також рівняння стану суміші ідеальних газів. Залежності термодинамічних і теплофізичних властивостей газів від температури враховуються за допомогою апроксимуючих формул.

Наведені описи й обґрунтування вибору моделей турбулентності для стаціонарного й нестаціонарного випадків. Для стаціонарних задач прогнозування характеристик низькоемісійних камер згоряння доведено можливість використання RNG різновиду стандартної -моделі турбулентності, яка є напівемпіричною і являє собою сукупність диференціальних рівнянь переносу кінетичної енергії турбулентності k й питомої швидкості дисипації кінетичної енергії турбулентності .

У рівняннях RNG -моделі турбулентності (6, 7) в порівнянні зі стандартною моделлю присутні додаткова умова (8) і співвідношення (9) для обчислення турбулентної в'язкості, які дозволяють більш ефективно розраховувати гідродинамічні показники сильно закручених потоків.

де мeff - коефіцієнт ефективної в'язкості; Gk - генерація турбулентної кінетичної енергії від градієнтів осереднених швидкостей; Gb - генерація турбулентної кінетичної енергії в результаті плавучості для ідеальних газів; YM - внесок пульсаційного розширення; C1е , C2е, C3е, Cм, Cн, 0, ?- емпіричні константи; Sk, Sе - додаткові джерела для k і е; ?k, ?е, - величини зворотні значенням ефективних чисел Прандтля для k і е відповідно; =Sk/е ; = мeff /м; м - коефіцієнт ламінарної в'язкості.

Для нестаціонарних розрахунків процесів в камерах згоряння та розрахунків флуктуацій швидкостей запропоновано використовувати модель великих вихрів або динамічну LES-модель турбулентності, де великомасштабні вихорі моделюються прямо, а дрібномасштабні - з застосуванням однієї з напівемпіричних моделей турбулентності.

Для числового розв'язання системи диференціальних рівнянь, що описує фізико-хімічні процеси в низькоемісійних камерах згоряння ГТД, використано метод контрольного об'єму, реалізований в програмних комплексах ANSYS Fluent і ANSYS CFX.

Верифікація запропонованої математичної моделі проведена на базі експериментальних даних, отриманими при випробуваннях зворотно-вихрової камери згоряння "Торнадо". Дослідження аеродинамічної структури потоку в низькоемісійній зворотно-вихровій камері з застосуванням тривимірної моделі в умовах неізотермічності та ізотермічності потоків підтвердили достовірність математичної моделі, її адекватність фізичним процесам, якісне й кількісне узгодження експериментальних і розрахункових характеристик (рис. 2-3).

Аналіз і узагальнення даних по усередненим (рис. 3, а) і пульсаційним (рис. 3, б) компонентам швидкості у зворотно-вихровій камері згоряння, отриманих розрахунком при допомозі динамічної LES-моделі турбулентності та експериментально за допомогою лазерної Доплеровської технології, дозволили вперше одержати інформацію про нестійкість центрального повітряного вихору в такій камері при малих витратах повітря.

У четвертому розділі розроблено алгоритм числового експерименту, використаного для прогнозування характеристик низькоемісійних камер згоряння ГТД. Приведено результати моделювання процесів горіння в камерах згоряння двох типів: камері ГТД ДН-80 потужністю 25 МВт, у якій реалізовано принцип сухого горіння частково перемішаної бідної суміші, та камері ГТУ типу "Водолій" потужністю 16 МВт з упорскуванням екологічної та енергетичної водяної пари (рис. 4).

Обрано наступні критерії оцінки якості камер згоряння ГТД:

втрати повного тиску в камері згоряння, які впливають на економічність ГТД в цілому;

нерівномірність поля температур у вихідному перерізі жарової труби, оскільки вона впливає на ресурс соплових і робочих лопаток турбіни високого тиску;

екологічні характеристики камери згоряння, що визначаються рівнем викидів оксидів азоту NOx і вуглецю СО.

За результатами тривимірних розрахунків можна зробити наступні висновки:

Прогнозування втрат повного тиску за допомогою числового моделювання цілком можливо. Для одержання адекватних експерименту значень необхідно враховувати нерівномірність поля тиску повітря після компресорної частини двигуна.

Розподіл полів температур і концентрацій шкідливих компонентів СО і NOx всередині камери згоряння і на її виході залежить від густоти розрахункової сітки, моделі турбулентності і кінетичного механізму горіння вуглеводневого палива. Раціональна кількість елементів різницевої сітки визначається виходячи зі складності тривимірної геометричної моделі камери, і обмежується можливостями комп'ютерної техніки. У середньому величина розрахункової сітки для однієї жарової труби трубчасто-кільцевої протитокової камери згоряння повинна бути не менш ніж 3-4 млн. елементів.

Раціональною моделлю турбулентності стосовно розрахунків хімічно реагуючих потоків в низькоемісійних камерах згоряння ГТД є RNG різновид k-е - моделі, що підтверджують дані рис. 5, де наведена зміна нерівномірностей вихідних температур max за режимами ГТД ДН-80, та результати моделювання паливоспалюючого пристрою ГТУ типу "Водолій", тому що ця модель визначає реальну картину течій робочих тіл, має добру збіжність і не вимагає великих обчислювальних ресурсів.

З п'яти запропонованих кінетичних схем горіння метану для розглянутих типів камер згоряння можна рекомендувати трьохреакційнний механізм, що враховує розкладання діоксиду вуглецю. Його використання дозволило одержати не тільки коректне поле температур (рис. 6), але й прогнозувати викиди СО та NOx на більшості експериментальних режимів (рис. 7-9) . П'ятиреакційнний механізм, що додатково враховує утворення водню, може бути використаний не тільки для визначення температур, але й прогнозування емісії СО і NOx (рис. 8, 10) у камерах згоряння, у яких реалізований принцип сухого горіння частково перемішаної бідної суміші й максимальна температура в якій не перевищує 1900 К (рис. 11).

В роботі розглянута узагальнена модель утворення NOх. Автором виявлено тісний зв'язок між викидами оксидів азоту, які визначаються термічним механізмом (10) і механізмом їх утворення через закис N2O (11), та полем концентрацій атомарного кисню.

; (10) . (11)

Показано, що концентрації [O] залежать від максимальної температури в камері. Для режимів роботи низькоемісійної камери згоряння ГТД ДН-80 з максимальною температурою нижче 1900 К автором вперше запропонована залежність (12) для поля концентрацій атомарного кисню, яка разом з кінетичним п'ятиреакційним механізмом дозволяє коректно визначити рівень викидів оксидів азоту при моделюванні вигоряння збіднених сумішей.

, (12)

де а=12,5 - емпіричний коефіцієнт, запропонований автором; , - константи швидкості прямої та зворотної реакції H+O2=OH+O; , - константи швидкості прямої та зворотної реакції OH+H2=H+H2O.

Розрахунковим шляхом доведено, що при утворенні NOx в низькоемісійних «сухих» камерах згоряння з температурою факела нижче за 1900 К значну роль починає відігравати механізм утворення оксидів азоту через N2O (рис. 12).

У п'ятому розділі на основі методики числового експерименту з використанням математичної моделі, запропонованої автором, проведені дослідження з вдосконалення характеристик двох конструктивних схем низькоемісійних камер згоряння виробництва ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв): камери ГТД ДН-80 із частковим попереднім перемішуванням палива з повітрям і камери ГТУ "Водолій" з упорскуванням водяної пари.

На підставі узагальнення розрахункових даних з поліпшення температурних полів і екологічних характеристик камери згоряння ГТД ДН-80 розроблені практичні рекомендації відносно запропонованої конвективної схеми охолодження жарової труби, а також вибору раціональних геометричних параметрів камери.

Для поліпшення характеристик камери згоряння ГТД ДН-80 автором запропоновані наступні зміни в конструкції серійної жарової труби.

Площа отворів вторинного повітря збільшена на 7,2 %. Замість одного ряду, що складається з 4 отворів діаметром 15 мм у вихідному варіанті, було виконано два ряди отворів вторинного повітря: по 4 отвори діаметром 11 мм і 8 отворів діаметром 7,8 мм у першому й другому ряді відповідно. Це дозволило збільшити відносну витрату вторинного повітря з 15,7 до 19,4 %. На першому ряді отворів вторинного повітря встановлені спеціальні гільзи з метою забезпечення необхідної глибини проникнення струменів вторинного повітря в зону змішування в радіальному напрямку.

Площа прохідного перерізу міжлопаткового каналу периферійного зави-хрювача збільшена на 16,7 % за рахунок зростання висоти лопаток з 15 до 17 мм і їх повороту на 1,5°. Також збільшена на 7 % прохідна площа каналу внутрішнього завихрювача. Ці зміни необхідні для забезпечення рекомендованих коефіцієнтів надлишку повітря для периферійного й внутрішнього завихрювачів, які дорівнюють 2,11 і 1,7 відповідно. У центральний канал внутрішнього завихрителя вставлений додатковий лопатковий завихрювач з метою стабілізації потоку в зоні горіння.

Загороджувальна система охолодження серійної жарової труби замінена на конвективну, що дозволило скоротити відносну витрату повітря на охолодження жарової труби з 11,4 до 10,2 %. Із внутрішньої сторони жарової труби стінка покрита термобар'єрним покриттям товщиною 500 мкм з оксиду цирконію, стабілізованого п'ятиоксидом ітрію. Запропоновано використання високотемпературного сплаву ВЖ159 для стінок жарової труби, оскільки максимальна температура металу збільшується в цьому випадку на 100-150 градусів.

Загальна витрата газоподібного палива збережена, але співвідношення витрат палива через внутрішній і периферійний завихрювачі змінено, щоб досягти необхідних коефіцієнтів надлишку повітря. Це співвідношення складає 14,6 і 85,4 % відповідно.

Організація робочого процесу в запропонованому варіанті низькоемісійної камери згоряння ГТД ДН-80 у порівнянні з базовим дозволить знизити розрахункові викиди оксидів азоту (з 16 до 1 ppm) за рахунок зниження максимальної температури в камері, зменшити максимальну нерівномірність температурного поля у вихідному перерізі з 19 до 8,6 % (рис. 13-14) при збереженні коефіцієнта повноти згоряння палива, викидів СО. Відмітимо, що для базового варіанту камери заміряні викиди NOx склали 20 ppm. З огляду на обмеження та припущення математичної моделі, нерівномірність роздачі повітря й палива, витоку робочого тіла через нещільності на двигуні можна прогнозувати зниження викидів оксиду азоту в 1,5-2 рази зі збереженням емісії СО, а також зменшення втрат повного тиску на 7 % відносних.

На підставі узагальнення даних тривимірних розрахунків модернізованих варіантів камери згоряння ГТУ типу "Водолій" з упорскуванням екологічної й енергетичної водяної пари розроблені практичні рекомендації з вдосконалювання її вихідних характеристик.

Перед входом у лопатковий завихрювач запропоновано встановити додаткове кільце-дефлектор висотою 30 і діаметром 84 мм, що перешкоджає перетіканню екологічної пари в міжтрубний простір. Зміщені на наступну обичайку три з восьми отворів підведення первинного повітря і зменшена їх площа на 25 % з метою одержання раціональних вихідних характеристик жарової труби.

Запропоновані конструктивні зміни технологічно легко здійсненні й дозволять зменшити розрахункові викиди оксидів азоту c 33 до 10 ppm, оксиду вуглецю з 12 до 4 ppm. Відмітимо, що для базового варіанту камери заміряні викиди NOx і СО склали 30 і 8 ppm відповідно. З огляду на обмеження математичної моделі, ідеалізацію геометрії жарової труби, витоку робочого тіла через нещільності на двигуні можна прогнозувати зниження емісії оксидів азоту у 1,3-1,5 рази і СО на 20-25 %;

Завдяки установці дефлектора отримано більш рівномірний розподіл екологічної пари в головній частині жарової труби, що знизило максимальну температуру газів на 200 градусів (з 2400 до 2200 К) та істотно скоротило довжину ділянок з концентрацією NOx більше 100 ppm всередині жарової труби (рис. 15). Причиною значного зменшення вмісту оксидів азоту є не тільки зниження максимальної температури газів, але й скорочення об'ємів зон з білястехіометричними коефіцієнтами надлишку повітря 1,1-1,2, у яких, як відомо, створюються найбільш сприятливі умови для утворення термічних оксидів азоту. В модернізованому варіанті максимальні локальні концентрації оксиду вуглецю в перерізах камери знизились в 1,7 разів в порівнянні з базовим.

Зміщення трьох верхніх отворів подачі первинного повітря на наступну обичайку по довжині жарової труби дозволило уникнути підтікання первинного повітря в напрямку лопаткового завихрителя, що позитивно позначилося на радіальній рівномірності температурного поля. В результаті розрахункова усереднена радіальна нерівномірність температурного поля на виході зменшилася з 8 до 3,8 % (рис. 16).

Запропоновані практичні рекомендації з вдосконалення низькоемісійних камер згоряння дозволять збільшити ресурс жарових труб, соплових і робочих лопаток турбіни високого тиску, а, отже, і газотурбінних двигунів у цілому, створювати нові зразки конкурентоспроможної на світовому ринку продукції, що задовольняють міжнародним нормам на викиди токсичних компонентів, а також одержати річний економічний ефект у розмірі близько 130,0 тис. дол. США для ГТД ДН-80 і 2,0 тис. дол. США для ГТУ "Водолій" за рахунок економії повітря на охолодження лопаток турбін.

Результати досліджень використаються на ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" при доводці й модернізації існуючих і проектуванні перспективних зразків низькоемісійних камер згоряння ГТД, а також в навчальному процесі НУК при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт зі спеціальностей 8.090506 "Турбіни" і 8.070801 "Екологія й охорона навколишнього середовища".



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі представлене нове рішення завдання прогнозування і вдосконалювання екологічних характеристик стаціонарних газотурбінних двигунів, які працюють на газоподібному паливі, шляхом вибору раціональних геометричних і режимних параметрів їх камер на базі створеної математичної моделі низькоемісійної камери згоряння з частковим попереднім перемішуванням палива з повітрям і упорскуванням водяної пари.

На підставі проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

На основі аналізу і узагальнення вітчизняних і закордонних літературних даних установлені найбільш перспективні способи зниження шкідливих викидів і вироблені основні вимоги до організації робочого процесу в сучасних низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів.

Розроблено універсальну тривимірну математичну модель низькоемісійних газотурбінних камер згоряння ГТД, у яких організується гомогенно-диффузійне горіння паливоповітряних сумішей, обумовлене як фізичними процесами сумішоутворення, так і кінетикою хімічних реакцій.

Запропоновані і верифіковані ефективні кінетичні механізми окиснення газоподібного палива, що враховують часткове попереднє перемішування палива з повітрям, а також упорскування екологічної і енергетичної водяної пари і дозволяють коректно моделювати розподіл температур і концентрацій хімічних компонентів у низькоемісійних камерах згоряння ГТД. Отримано задовільну відповідність результатів числових і натурних експериментів.

Вдосконалено модель утворення оксидів азоту для низькотемпературних режимів горіння метану в камерах згоряння ГТД. Виявлено, що для камер згоряння ГТД, у яких реалізований принцип горіння частково перемішаної збідненої паливоповітряної суміші з максимальною температурою, що не перевищує 1900 К, істотну роль грає не тільки термічний механізм утворення оксидів азоту, але й механізм їх формування через закис азоту N2O (до 50 %). Запропоновано залежність для визначення концентрацій атомарного кисню в перерізах низькоемісійної газотурбінної камери згоряння, яка дозволяє задовільно прогнозувати емісію оксидів азоту.

На основі результатів математичного моделювання проаналізовані основні недоліки двох конструктивних типів низькоемісійних камер згоряння і дані практичні рекомендації з поліпшення температурного режиму й екологічних характеристик камер згоряння ГТД ДН-80 потужністю 25 МВт і ГТУ типу "Водолій" потужністю 16 МВт із упорскуванням екологічної й енергетичної водяної пари виробництва ДП "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування" "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв).

Раціональна організація робочого процесу в камері згоряння ГТД ДН-80 забезпечить скорочення розрахункової емісії оксидів азоту з 16 до 1 ppm, зменшення максимальної розрахункової нерівномірності температурного поля у вихідному перерізі з 19 до 8,6 % при збереженні коефіцієнта повноти згоряння палива. Запропоновані конструктивні зміни жарової труби камери згоряння ГТУ "Водолій" з упорскуванням водяної пари дозволять зменшити розрахункові викиди оксидів азоту c 33 до 10 ppm, оксиду вуглецю з 12 до 4 ppm і розрахункову усереднену радіальну нерівномірності температурного поля на виході з 8 до 3,8 %. З огляду на обмеження та допущення математичної моделі на двигунах можна прогнозувати зниження викидів оксиду азоту в 1,5-2 рази зі збереженням емісії СО і зменшення втрат повного тиску на 7 % (відносних) для ГТД ДН-80 і зниження викидів оксиду азоту в 1,3-1,5 разів і СО на 20-25 % для ГТУ типу "Водолій".

Розроблені практичні рекомендації з вдосконалювання низькоемісійних камер згоряння ГТД дозволять збільшити ресурс жарових труб, а, отже, і газотурбінних двигунів у цілому, створювати нові зразки конкурентоспроможної на світовому ринку продукції, які задовольняють міжнародним нормам на викиди токсичних компонентів. Крім того, застосування модернізованих варіантів камер згоряння дозволить одержати річний економічний ефект у розмірі близько 125000 $ для ГТД ДН-80 і 2000 $ для ГТУ типу "Водолій" за рахунок зменшення витрати охолоджувального повітря на лопатки перших ступенів турбін, що веде до підвищення ККД ГТД ДН-80 на 0,64 % абсолютних і двигуна ГТУ типу "Водолій" на 0,04 %.

Основні наукові результати дисертаційної роботи мають теоретичне і практичне значення для розробки і модернізації низькоемісійних камер згоряння ГТД і використовуються на ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" у вигляді рекомендацій для проектування і модернізації перспективних зразків низькоемісійних камер згоряння ГТД, а також у навчальному процесі Національного університету кораблебудування при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт зі спеціальностей "Турбіни" і "Екологія й охорона навколишнього середовища".



ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Публікації у збірниках ВАК України

1. Сербин С.И. Исследование структуры течения во фронтовом устройстве камеры сгорания газотурбинного двигателя мощностью 25 МВт / С.И. Сербин, А.Б Мостипаненко, В.В. Вилкул // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков "ХАИ", 2005. - №8(24). - С.146-149.

2. Здобувачем розроблена математична модель фронтового пристрою, проведені розрахунки порівняно з результатами експерименту.

3. Сербин С.И. Исследование механизмов образования оксидов азота в камере сгорания газотурбинной установки "Водолей" / С.И. Сербин, А.Б. Мостипаненко // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков "ХАИ", 2006. - №7(33). - С.93-97.

4. Здобувачем виявлено головні механізми утворення оксидів азоту для камер згоряння ГТД, проведений числовий експеримент, результати якого зіставлені з даними експериментів.

5. Сербин С.И. Разработка математической модели образования загрязняющих веществ в камерах сгорания энергетических ГТУ / С.И. Сербин, А.Б. Мостипаненко // Наукові праці : Науково-методичний журнал. Техногенна безпека. - Миколаїв : Вид-во МДГУ ім. Петра Могили, 2006. - №49(36). - С.38-44.

6. Здобувачем проведений аналіз існуючих механізмів утворення оксидів азоту в камерах згоряння й на їх основі розроблена математична модель утворення забруднюючих речовин у камерах згоряння енергетичних ГТУ.

7. Сербін С.І. Числове моделювання процесів горіння в експериментальному відсіку гібридної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт / С.І. Сербін, Г.Б. Мостіпаненко // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник наукових праць. Тематичний випуск : «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». - Харків: НТУ «ХПI». - 2006. - № 5. - C.59-66.

8. Здобувачем розроблена математична модель відсіку камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт, проведені розрахунки.

9. Мостипаненко А.Б. Повышение экологической безопасности газотурбинных установок использованием технологии малоэмиссионного сжигания топлив / А.Б. Мостипаненко // Збірник наукових праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2007. - №1 (412). - С.100-108.

Додаткові публікації, матеріали конференцій

10. Сербін С.І. Використання тривимірних математичних моделей для аналізу екологічних характеристик гібридної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт / С.І. Сербін, Г.Б. Мостіпаненко // Проблемы экологии и энергосбережения в судостроении : Материалы 4-й международной научно-технической конференции. - Николаев : НУК, 2005. - 296 с.

11. Здобувачем проведений вибір моделі турбулентності для математичної моделі гібридної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт, проведені розрахунки і їх результати зіставлені з експериментальними даними.

12. Мостіпаненко Г.Б. Моделювання гідро газодинамічних процесів у камері згоряння ГТУ „Водолій” з впорскуванням водяної пари / Г.Б. Мостіпаненко // Суднова енергетика : стан та проблеми : Матеріали міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів, молодих вчених та спеціалістів. - Миколаїв : НУК, 2005. - 196 с.

13. Мостіпаненко Г.Б. Моделювання робочих і екологічних характеристик в камері згоряння ГТУ „Водолій” з впорскуванням водяної пари / Г.Б. Мостіпаненко // Проблемы экологии и энергосбережения в судостроении : Материалы 4-й международной научно-технической конференции. - Николаев : НУК, 2005. - 296 с.

14. Matveev I. Numerical Optimization of the Tornado Combustor Aerodynamic Parameters / I. Matveev, S. Serbin, A. Mostipanenko // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, (Reno, Nevada, USA, 8-11 January 2007). - AIAA 2007-391. - 12 p.

15. Здобувачем проведені розрахунки, обрано моделі турбулентності для стаціонарного і нестаціонарного випадків, оброблено експериментальні дані і порівняно їх з результатами числового експерименту для зворотно-вихрової камери згоряння.

16. Matveev I. CFD Investigation of Spatial Arc Influence on Fuel Burning-Out in the “Tornado” Combustor / I. Matveev, S. Serbin, A. Mostipanenko // 2-nd Int. Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC). - Falls Church, USA, 2006. - P.22-23.

17. Здобувачем проведене моделювання обертової плазмової дуги у зворотно-вихровій камері згоряння.

18. Matveev I. CFD Calculations of Reverse Vortex Reactive Flows / I. Matveev, S. Serbin, A. Mostipanenko // 3-rd Int. Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC). - Falls Church, USA, 2007. - P.70-72.

19. Здобувачем розроблена математична модель зворотно-вихрової камери згоряння, проведено моделювання стаціонарного і нестаціонарного випадків тривимірної хімічно-реагуючої течії в камері.



АНОТАЦІЯ

Мостіпаненко Г.Б. Вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згорання газотурбінних двигунів методами математичного моделювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки. - Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2008.

Дисертація присвячена питанням числового моделювання низькоемісійних камер згорання газотурбінних двигунів з упорскуванням водяної пари і горінням частково перемішаної збідненої паливоповітряної суміші. Розроблена універсальна математична модель тривимірного хімічно реагуючого потоку, яка дає можливість прогнозувати вихідні температурні і екологічні характеристики камер згорання, що працюють на газоподібному паливі. Приведені результати верифікації моделі, які підтверджують її достовірність для широкого спектру робочих режимів. Запропонована методика числового експерименту. Отримані в ході розрахунків дані дозволили вдосконалити конструкції конкретних зразків низькоемісійних камер згорання. Доведена необхідність і можливість використання числового експерименту при проектуванні камер згорання газотурбінних двигунів.

Ключові слова: камера згорання, газотурбінний двигун, шкідливі викиди, числове моделювання, модель турбулентності, оксиди азоту.



АННОТАЦИЯ

Мостипаненко А.Б. Совершенствование характеристик низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей методами математического моделирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - Двигатели и энергетические установки. - Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2008.

Диссертация посвящена вопросам численного моделирования низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей.

Проведенный анализ отечественных и зарубежных литературных источников позволил установить основные способы подавления вредных выбросов и определить требования к современным низкоэмиссионным камерам сгорания газотурбинных двигателей.

Для исследований выбраны две конструктивные схемы низкоэмиссионных камер сгорания: с впрыском водяного пара и горением частично перемешанной обедненной топливовоздушной смеси.

Разработанная универсальная математическая модель трехмерных химически реагирующих потоков дает возможность прогнозировать выходные температурные и экологические характеристики камер сгорания, работающих на газообразном топливе.

Приведены результаты верификации модели, которые подтверждают ее достоверность для широкого спектра рабочих режимов низкоэмиссионных камер сгорания. Предложены и верифицированы эффективные кинетические механизмы окисления газообразного топлива, учитывающие частичное предварительное перемешивание топлива с воздухом, а также впрыск экологического и энергетического водяного пара.

Усовершенствована модель образования оксидов азота для низкотемпературных режимов горения метана в камерах сгорания ГТД. Выявлено, что для камер сгорания ГТД, в которых реализован принцип горения частично перемешанной обедненной топливовоздушной смеси c максимальной температурой, не превышающей 1900 К, существенную роль играет не только термический механизм образования оксидов азота, но и механизм их формирования через закись азота N2O (до 50 %). Предложена зависимость для определения концентраций атомарного кислорода в сечениях низкоэмиссионной газотурбинной камеры сгорания, позволяющая удовлетворительно прогнозировать эмиссию оксидов азота на низкотемпературных режимах работы камер.

Предложена методика численного эксперимента, позволяющая производить модернизацию существующих и разработку новых образцов низкоэмиссионных камер сгорания.

Полученные в ходе расчетов данные позволили усовершенствовать конструкции конкретных образцов низкоэмиссионных камер сгорания ГТД ДН-80 мощностью 25 МВт и ГТУ типа “Водолей” мощностью 16 МВт с впрыском экологического и энергетического водяного пара производства ГП НПКГ "Зоря""Машпроект" (г. Николаев).

Рациональная организация рабочего процесса в камерах сгорания ГТД ДН-80 и ГТУ типа «Водолей» обеспечит улучшение их выходных характеристик, а именно сокращение эмиссии оксидов азота, уменьшение неравномерности температурного поля в выходном сечении.

Разработанные практические рекомендации по совершенствованию низкоэмиссионных камер сгорания ГТД позволят увеличить ресурс жаровых труб, а, следовательно, и газотурбинных двигателей в целом, уменьшать количество воздух на охлаждение лопаток турбин, увеличивая тем самым КПД двигателя, создавать новые образцы конкурентоспособной на мировом рынке продукции, удовлетворяющей международным нормам на выбросы токсичных компонентов

Доказана необходимость и возможность применения численного эксперимента при проектировании камер сгорания газотурбинных двигателей.

Ключевые слова: камера сгорания, газотурбинный двигатель, вредные выбросы, численное моделирование, модель турбулентности, оксиды азота.



SUMMARY

Mostipanenko A.B. Characteristic improvement of gas turbine engines' low-emission combustion chambers by the methods of mathematical simulation. - Manuscript.

The dissertation for Candidate of Technical Sciences degree in speciality 05.05.03 - Engines and Power Plants. - Admiral Makarov's National University of Shipbuilding, Mykolayiv, 2008.

The dissertation is devoted to the questions of numerical simulation of low-emission combustion chambers of gas turbine engines with steam injection and burning of partially premixed lean fuel-air mixtures. The developed universal mathematical model of three-dimensional chemically reactive flows enables to forecast exit thermal and ecological characteristics of combustion chambers working on a gaseous fuels. The results of model's verification confirm its validity for the wide spectrum of operating conditions. The technique of numerical experiment is offered. Obtained information allowed to improve design of concrete low-emission combustion chambers. A necessity and possibility of numerical experiment application during gas turbine engine designing is well-proven.

Keywords: combustion: chamber, gas turbine engine, harmful emissions, numerical simulation, turbulence model, nitrogen oxides.

Размещено на Allbest.ru

...