Основы автоматизированного проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей

.

Для "богатых" смесей (a < 1,0) :

.

Приведенные балансовые уравнения позволяют определить изменение основных физических параметров по длине КС.

5.3 Модель сгорания топлива на основе "поверхностного" механизма распространения пламени

Процессы в камерах сгорания ГТД обеспечиваются непрерывной подачей топлива в первичную зону, испарением, смешением с воздухом, воспламенением смеси и дальнейшим ее догоранием в промежуточной зоне. Следовательно, при конструировании камер сгорания ГТД очень важно знать взаимосвязь между полнотой сгорания топлива, законом распределения воздуха по длине КС, а также режимными параметрами - давлением, температурой и расходом воздуха. Здесь предполагается, что зона горения подобна по своей структуре турбулентному фронту пламени в гомогенной горючей смеси. Характеристики процесса горения в этом случае зависят от величины отношения скорости распространения турбулентного пламени к скорости подачи горючей смеси в зону горения

С целью получения математической модели расчета, можно использовать теорию "поверхностного" распространения пламени в турбулентном потоке. Однако применение данной теории в КС наталкивается на ряд серьезных проблем, связанных с горением в основных камерах неоднородной смеси, а также с постепенным подводом вторичного воздуха по длине камеры.

Используемый зонный метод (разделение камеры по длине на ряд зон) и допущение, что в пределах каждой зоны приближенно происходит реагирование части топлива в виде однородной смеси паров топлива с воздухом, поступившим в каждую зону из предыдущего участка и воздуха из боковых отверстий жаровой трубы, позволяет избежать этих затруднений. На данном этапе принимается, что в радиальном направлении пары топлива и воздух смешиваются достаточно быстро и процесс смесеобразования не является лимитирующим (в той части воздуха, поперечных струй, успевшего смешаться со смесью за время пребывания на данном участке). В то же время состав смеси по длине камеры меняется ступенчато, от сечения к сечению каждой зоны, т.е. параметры на входе в i-й зоне являются параметрами на выходе из предыдущей (i-1)-й зоны газо-воздушного потока. .Фактически такое разделение объема жаровой трубы на n зон и учет доли воздуха поперечных струй, смешивающихся с газовым потоком означает применение квази-одномерной модели, которая позволяет проследить за изменением осредненных параметров потока и протеканием в них различных процессов в некоторый момент времени в осевом направлении(при предположении, что процессы смешения с поперечными струями оцениваются с помощью коэффициентов смешения m, зависящей от параметров поперечных струй и потока).

.Такой подход позволяет применить основы теории турбулентного распространения пламени в пределах одной зоны с учетом влияния смешения поперечных струй. Привлекательным в использовании теории турбулентного горения в расчетах КС является то, что параметры потока (интенсивность и масштаб турбулентности) позволяют дополнительно учитывать в расчетах влияние гидродинамических факторов на процессы сгорания смеси.

В теории турбулентного горения при трактовке процесса выгорания топлива рассматривается отдельный усредненный объем смеси, который иногда называют "молью" смеси.

Считается, что при полностью развившейся турбулентности и достаточно большом отношении пульсационной скорости к нормальной отдельные объемы свежей смеси могут оказаться отрезанными от начального искривленного фронта пламени. Горение свежего вещества этих молей будет происходить по поверхности с турбулентной скоростью, механизм распространения пламени в турбулентном потоке при этом принимается следующим: турбулентные пульсации потока выносят отдельные участки (моли) смеси во фронте пламени вперед в сторону свежей смеси. За время смешения направление пульсаций будет меняться, и пламя может перекинуться на один из соседних молей. Таким образом, распространение пламени обеспечивается эстафетным движением быстрейших точек. С этих позиций скорость распространения пламени в турбулентном потоке должна определяться как скоростью пульсаций, так и нормальной скоростью.

Рис.5.3. Схема горения объемов свежей смеси

По утверждению А.В. Талантова, в зоне горения "моль" сгорает с поверхности с определенной скоростью согласно схеме, показанной на рис.5.3При этом. за малый промежуток времени dt сгорает малый объем dV, равный площади осредненной поверхности моля радиусом l и скоростью :

.

Поделив это выражение на начальный объем

,

Получим

.

Из теории турбулентного распространения пламени известно, что текущий масштаб турбулентности определяется зависимостью

,

а скорость турбулентного горения "моля" с поверхности определяется формулой

. (4)

где W-пульсационная скорость.

lo--масштаб турбулентности потока,

Uн-нормальная скорость горения

Подставляя уравнения (3) и (4) в формулу (2), можно получить выражение для расчета полноты (доли) сгорания смеси паров топлива и воздуха:

,

где .

После интегрирования выражения (5) можно получить уравнение для расчета полноты сгорания

,

где t - время пребывания "моля" в пределах зоны горения ;

- время существования пульсации, где - масштаб и пульсационная скорость в расчетном сечении потока.

После подстановки этих параметров в уравнение (6) окончательно получим:

Из анализа приведенного аналитического выражения следует, что процесс сгорания зависит не только от кинетических факторов, за влияние которых отвечает нормальная скорость горения , но и учитывает гидродинамические условия, формирующиеся в потоке, что существенно повышает соответствие теоретических зависимостей реальным процессам.

5.4 Определение средней температуры потока газа в жаровой трубе

По известным законам тепловыделения и подвода вторичного воздуха можно определить среднюю по сечению температуру газов.

Средняя температура газа в i-м сечении может быть найдена из уравнения теплового баланса, в котором учитывается тепло , принесенное газом из предыдущей зоны; Q_вi, внесенное воздухом, поступающим в зону горения из боковых отверстий; Q_гi, подведенное к газу за счет сгорания части топлива в i-й зоне, и тепло , идущее на испарение жидкого топлива согласно схеме на рис5.4:

Рис5.4. Схема подвода тепла в зону горения

Отсюда получим:

,(8)

где T_гi - температура газа в i-м сечении;

T_к - температура воздуха на входе;

- расход воздуха и газа в i-м сечении;

- степень испарения топлива;

- расходы жидкого и парового топлива в соответствующих сечениях;

- теплоемкости газа и воздуха;

Нu - теплотворная способность топлива;

L_исп - теплота парообразования.

Особенностью расчета внутрикамерных процессов является также то, что при определении местных температур газа, имеющих в зоне горения достаточно высокие значения (Т_г > 2000), необходимо учитывать влияние диссоциации продуктов сгорания. Так как реакции диссоциации идут с поглощением тепла, то в результате температура газов будет значительно ниже, чем при отсутствии диссоциации.

Знание равновесных значений Т_г и составов смеси позволяет в дальнейшем рассчитать также и эмиссию токсичных веществ. [2]

5.5 Моделирование стабилизации пламени в камерах сгорания

Стабильный фронт пламени в потоке определяется границами срыва пламени, показывающие зависимость предельных значений коэффициентов избытка воздуха по "бедному" и "богатому" составам смеси при различных режимных параметрах на входе в КС, обычно расхода и скорости воздуха при разных давлениях и температуре.

На практике основное внимание обращается на "бедную" границу срыва пламени, так как эти границы представляют наибольший интерес с точки зрения устойчивой работы двигателя в целом. Экспериментально характеристики срыва пламени в КС определяются путем непрерывного уменьшения расхода топлива до угасания пламени и в момент предсрыва пламени регистрируются все параметры на входе.

В камерах сгорания на срыв пламени сильное влияние оказывают процессы смесеобразования, Из экспериментальных данных многих авторов следует, что в неоднородных по фазе смесях определяющим параметром являются местные составы смеси в области потока, где непосредственно происходит первичное воспламенение свежей смеси. Увеличение степени неоднородности подаваемой в зону горения топливовоздушной смеси способствует расширению диапазона устойчивой работы камеры благодаря наличию в неоднородных смесях локальных зон с лучшими для стабилизации пламени составами смеси (рис5.5). При этом наблюдается снижение максимально достижимой скорости потока, при которой возможна стабилизация пламени. Очевидно, что снижение W_max происходит вследствие теплоотвода из зоны циркуляции при испарении капельно-жидкого топлива. Причем чем больше неоднородность горючей смеси, тем сильнее происходит уменьшение W_max. С уменьшением снижается и количество тепла, которое передается из зоны обратных токов свежей топливовоздушной смеси. В конечном счете его оказывается недостаточно для ее воспламенения - происходит срыв пламени

Рис.5.5. Характеристики срыва пламени прямоточной КС при различных схемах смесеобразования: 1 - подача в КС гомогенной смеси; 2 - подача топлива с помощью топливовоздушной форсунки; 3, 4 - горение неоднородного по составу и фазе топлива

Известно, что при стабилизации пламени областью первичного воспламенения является слой смешения прямого тока с обратным током в лобовой части границы ЗОТ, где происходит смешение горячих продуктов сгорания из ЗОТ со свежей смесью. Следовательно, для создания модели стабилизации пламени в потоке неоднородной смеси и получения расчетных зависимостей срыва пламени в неоднородных смесях необходимо рассматривать различные условия, имеющиеся в ЗОТ и слое смешения. Необходимо отметить, что существует несколько теорий, позволяющих обобщить экспериментальные данные по стабилизации пламени, к ним можно отнести «контактную», «тепловую», модель «гомогенного реактора», и др.

На наш взгляд для обобщения данных по стабилизации пламени в неоднородных смесях наиболее подходящим является тепловая теория. На основе тепловой теории стабилизации горения [10] можно объяснить экспериментальные данные и получить зависимость для оценки пределов срыва пламени в КС при горении неоднородной смеси.

Использование тепловой теории позволяет раздельно рассматривать условия, существующие для стабилизации пламени в ЗОТ и слое смешения, где происходит первичное воспламенение смеси, что имеет существенное значение при горении неоднородной смеси. Необходимо отметить, что тепловая теория по своему конечному выражению совпадает с выражением, соответствующим контактной теории. При некоторых допущениях можно получить соответствие и с теорией гомогенного реактора. Аналитические зависимости для расчета пределов срыва пламени можно получить на основе теплового баланса в зоне обратных токов первичной зоне камеры сгорания.

Согласно тепловой теории стабилизации пламени критические условия срыва пламени наступают при равенстве потребного (в единицу времени) количества тепла для воспламенения свежей смеси q₁ и количества тепла, поступившему из вихревой зоны q₂:

q₁ = q₂,

откуда можно получить следующую критериальную зависимость:

,

где W - скорость потока;

U_н - нормальная скорость распространения пламени;

(Т_в - Т₀) - разность температур в зоне воспламенения и потока свежей смеси;

d_ЗОТ - характерный размер ЗОТ; a_м -коэффициент температуропроводности.

Особенностью горения неоднородных смесей является то, что переменные Т_з и Т_в могут иметь разные значения вследствие различных составов смеси в зоне обратных токов и слое смешения перед ней, поэтому в отличие от горения однородных смесей нельзя предполагать их равенство.

С другой стороны можно считать, что, при горении неоднородных смесей первичное воспламенение происходит в слое смешения, где имеются локальные составы, близкие к стехиометрическим ?_в ? 1,0, для которых известны соответствующие значения U_н0 и Т_в, причем Т_в ? Т_г. Тогда можно записать

Влияние температуры смеси и давления в потоке на стабилизацию пламени можно установить через влияние этих параметров на физические величины:

Согласно [7] для углеводородных топлив m = 1,8; к = 0,25; n = 1,75.

Тогда

Величины U_н0(?=1) , Т_г(?=1), a_м0 являются постоянными. Группируя переменные величины в одну сторону, получим:

.

Здесь переменной величиной в правой части данного выражения является разность (Т_ЗОТ - Т₀), которая зависит от состава смеси в зоне обратных токов a_ЗОТ, рассчитанной по испаренной части топлива:

Объединив все постоянные величины в один коэффициент С и выделив переменные, получим

Следовательно, при горении двухфазной смеси стабилизация пламени зависит не только от состава смеси в ЗОТ, но и от степени испарения жидкого топлива z_ЗОТ, полноты сгорания в ЗОТ h_ЗОТ и теплотворной способности топлива Hu. При работе камеры в области низких температур, малых скоростей и давлений существенное влияние на пределы срыва пламени оказывает степень испарения топлива и смешение его паров с воздухом.

С увеличением расхода воздуха через камеру G происходит улучшение смесеобразования вследствие улучшения распыливания и смешения, соответственно расширение пределов срыва пламени.

При дальнейшем увеличении расхода воздуха процессы испарения топлива и его выгорания в ЗОТ завершаются, и срыв пламени в основном определяется лишь температурой в ЗОТ, и границы устойчивого горения сужаются с ростом скорости потока, что характерно для горения однородной смеси.

Для КС рабочее выражение при оценке пределов срыва пламени удобнее представить в виде

,

где G_ЗОТ - расход воздуха через ЗОТ; V_ЗОТ - объем ЗОТ; z_ЗОТ, h_ЗОТ - испаренность и полнота сгорания топлива в ЗОТ; a_ЗОТ - состав смеси в ЗОТ.

Все исходные параметры можно найти по зависимостям, позволяющим определить распределение воздуха и топлива по длине жаровой трубе: можно принять, например G_ЗОТ = Gпз, V_ЗОТ =Vпз...

Необходимо отметить, что в зависимости от качества распыливания топлива параметры z и h_ЗОТ могут значительно меняться, и соответственно изменяется характер протекания срывных кривых, что и подтверждается экспериментальными данными.

Рассмотренный механизм стабилизации пламени в неоднородных смесях и полученные на их основе зависимости могут быть использованы в практических расчетах характеристик срыва пламени в КС.

Использование на практике предложенной нуль-мерной модели стабилизации пламени возможно следующим образом:

-проверка расчетных значений срывных пределов по коэффициенту избытка воздуха с рабочими значениями a_ЗГ в зоне горения КС

-для устойчивой работы камеры необходимо обеспечить условие a_ЗГ <a_{, срыв}

Приближенно a_{, срыв} можно определить из условия :

k_ср = ,

(без учета влияния z и h_ЗОТ )

где G_взг = F_згW_о - расход воздуха через зону горения, кг/с;

- объем первичной зоны, отвечающей за стабилизацию пламени, м³, n=0.5.

-в случае невыполнения указанного условия необходимо обеспечить уменьшение величины, k_ср путем уменьшения G_взг или увеличения .при данных P_к, ,Т_к^*.

6. Экология камер сгорания

6.1 Основные загрязняющие вещества

В настоящее время общепризнано, что загрязнение окружающей среды выбросами продуктов сгорания опасно. Применительно к авиационным газотурбинным двигателям важны два аспекта этой проблемы: 1) загрязнение городских территорий в окрестностях аэропортов и 2) загрязнение стратосферы. Измерения свидетельствуют о том, что лишь около половины всего загрязнения среды в аэропортах создается самолетами, тогда как остальное автомобилями. Однако, по мере того как контроль за выбросами от автомобилей становится все более эффективным, неконтролируемые выбросы от двигателей самолетов могут превратиться в основной источник загрязнения.

Дым представляет собой наиболее очевидный загрязнитель, свойственный газотурбинным двигателям, поскольку его можно видеть невооруженным глазом. Другими загрязняющими веществами, с которыми следует считаться, являются окись углерода (СО), несгоревшие углеводороды (UHC), окислы азота (NO_x) и окислы серы (SO_x). Выбросы дыма, включающие твердые частицы, нежелательны, так как снижают прозрачность атмосферы; кроме того, высказывались предположения, что частицы дыма (сажи) могут содержать канцерогенные вещества.

Несгоревшие углеводороды являются основным источником неприятного запаха, преобладающего в аэропортах и их окрестностях. Оксиды серы (в основном SO₂ и SO₃) образуются в результате реакций между содержащими серу компонентами топлива и кислородом воздуха в камере сгорания. Окислы серы токсичны, вызывают коррозию и могут приводить к образованию капель серной кислоты. Так как практически вся содержащаяся в топливе сера окисляется до SO_x, единственный эффективный метод снижения выбросов SO_x -- очистка топлива от серы в процессе рафинирования.

По-видимому, наибольшую опасность для стратосферы представляют следующие выбросы от двигателей:

1. Водяной пар и двуокись углерода -- из-за опасности возникновения в атмосфере «парникового эффекта».

2. Соединения серы, вызывающие образование в атмосфере твердых частиц, которые не пропускают солнечное излучение.

3. Окислы азота -- из-за опасности разрушить озонный слой в атмосфере, что привело бы к увеличению ультрафиолетовой радиации на поверхности земли.

Первая проблема в настоящее время не считается заслуживающей внимания. Вторая проблема может быть решена, как уже указывалось, очисткой топлива от серы. Остается проблема окислов азота и их реагирования в атмосфере с озоном. Кинетический механизм этого процесса может быть представлен следующим образом:

Первая реакция отражает процесс исчезновения озона, а вторая -- процесс воспроизводства NO, благодаря которому молекулы окиси азота могут вновь и вновь вступать в реакцию с молекулами озона.

Насколько этот механизм важен для стратосферного озона и отражательной способности планеты Земля, пока еще неясно. Но именно вследствие такого пробела в наших сегодняшних знаниях снижение уровня выбросов NOx является и останется в ближайшем будущем важной задачей при конструировании перспективных авиационных двигателей. [3]

6.2 Механизмы образования загрязняющих веществ

Окислы азота. Камерами сгорания выбрасываются в основном окись азота NO и двуокись азота NO₂. Эти окислы взаимодействуют в присутствии углеводородов под действием солнечного света с образованием бурого смога. При сжигании традиционных топлив NO образуется в основном в результате окисления азота воздуха и в наиболее высокотемпературных областях камер сгорания. При этом принято выделять три основных механизма:

- термический (механизм Зельдовича) - непосредственное окисление азота кислородом в высокотемпературных зонах;

- «быстрый» - через реакции N₂ с углеводородными радикалами;

- N₂O механизм - через реакции с образованием N₂O как промежуточного вещества.

В традиционных камерах сгорания с раздельной подачей топлива и воздуха основная часть химических процессов протекает в областях с околостехиометрическим составом (диффузионный режим горения). При этом основная часть NO_х (до 88 %) образуется по термическому механизму (механизму Зельдовича). Большую часть в окислах азота обычно составляет окись азота NO. Образование NO происходит в соответствии с цепным механизмом Зельдовича:

O₂ => 2O

O + N₂ => NO + N

N + O₂ => NO + O.

Процесс образования окиси азота эндотермичен и присходит с заметной скоростью только при температурах выше 1800К, поэтому NO образуется только в горячих зонах и достигает максимальной концентрации на режимах работы двигателя с наибольшей мощностью.

Установлено, что выброс NOx экспоненциально возрастает с повышение температуры пламени согласно соотношению NOx?exp(0.009T) и линейно возрастает с повышением времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпературных зонах.

Окись углерода. Окись углерода образуется как промежуточное вещество в процессе окисления углеродосодержащих топлив. Превращение СО в СО₂ практически полностью определяется элементарной реакцией:

СО + ОН > СО₂ + Н.

Так как эта реакция является единственной, определяющей превращение СО в СО₂, то можно сделать вывод о том, что весь углерод, первоначально содержащийся в топливе, превращается в СО₂. Отсюда следует, что борьба с выбросами СО сводится не к предотвращению образования этого вещества, а к проблеме завершения реакции его окисления.

Несгоревшие углеводороды. Основной причиной выбросов С_хН_у является неполное сгорание топлива, что связано в основном с относительно низким качеством перемешивания топлива, воздуха и продуктов сгорания. Для завершения реакции в период контакта топлива и воздуха температура газа должна быть достаточно высокой. На практике снижение уровня эмиссии органических веществ и рост полноты сгорания достигается путем повышения эффективности перемешивания и увеличением времени пребывания смеси в зоне горения.

Окислы серы. Данные вещества образуются после реакции сернистых соединений, содержащихся в топливе, с кислородом. Отложение сернистых солей и образование серной кислоты на металлических поверхностях порождают серьезную проблему коррозии камеры сгорания. Так как практически вся содержащаяся в топливе сера окисляется до SO_x, то единственный эффективный метод снижения выбросов этих окислов - очистка топлива от серы в процессе рафинирования. [1]

6.3 Методы уменьшения выбросов загрязняющих веществ

Окись углерода. Различные меры, обеспечивающие снижение выхода СО, сводятся к следующему:

1. Улучшение распыливания топлива с целью ускорить процесс испарения топлива и способствовать созданию гомогенной горючей смеси. Обычно лучшее распыливание обеспечивают пневматические форсунки, если есть отдельный источник сжатого воздуха, альтернативным подходом может быть применение воздушного потока на входе в КС для улучшения распыливания при малых расходах топлива соответственно при малых давлениях подачи топлива .

2. Перераспределение воздуха с тем, чтобы сделать величину б в зоне горения ближе к оптимальной.

3. Увеличение объема первичной зоны и времени пребывания в ней.

4. Уменьшение расхода воздуха на пленочное охлаждение жаровой трубы. Этот воздух, выходя из первичной зоны, обычно содержит СО и UHC в больших концентрациях, и если эти компоненты не будут по пути вовлечены в центральное ядро горячего газа, где будут иметь достаточно времени, чтобы полностью сгореть, то они сохранятся в выхлопе.

Поэтому снижение расхода воздуха в пристеночной завесе посредством организации более эффективного охлаждения стенок в первичной зоне (или даже путем применения жаровых труб из керамики) положительно сказывается на уменьшении выхода СО.

5. Перепуск воздуха из компрессора на режимах малой тяги (мощности). При этом выход СО снижается благодаря увеличению отношения топливо/воздух и температуры в первичной зоне.

6. Переключение подвода топлива на меньшее число форсунок или же применение двухканальных форсунок. Это снижает выход СО благодаря улучшению распыливания топлива за счет повышения давления топлива и снижению величины б до стехиометрии в зонах горения (за оставшимися форсунками).

Все рассмотренные способы снижения выхода СО основаны на общих принципах, предусматривающих повышение уровня полноты сгорания топлива, поскольку неполное сгорание топлива на режимах малого газа сопровождается значительными выбросами СО и UHC.

Окислы азота. Можно рекомендовать следующие практические приемы для снижения выбросов NOx из камер сгорания ГТД традиционного типа:

1. «Бедная» первичная зона. В прошлом головную часть камеры конструировали таким образом, чтобы смесь в ней была стехиометрической или несколько более бедной с целью минимизировать размеры камеры и облегчить воспламенение смеси при запуске.

Добавление воздуха в первичную зону для снижения температуры пламени обеспечило бы значительное уменьшение выхода NOx. Однако уменьшение температуры пламени в первичной зоне способствует увеличению выхода СО и UHC, а также сужает пределы «бедного» срыва пламени.

Следовательно, применение этого направления снижения выброса NOx, ограничены неустойчивостью горения.

2. «Богатая» первичная зона. Избыток топлива, так же как и избыток воздуха, снижает температуру пламени и, следовательно, выход NOx. Здесь проблема состоит в том, что «богатые» продукты сгорания необходимо быстро провести через состояние стехиометрии и обеспечить быстрое сгорание избытка топлива и требуемые температурные условия на входе в турбину.

Проблема состоит в том, что скорость перевода продуктов горения из «богатого» состояния в «бедное» лимитируется тем, что за соответствующее время пребывания избыток топлива должен догореть, не выделяя при этом дополнительного NOx.

3. Гомогенизация горения. Улучшение перемешивания топлива и воздуха до горения посредством лучшего распыливания и распределения топлива и увеличения перепада давления на жаровой трубе обеспечивает более однородное распределение состава смеси и равномерной температуру пламени в зоне горения.

Если это осуществляется при стехиометрии, то выход NOx возрастает, но в случае «бедной» первичной зоны выброс NOx может быть значительно снижен.

4. Уменьшенное время пребывания. Выброс NOx может быть снижен, если уменьшить время, в течение которого газ находится при высокой температуре. Этого можно достигнуть путем увеличения скорости потока или же уменьшением длины высокотемпературных зон.

5. Впрыск воды. Так как образование NOx сильно зависит от температуры, то разбавление топливовоздушной смеси низкотемпературным инертным или негорючим веществом должно снижать выход NOx.

Впрыск воды или водяного пара существенно снижает температуру продуктов сгорания в зоне горения, однако чрезмерное подача воды в зону горения может привести к нежелательным явлениям: росту выбросов СО и углеводородов, снижению полноты сгорания и коородированию элементов двигателя.

6. Циркуляция продуктов сгорания. Еще одним инертным разбавителем, имеющимся в избытке, являются сами продукты сгорания. Но для того, чтобы эффективно снижать выход NOx, они должны возвращаться в первичную зону охлажденными за счет многократной рецеркуляции газа. Применение этого метода позволяет существенно уменьшить образование NOх, но в ряде случаев ценой увеличения выброса СО.

Другим недостатком метода с рециркуляцией продуктов сгорания является необходимость увеличения размеров, веса и сложности конструкции камеры сгорания.

6.4 Единицы измерения и нормирование выбросов

В авиационных ГТД в качестве единиц измерения являются индексы эмиссии, определяемые по формуле для окислов азота:

[г/кгЧт],

где = 46,008 - молекулярный вес NO_x;

m--=--29 - молекулярный вес выхлопных газов;

k - концентрация окислов азота в р.р.м.(аналогично определяются и другие компоненты вредных выбросов СО и UHC).

В отличие от авиационных ГТД единицы измерения вредных выбросов в стационарных ГТУ основаны на определении концентрации вещества в единице объема

В англоязычных странах это, как правило, "ррm. V" - объемная концентрация газа на миллионную часть объема газовой смеси, в состав которой входит этот газ (обычно индекс V не указывают).

В большинстве европейских стран - это мг/нм3 - количество вещества в мг отнесенное к "нормальному" кубометру выхлопных газов, т.е. приведенному к О °С и 0,1013 МПа. Иногда пользуются объемным процентом

Соотношения единиц между собой



7. Проектирование КС

7.1 Этапы проектирования КС

Облик КС выбирается, как правило, на базе имеющегося прототипа с учетом традиций и накопленного опыта предприятия, его технологической и производственной базы, сроков создания. За прототип может быть выбрана ранее спроектированная КС с известными характеристиками, наиболее близко отвечающая предъявляемым требованиям. Следует отметить, что создание КС с нужными характеристиками, надежно работающей в течение заданного ресурса, требует проведения значительного объема экспериментально-доводочных работ, как на экспериментальных установках, так и в системе двигателя. Это также заставляет при проектировании новых КС стремиться в максимальной степени использования опыта создания и доводки предшествующих образцов. Здесь очень полезными могут быть достаточно простые модели, позволяющие оперативно проводить многовариантные расчеты с целью получения оптимального облика камеры сгорания.

Исходные данные для проектирования КС:

· общие требования к двигателю и его узлам;

· специальные требования к КС;

· результаты термодинамического расчета двигателя на режимах условного цикла взлетно-посадочных операций в соответствии со стандартом ИКАО;

· характеристики воздушного потока на входе в КС;

· экстремальные соотношения «топливо/воздух» на режиме приемистости и сброса газа;

· требования к величине отборов воздуха из КС;

Для определения основных размеров КС выполняется проектировочный расчет, который базируется на основных положениях теории рабочего процесса и практическом опыте, накопленном при создании камер сгорания ГТД.

Объем жаровой трубы определяется из условия обеспечения заданной полноты сгорания и максимально допустимого значения теплонапряженности жаровой трубы.

При выборе объема жаровой трубы необходимо учесть следующее.

Во-первых, объем жаровой трубы определяет время пребывания продуктов сгорания при высоких температурах в КС, что, в свою очередь, влияет на выбросы вредных веществ. Известно, что с целью уменьшения выбросов NО_Х необходимо уменьшать время пребывания продуктов сгорания при работе на максимальном режиме, т.е. уменьшать объем жаровой трубы.

Во-вторых, для обеспечения работы КС на режиме малого газа, низких выбросов СО и НС и обеспечения высотного розжига требуется увеличение объема жаровой трубы, т.к. на этих режимах резко снижается полнота сгорания и увеличивается критерий форсирования К_v. Окончательный объем жаровой трубы определяется путем нескольких последовательных расчетов, конструкторских проработок и проведения экспериментов на модельных установках, включающих имитацию высотных режимов.

После определения потребного объема жаровой трубы и характерных ее размеров выполняется «термо-аэродинамическое проектирование», цель которого обеспечить:

· безотрывность течения воздуха в диффузоре;

· оптимальное распределение воздуха в межтрубном пространстве или кольцевых каналах;

· обеспечения величины заданных потерь давления;

· оптимальное распределение подвода воздуха в жаровую трубу по ее длине с точки зрения организации процесса горения обеспечивающего высокую полноту сгорания топлива, норм на выбросы вредных веществ и формирование требуемой радиальной эпюры температур газа на выходе.

Весь воздух, поступающий в жаровую трубу, можно условно разделить на отдельные характерные составляющие: на воздух во фронтовое устройство(ФУ), в зону горения, в зону смешения и на охлаждение стенок жаровой трубы.

Решение задачи по распределению воздуха между ФУ и основными отверстиями зоны горения сводится к отысканию компромиссного варианта, при котором обеспечиваются максимальная однородность ТВС, надежность запуска и устойчивость горения во всем диапазоне работы двигателя.

Противоречие между этими требованиям заключается в том, что, с одной стороны, увеличение расхода воздуха через ФУ способствует лучшему смешению и образованию более однородной ТВС, с другой стороны, это приводит к росту скорости потока в головной части жаровой трубы, что ухудшает условия розжига и сужает область устойчивого горения.

В каждом конкретном случае распределение воздуха между ФУ и основными отверстиями выбирается либо по аналогии с ближайшим прототипом, либо на основании имеющихся литературных данных или собственного опыта проектанта и окончательно подтверждается экспериментом.

Оставшийся воздух делится между системой охлаждения и зоной смешения. Достигнутый уровень моделирования внутрикамерных процессов позволяет в настоящее время более целенаправленно проводить расчет облик камеры сгорания и предсказывать ее характеристики.

Тепловые расчеты позволяют определить необходимый уровень температур стенки жаровой части для заданного временного и циклического ресурсов с учетом критериев эффективности и экономичности охлаждения при наиболее неблагоприятном сочетании внешних факторов. [4]

7.2 Использование моделей внутри камерных процессов при проектировании

Сложность внутри камерных процессов обусловлена большим количеством разнообразных физических явлений, определяющих параметры камеры сгорания ГТД. Существенное влияние оказывает пространственная неоднородность распределения топлива, вызванная взаимодействием закрученных топливовоздушных потоков со струями вторичного воздуха. В настоящее время у большинства исследователей сложилось мнение, что получение точного прогноза в таких сложных явлениях возможно только при использовании сложных моделей. Модели данного класса достаточно широко представлены на современном рынке в виде универсальных и специализированных САЕ - систем, позволяющих проводить анализ сложных трехмерных газодинамических процессов с химическими реакциями. В то же время сложность указанных систем не позволяет обеспечивать оптимизацию различных конструкций, т.е. не предназначены для решения прямой задачи проектирования - построения конструктивного облика КС.

При создании и доводке камер сгорания важно иметь достаточно простые модели, позволяющие оперативно принимать решения по конструктивному оформлению элементов камеры сгорания и определять её выходные характеристики. В то же время существующие подходы по моделированию внутри камерных процессов, основанные на полуэмпирических критериальных зависимостях в настоящее время являются недостаточными для принятия эффективных решений. Существуют разные подходы по созданию и использованию на практике моделей различной сложности. Для рационального использования моделей в практической деятельности необходима классификация моделей камер сгорания и разделения задач, выполняемых с помощью этих моделей. В работе [1] представлена примерная классификация моделей камер сгорания, состоящая из 4-х уровней сложности. На начальном этапе проектирования камер сгорания применялись простые модели, основанные на критериях, полученных из рассмотрения камеры сгорания как «черного ящика» К ним можно отнести модели 1-го уровня сложности. Использование модели 1-го уровня сложности, позволяет приближенно прогнозировать границы срыва пламени, полноту сгорания в зависимости от объёма жаровой трубы. Этот подход позволяет оценить необходимые габариты камеры сгорания, полноту сгорания и устойчивость пламени за фронтовым устройством.

Рис.7.1.. Схема математической модели 1-го уровня сложности

В данной схеме математической модели (рис.7.1) рассматривается лишь связь между входными U и выходными Z параметрами. В качестве такой модели может быть использована, например, модель гомогенного реактора, широко применяемая при оценке выходных характеристик по известным значениям параметров на входе. Эта ниша по праву принадлежит более простым моделям, которые по общепринятой классификации относятся к моделям II и III уровня сложности. Модели II и III уровня сложности обеспечивают возможность проведения многопараметрической оптимизации с целью поиска наилучшей геометрии, распределения подвода воздуха и топлива и др(рис 2.0).

Рис 7.2.

Здесь на входе в камеру имеются следующие параметры: расход топлива- Gт, расход воздуха через фронтовое устройство- Gфр, давление и температура на входе -Рк, Тк, расход воздуха через периферийные отверстия жаровой трубы- Gi. на выходе можно определить: значения полноты и температуры продуктов сгорания, неравномерность полей температур и уровни вредных выбросов.

Однако для получения достоверных данных с помощью моделей II и III уровня сложности необходимы эмпирические данные. В этом заключается, по-видимому, основной недостаток моделей данного класса. Замена используемого эмпирического материала к более универсальным зависимостям, неизбежно приведет к значительному усложнению модели, зачастую неоправданному. Поэтому целесообразно проводить исследования по созданию упрощенных моделей камер сгорания, которые могут обеспечить более оперативное прогнозирование характеристик в зависимости от их конструктивного исполнения, распределения воздуха, а также от вида топлива и способов её подачи и распределения в пространстве жаровой трубы.

7.3 Особенности проектирования КС с применением многоуровневого моделирования процессов

В настоящее время с появлением компьютерного моделирования различных физических процессов, в том числе и в камерах сгорания появляется возможность существенного сокращения проектировочных работ, как на стадии определения термодинамических характеристик так и при конструктивном оформлении камеры сгорания. Поэтому является целесообразным рассмотрение взаимодействия отдельных элементов проектирования с использованием многуровневого моделирования при создании и доводке камер сгорания. Следует отметить, что наряду с существующими в мировой практике различными моделями каждая проектная организация использует свои, наиболее приспособленные к данным условиям программы, позволяющие более оперативно работать при проектировании узлов ГТД, в том числе и камер сгорания.

С целью создания системы автоматизированной доводки камер сгорания газотурбинных двигателей, получения и анализа характеристик процессов, протекающих в них, на кафедре авиационных двигателей и энергоустановок Казанского государственного технического университета имени А.Н. Туполева была разработана программа «Камера» сертификат№…

Программа позволяет анализировать характеристики камеры сгорания , в том числе и эмиссионные выбросы (NOx и СО), также влияние распределения воздуха по тракту жаровой трубы на характеристики горения, влияние входных параметров, таких как температура, полное давление, скорость на входе в КС, расходы топлива и воздуха.

Анализ работы камеры сгорания удобно проводить, исследуя зависимости, (эмиссия NOx, CO, полноты сгорания з, температура продуктов сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха в камере бк, и др.) Зависимости строятся при различных режимных и конструктивных параметрах на входе.

Перед построением графиков задаются T*_к и Р*_к, расходы воздуха и топлива, тип и свойства топлива_; задаются геометрия камеры сгорания, распределение площадей отверстий в жаровой трубе, количество и характеристики форсунок, характеристики завихрителей и т.д. Важнейшим фактором, влияющим на процессы в камере, является количество и расположение поясов подвода воздуха, а также распределение подводимого воздуха по поясам.

Также программа отображает графики полноты сгорания, температуры, коэффициента избытка воздуха и другие параметры, изменяющиеся вдоль тракта жаровой трубы. Для лучшего понимания внутрикамерных процессов представляется также облик исследуемой камеры сгорания и цветовая карта распределения температур газового потока в жаровой трубе.

Рассмотрим схему этапов проектирования камер сгорания на основе моделей различного уровня сложности.

Рис.7 3. Схема проектирования камеры сгорания

На рис 7.3 изображена схема, в которой показана роль многоуровневого моделирования в процессе проектирования камеры сгорания.

Видно, что уже на стадии формирования облика камеры сгорания требуется использование моделей, в дальнейшем это позволяет оперативно получить интегральные характеристики: зависимости полноты сгорания, устойчивости горения эмиссии токсичных веществ от режима работы КС. Это существенно облегчает дальнейшую оптимизацию отдельных ее узлов: диффузора фронтового устройства, жаровой трубы, распределения воздуха

В программу одномерного моделирования заносятся исходные данные, полученные при расчете двигателя, на основе которых формируется облик КС. Результаты моделирования сравниваются с известными экспериментальными данными, на основе которых подбираются уточняющие коэффициенты модели с целью идентификации с экспериментом.

Далее для данных требований в одномерную модель заносятся исходные данные (расходы воздуха и топлива, температура, скорость и т.д).

Для создания геометрии камеры сгорания в программе «камера» требуется определить основные размеры КС в проектировочном расчете. Также для создания геометрии КС потребуется выбранный объем жаровой трубы.

После того, как одномерная модель была создана, требуется оптимально распределить подачу воздуха в жаровую трубу. Распределение воздуха выполняется с целью достижения удовлетворительных эмиссионных характеристик, и достижения требуемой полноты сгорания.

Далее на основе полученной одномерной модели КС с распределенным воздухом создается 3D модель камеры сгорания, которая используется в качестве исходных данных для проведения газодинамического и прочностного анализа созданной конструкции.

Одной из самых популярных программ для газодинамического исследования является пакет прикладных программ Fluent. Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном свойств.

Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов.

Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы тепло-массопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их адаптации к получаемому решению.

Для достижения необходимой точности расчетов, исследуемую область требуется разбивать на огромное число конечных трехмерных элементов, в результате чего процесс расчета может длиться от нескольких часов до нескольких дней.

По этой причине расчет нескольких вариантов конструктивных решений в пакете Fluent может оказаться затруднительным либо неприемлемым вследствие требований по срокам исполнения.

Предлагаемая схема проектирования КС позволяет сократить время на разработку КС путем сокращения количества просчитываемых вариантов конструкции в пакете Fluent.

При проектировке любого изделия существуют две основные схемы внесения изменений в изделие и работы над ним: последовательная и параллельная.

Рис7.4. Последовательная схема разработки изделий

Гораздо более эффективной схемой разработки является использование технологии параллельной разработки, которая подразумевает одновременную работу над различными частями одного общего изделия коллективом разработчиков.

Данная технология наиболее успешно реализована в концепции мастер-модели (мастер-геометрии) (рис.7.5).

Рис.7 5. Параллельная схема разработки изделий

Концепция мастер-модели позволяет отделить «вторичные» данные, такие как чертежная информация, информация прочностного анализа, программы для станков с ЧПУ и т.д, от основной геометрии изделия. [5]

Очевидно, что представленная на рис7.5 схема является общей для всех типов изделий. В соответствии со схемой на рис.7 3 и применительно только к камере сгорания ГТД предлагается следующая параллельная схема разработки камеры сгорания.

Здесь предусмотрена возможность использования результатов расчета характеристик КС в одномерном моделировании с целью оперативной оптимизации конструктивного облика и последующего уточнения элементов конструкции.



Рис.7 6. Параллельная схема разработки изделий с использованием многоуровневого моделирования.

В данной схеме проектирования предлагается проведение проектирования камеры сгорания на основе многоуровневого моделирования, что предусматривает возможность оперативной корректировки конструктивных элементов камеры сгорания с помощью одномерной модели, проверки соответствия характеристик обновленного облика КС требованиям ТУ затем уточняющий расчет с помощью двухмерных и трехмерных пакетов. Такой подход позволить применить многовариантность расчетов при определении оптимальной конструкции камеры сгорания в соответствии с назначением.

Начальным этапом конструирования является определение первоначального облика КС, в качестве которого может быть принят один из прототипов из числа существующих конструкций или же приближенный облик камеры сгорания, найденный на основе газодинамического расчета проточной части и безразмерных соотношений геометрических параметров. полученных из статистических данных.

8. Определение облика камеры сгорания на основе газодинамических расчетов проточной части КС и статистических данных прототипов

Методика инженерного расчета камер сгорания ГТД основывается на теоретических положениях, разработанных при изучении отдельных физических явлений, из которых складывается рабочий процесс.

Сложность явлений, протекающих в камере при ее работе, заставляет в ряде случаев прибегать к упрощающим предположениям, использовать статистические данные предыдущего опыта проектирования.

Инженерный расчет КС состоит из двух основных этапов: конструкторского и поверочного.

Конструкторский расчет производится при проектировании новой КС. Из теплового расчета двигателя определяют параметры на входе в КС, из общей компоновки двигателя - тип и габаритные размеры.

Целью конструкторского расчета является получение конструктивного облика КС, который включает основные размеры диффузора, профиль проточной части камеры, количество и размеры отверстий на стенках жаровой трубы и другие конструктивные параметры.

При поверочном расчете определяются параметры потока при заданной геометрии КС с целью оптимизации конструкции жаровой трубы.

В задачу поверочного расчета входит также оптимизация распределения воздуха по длине жаровой трубы и расчет распределения параметров газового потока - температуры, скорости, состава газа, степени испарения топлива, полноты сгорания.

8.1 Проектировочный расчет облика камеры сгорания

1. Определяются параметры рабочего тела на входе в КС: - давление за компрессором, Па; - температура за компрессором, К; G_к - расход воздуха за компрессором, кг/с; - температура газа перед турбиной, К.

2. По известному значению , задавшись полнотой сгорания и осредненными значениями теплоемкости воздуха и газа, определяется общий коэффициент избытка воздуха в КС:

,

где с_рв, с_рг - средние теплоемкости воздуха и газа при постоянном давлении; с_рг = 1,16596 кДж/кгК; с_рв=1,005 кДж/кгК; Hu - низшая теплотворная способность (для метана Hu = 50000, для керосина Hu = 43000); h?? полнота сгорания (принимаем h = 0,98).

3. Потребный расход топлива через камеру, кг/с:

,

гдеG_охл - относительный расход воздуха на охлаждение турбины; обычно принимают G_охл = 0,05.

8.2 Определение входных и выходных геометрических параметров камеры сгорания

1. Площадь на входе в диффузор КС, м², определяют по параметрам компрессора:

,

где W_к = 100150 м/с - скорость воздуха за компрессором;

[кг/м³] - плотность воздуха;

;

; 287 Дж/кгК;

- приведенная скорость за компрессором.

2. Наружный диаметр кольцевого канала на выходе из компрессора, м:

.

3. Средний диаметр компрессора, м:

,

где втулочное соотношение последней ступени компрессора = 0,8 0,9.

4. Высота лопатки соплового аппарата компрессора (высота кольцевого канала на входе в диффузор), м:

.

5. Параметры на входе в турбину.

Площадь на входе в турбину, м²:

,

где G_г =Gв+GT- расход газа через турбину;

W_г - скорость на выходе из камеры сгорания; рекомендуемое значение W_г = 180 200 м/с;

Плотность на входе в турбину, кг/м³:

,

где , , ; Р_г, - давления статическое и торможения, Па; Т_г,, Т температуры статическое и торможения , К; (_г), (_г)-газодинамические параметры определяемые по газодинамическим таблицам, s_к.с - коэффициент потерь давления в камере сгорания; рекомендуемое значение s_к.с = 0,98;

Приведенная скорость на выходе из камеры сгорания:

.

6. Наружный диаметр камеры на входе в сопловой аппарат турбины, м:

,?

гдеd_вт = 0,7 0,8.

7. Внутренний и средний диаметры на входе в сопловой аппарат турбины, соответственно, м:

,

,

высота лопаток соплового аппарата:

.

8.3 Расчет геометрических параметров диффузора

1. Степень расширения диффузора на безотрывном участке:

,

где L_д - длина безотрывной части диффузора; рекомендуемые значения относительной длины безотрывной части диффузора L_д/h_к = 1,5 2,5.

2. Площадь на выходе из безотрывного участка диффузора, м²:

F₁ = F_кn_д,

...