В главе 6 проведен анализ технологий малоэмиссионного горения. В разделе 6.1 рассматривается технология «богато-бедного» горения, реализованная в камере сгорания № 3. В рамках данной технологии топливо и воздух поступают в первичную зону камеры сгорания, где формируют «богатую» топливовоздушную смесь - коэффициент избытка воздуха меньше 1. Из-за недостатка кислорода окисление топлива происходит не полностью, поэтому уровень средней температуры в «богатой» зоне относительно низок. Также низка концентрация атомарного кислорода. Затем продукты сгорания «богатой» смеси проступают в зону разбавления или зону «замораживания» химических реакций, где происходит быстрое смешение их с воздухом. В дальнейшем смесь продуктов сгорания попадает в зону «бедного» горения ( >1), где догорает при низких температурах. Применение технологии «богато-бедного» горения приводит к тому, что скорость реакции образования оксида азота в обеих зонах относительно невелика и, как следствие, можно достичь низкого уровня эмиссии NO.

При проведении серии расчетов варьировалась величина коэффициента избытка воздуха в «богатой» первичной зоны камеры сгорания . Результаты расчетов (табл. 4), проведенных для режима с параметрами 20,07 кгс/см², =720 К, б=2,51, показывают, что при изменении с 0,6 до 0,4 можно достичь снижения эмиссии оксида азота почти в 2,5 раза.

Таблица 4 - Результаты расчетов с вариацией .

Однако необходимо отметить, что при значениях = 0,4 зона возвратных токов в камере сгорания практически не формируется из-за небольшого расхода через завихритель - порядка 9% от общего расхода воздуха через камеру. При = 0,4 зона горения удлиняется по направлению к выходу из камеры сгорания, продукты реакции полностью не сгорают, что приводит к уменьшению температуры на выходе из камеры сгорания.

При проведении численного исследования с применением вместо отверстий зоны разбавления абстрактного «идеального» смесителя (распределенного источника воздуха в зоне смешения) выявлено, что эффективность смешения воздуха с продуктами сгорания в зоне разбавления не оказывает существенного влияния на уровень эмиссии оксида азота, так как его образование происходит в основном в зоне «богатого» горения. Образование оксида азота в зоне «богатого» горения обусловлено возникновением стехиометрических зон при перемешивании топлива и воздуха, подаваемого через завихритель и систему охлаждения. Применение конвективной системы охлаждения (без сброса воздуха) в зоне «богатого» горения позволяет снизить уровень эмиссии NO в 2 раза (табл. 5).

Таблица 5 - Результаты расчетов эмиссии NO для камеры сгорания с конвективно-пленочной и конвективной системой охлаждения жаровой трубы при =0,40.

В разделе 6.2 рассматривается технология малоэмиссионного горения, основанная на подаче водяного пара в камеру сгорания. Для исследования потенциала технологии впрыска по снижению уровня эмиссии NO были проведены расчеты с изменением объемной доли пара на входе в камеру сгорания. Согласно данным, представленным в табл. 6, с увеличением уровень эмиссии NO непрерывно падает, достигая значения 5,75 ppm при =0,07. Снижение скорости реакции образования оксида азота обусловлено снижением температуры в камере сгорания. Изменение химического состава продуктов сгорания, вследствие присутствия воды, влияет на уровень эмиссии оксида азота в меньшей степени. При увеличении , вследствие низких температур, происходит растяжение зоны реакции по длине камере сгорания. Поэтому не хватает времени пребывания для завершения реакции преобразования CO в CO₂, что приводит к увеличению уровня эмиссии оксида углерода.

Таблица 6 - Результаты расчетов уровня средней температуры и эмиссии.

В табл. 7 приведены данные по уровню эмиссии оксида азота с изменением давления в сравнении с «сухим» вариантом. Параметр характеризует уровень снижения выбросов оксида азота по сравнению с «сухим» вариантом.

Таблица 7 - Результаты расчетов уровня эмиссии NO.

Из таблицы 7 видно, что температуры на выходе из камеры сгорания для «сухого» и «мокрого» вариантов меняются незначительно, следовательно, при подаче пара обеспечивается такая же полнота сгорания, что и в «сухом» случае. Наибольшее снижение уровня эмиссии NO - более чем в 5 раз достигается на режиме 1.

Тенденция снижения уровня эмиссии NO при использовании жидкого топлива иная, чем для метана. Например, при =0,01 снижение эмиссии составляет 24,08% против 30,87% для метана. Эта тенденция также сохраняется и при увеличении . Уменьшение концентрации оксида азота достигается за счет изменения уровня температуры - максимальная температура уменьшилась с 2608 до 2540 К для =0.

В разделе 6.3 описывается технология малоэмиссионного горения с использованием в качестве топлива синтез-газа (рис. 10). Катализатор применяется для получения синтез-газа путем разложения исходного топлива - природного газа CH₄. Основными составляющими синтез-газа являются моноксид углерода CO и водород H₂, в качестве инертной добавки присутствует азот N₂ . Также в состав синтез-газа может входить метан, доля которого меняется в зависимости от степени конверсии. Принцип работы системы малоэмиссионного каталитического горения, рассматриваемый в данной работе, состоит в следующем: воздух хорошо перемешивается с топливом для получения однородной смеси на входе в катализатор. Подача воздуха осуществляется таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха изменялся в пределах от 0,23 до 0,28. Данные пределы обусловлены тем, что обогащение смеси приводит к прекращению каталитической реакции, а обеднение к ее более быстрому протеканию и разогреву катализатора. Полученный синтез-газ подается в камеру сгорания, где сгорает в смеси с воздухом, подающимся непосредственно из компрессора.

В результате проведенных расчетов получено, что технология, основанная на применении синтез-газа, позволяет достичь снижения уровня эмиссии NO на 37,7%. Необходимо отметить, что при проведении расчета, камеры сгорания, использующей в качестве топлива метан, производилась раздельная подача топлива и окислителя, то есть имело место диффузионное горение в первичной зоне. Поэтому снижение уровня эмиссии оксида азота скорее всего связано с подачей на вход завихрителя гомогенного состава синтез-газа и снижения при этом объема зон, ответственных за образование NO.

Рис. 10 - Принципиальная схема системы малоэмиссионного горения энергоустановки с применением синтез-газа.

При применении комбинированной технологии, основанной на подаче в камеру сгорания синтез-газа и водяного пара при =0,01 можно достичь снижения уровня эмиссии NO до 28,3% от «сухого» варианта.

В разделе 6.4 рассматривается применение технологии «бедного» малоэмиссионного горения. Суть технологии «бедного» малоэмиссионного горения состоит в организации процесса сжигания топлива при поддержании значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне 1. В данной работе рассматриваются методы, основанные на диффузионном горении, а также на организации горения заранее перемешанной топливовоздушной «бедной» смеси (LPP). Моделирование процесса горения заранее перемешанной смеси было произведено с использованием модели тонкого фронта пламени в приближении горения частично перемешанной смеси (Flamefront).

Применение технологии «бедного» диффузионного горения дает значительное снижение уровня эмиссии оксида азота (в 3 раза) по сравнению с исходным вариантом камеры сгорания (табл. 7). При этом обеспечивается необходимая полнота сгорания топлива. Основным источником образования оксида азота в данной камере сгорания, как и во всех камерах сгорания диффузионного типа, является околостехиометрическая зона.

Также была исследована камера сгорания, использующая комбинированную технологию «бедного» горения и впрыска водяного пара. Для режима с =1,50 производилась подача водяного пара вместе с воздухом. Объемная доля водяного пара составляла 0,03. Полученные результаты показывают, что за счет снижения температуры в зоне горения падает скорость реакции образования оксида азота, что приводит к снижению объемной доли NO на выходе из камеры сгорания в 1,5 раза.

Было проведено исследование процесса образования оксида азота в камере сгорания, работающей по принципу технологии «бедного» горения заранее перемешанной топливовоздушной смеси (табл. 8). Снижение концентрации NO в продуктах сгорания достигается путем уменьшения температуры горения заранее перемешанной смеси при увеличении значения коэффициента избытка воздуха. Также получено, что на режимах, характеризующихся <1,50, наблюдается стабилизация пламени в зоне смешения завихрителя. При работе камеры сгорания на «низких» режимах наблюдается дестабилизация пламени (рис. 11).

Таблица 8 - Результаты расчетов камеры сгорания с применением технологии «бедного» горения.

Была рассмотрена возможность применения синтез-газа для стабилизации пламени на «низких» режимах работы камеры сгорания. Получено, что на режиме работы с =8,07 кгс/см² наблюдается дестабилизация пламени. При этом возрастает величина пульсаций температуры в первичной зоне по сравнению с камерой сгорания, в которой используется метано-воздушная смесь.

Рассмотрена схема двухзонной организации процесса горения, применяемая для стабилизации горения «бедных» топливовоздушных смесей (рис. 12). В камере сгорания организуется диффузионная «дежурная» зона, поддерживающая процесс горения в гомогенной «бедной» зоне. Через основные отверстия подается заранее перемешанная ТВС и в газосборнике формируется зона «бедного» горения.

Для решения проблемы стабилизации пламени на «низких» режимах предложен алгоритм распределения топлива по зонам в зависимости от режима работы двигателя (табл. 9).

Рис. 11 - Поле температуры при дестабилизации пламени. = 3,17.

Рис. 12 - Схема камеры сгорания с организацией двухзонного горения.

Таблица 9 - Изменение коэффициента избытка воздуха б и уровня эмиссии оксида азота в зависимости от режима работы камеры сгорания.

В разделе 6.5 проведено сравнение исследованных технологий малоэмиссионного горения по достижимому уровню эмиссии оксида азота (табл. 9).

Таблица 9 - Сравнение технологий малоэмиссионного горения.

В приложении дано описание практической реализации методологии математического моделирования физико-химических процессов в камере сгорания для расчета уровня эмиссии оксида азота.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для решения задачи расчета уровня эмиссии оксида азота камерой сгорания газотурбинного двигателей разработана универсальная методология расчета. Методология позволяет определить уровень эмиссии оксида азота для камер сгорания, использующих газообразное топливо - метан или жидкое - керосин. Методология включает в себя рекомендации по использованию моделей турбулентности, горения, радиационного теплообмена и образования оксида азота, а также разработанных в рамках данной работы дополнительных программ, позволяющих рассчитать уровень эмиссии оксида азотас высокой точностью независимо от типа камеры сгорания и режима работы.

2. Выполнено комплексное исследование процесса образования оксида азота в камере сгорания газотурбинного двигателя c использованием известных моделей горения. По результатам исследования сделаны следующие основные выводы:

2.1. Основной вклад в уровень эмиссии оксида азота - до 99,8% вносит «термический» механизм Зельдовича. Доля оксидов азота, образующихся по «быстрому» механизму и расходуемая по механизму «дожигания» незначительна.

2.2. Для корректного предсказания уровня эмиссии оксида азота необходимо правильно рассчитать концентрацию радикалов O и OH, а также уровень температуры в околостехиометрических зонах.

2.3. Точное предсказание уровня температуры и концентраций O и OH в околостехиометрической зоне можно получить с использованием модели тонкого фронта пламени для диффузионного горения (Flamelet) и горения частично перемешанной смеси (Flamefront).

2.4. Для корректного описания процесса горения в камерах сгорания с дежурной и гомогенной зонами рекомендуется использовать модель тонкого фронта пламени для заранее перемешанной смеси с формулой Лю-Циглера-Ленце для расчета скорости распространения фронта пламени в турбулентном потоке.

2.5. Для проведения расчетов рекомендуется использовать k- RNG и k- RSM модели турбулентности в зависимости от режима работы двигателя.

2.6. При расчете уровня эмиссии оксида азота необходимо учитывать процесс радиационного теплообмена. Процесс радиационного теплообмена влияет на эмиссию NO путем оттока тепла из высокотемпературных зон и изменения состава продуктов сгорания в этих зонах.

2.7. В камерах сгорания, использующих в качестве топлива авиационный керосин, существенное влияние на баланс радиационных тепловых потоков оказывает присутствующая в первичной зоне камеры сгорания сажа, изменяющая радиационные свойства среды.

2.8. Для моделирования процесса горения метана рекомендуется использовать кинетический механизм KEE, состоящий из 20 компонентов и 42 обратимых реакций.

2.9. Для моделирования процесса горения керосина рекомендуется использовать детальный кинетический механизм окисления n-гептана, состоящий из 41 компоненты и 175 реакций.

3. Для улучшения характеристик известных «стандартных» моделей турбулентного горения в плане расчета уровней эмиссии NO, CO и поля температуры на выходе из камеры сгорания создан класс «гибридных» моделей горения.

4. Для моделирования структуры диффузионного и гомогенного фронтов пламени и их дестабилизации создан класс «комбинированных» моделей турбулентного горения, которые основываются на модифицированных выражениях для расчета скорости распространения фронта пламени. Эти модели были применены для моделирования процесса дестабилизации гомогенного фронта пламени за плохообтекаемым телом, а также гомогенного и диффузионного фронтов пламени в двухзонной камере сгорания. Получено хорошее согласование с данными эксперимента по величине коэффициента избытка воздуха, при которой происходит бедный срыв для диффузионного и гомогенного фронтов. Также удалось улучшить количественное предсказание концентраций продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания.

5. Выполнено численное исследование процесса образования оксида азота в камерах сгорания, использующих технологии малоэмиссионного горения для снижения уровня эмиссии NО: «богато-бедное» горение, подача водяного пара, использование в качестве топлива синтез-газа, диффузионное «бедное» горение, «бедное» горение заранее перемешанной топливовоздушной смеси, а также их комбинации. По результатам исследования выявлено:

5.1. Наибольшим потенциалом по снижению уровня эмиссии оксида обладает технология «бедного» горения заранее перемешанной смеси с последовательным расположением зон. Эту технологию можно рекомендовать для реализации в камерах сгорания наземных газотурбинных установок.

5.2. Для камер сгорания авиационного типа рекомендуется использовать технологии «богато-бедного» и «бедного» диффузионного горения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Куценко Ю.Г. “Влияние состава продуктов сгорания на радиационное охлаждение зоны горения в камере сгорания ГТД при сжигании метана” в журнале “Известия вузов. Авиационная техника”, 2000 г., № 3., стр. 38-44.

2. Куценко Ю.Г. “Математическое моделирование процесса радиационного теплообмена в камерах сгорания газотурбинных двигателей” тезисы к докладу на всероссийской научной конференции “Физико-химические проблемы сжигания углеводородных топлив”, Россия, Москва, 20-22 мая 1998 г., стр. 58-59.

3. Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. “Применение методов вычислительной газовой динамики для моделирования процессов течения многокомпонентного потока газа, горения и теплообмена в камере сгорания газотурбинного двигателя”, в сборнике тезисов к докладу на IV всероссийской научно-технической конференции ”Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей”, Самара, 9-10 октября 2002 г., стр. 91-93.

4. Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. “Математическое моделирование процесса образования оксида азота в камерах сгорания авиационных двигателей и энергоустановок”, тезисы к докладу на V всероссийской научно-технической конференции ”Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей”, Самара, 5-7 октября 2004 г., стр. 82-93.

5. Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. “Оптимизация камеры сгорания газотурбинного двигателя для снижения выбросов оксида азота с использованием методов вычислительной газовой динамики”, тезисы к докладу на V всероссийской научно-технической конференции ”Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей”, Самара, 5-7 октября 2004 г., стр. 94-104.

6. Августинович В.Г., Куценко Ю.Г., Сипатов А.М., Усанин М.В. “Математическое моделирование малоэмиссионных камер сгорания” тезисы к докладу на 49 научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, 10-12 сентября 2002 г.

7. Ю.Г. Куценко, С.Ф. Онегин, А.М. Сипатов, М.В. Усанин, Л.Ю. Гомзиков. ”Применение методов вычислительной газовой динамики для расчета и оптимизации камер сгорания” тезисы к докладу на 50 научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, Санкт-Петербург, 17-18 июня 2003 г.

8. Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. “Применение методов вычислительной газовой динамики для моделирования процессов течения многокомпонентного потока газа, горения и теплообмена в камере сгорания газотурбинного двигателя” в журнале “Вестник самарского государственного аэрокосмического университета”, 2002 г., № 2., стр. 60-64.

9. I.G. Koutsenko, S.F. Onegin, A.M. Sipatov. «Application of CFD-based analysis technique for design and optimization of gas turbine combustors», ASME paper GT-2004-53398, труды конференции ASME Turbo Expo 2004, Вена, 14-16 июня 2004 г.

10. I.G. Koutsenko, S.F. Onegin. «Application of CFD-based analysis tool to the PS-90A/A2 combustors to achieve low NO emission level», AIAA-2004-3878 paper, труды конференции 40^th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauderdaly, Florida, July 11-14, 2004

11. Ю.Г. Куценко. «Применение методов вычислительной газовой динамики для оценки эффективности технологии подавления образования оксида азота путем подачи водяного пара в камеру сгорания», в сборнике тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей», г. Казань, 23-27 мая 2005 г., стр. 17-18.

12. Ю.Г. Куценко. «Применение методов вычислительной газовой динамики для исследования потенциальных возможностей технологии «богато-бедного» горения по снижению уровня эмиссии оксида азота», в сборнике тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей», г. Казань, 23-27 мая 2005 г., стр. 19-20.

13. Н.А. Андрюков, А.В. Медведев, Л.Ю. Гомзиков, Ю.Г. Куценко. «Применение численных методов газовой динамики для анализа процесса образования оксида азота и выбора конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя», в сборнике тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей», г. Казань, 23-27 мая 2005 г., стр. 21-22.

14. Л.Ю. Гомзиков, Ю.Г. Куценко. «Решение задачи расчета скорости распространения фронта ламинарного пламени», в сборнике тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей», г. Казань, 23-27 мая 2005 г., стр. 23-24.

15. Ю.Г. Куценко, Н.А. Андрюков «Применение методов вычислительной газовой динамики для анализа процесса образования оксида азота и оптимизации конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя», в сборнике трудов I научно-технического семинара по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ, г. Москва, 14-16 декабря 2004 г., стр. 22.

16. Куценко Ю.Г. «Численное исследование технологий малоэмиссионного горения для снижения уровня выбросов оксида азота газотурбинной установкой» в сборнике трудов всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2005», г. Пермь, 22-24 июня 2005 г., стр. 90.

17. Куценко Ю.Г. «Применение численных методов газовой динамики для расчета камеры сгорания газотурбинного двигателя ПС-90А» в журнале “Известия вузов. Авиационная техника”, 2004 г., № 3., стр. 67-71.

18. Куценко Ю.Г. «Численное исследование факторов, влияющих на образование оксида азота в камерах сгорания газотурбинных двигателей» в журнале “Известия вузов. Авиационная техника”, 2004 г., № 4., стр. 68-70.

19. Yu. G. Koutsenko. «Simulation of nitric oxide formation in gas turbine combustor» в сборнике трудов Второго Международного Симпозиума по неравновесным процессам, горению и атмосферным явлениям, г. Сочи, 2005 г., стр. 156-165.

20. Ю. Г. Куценко. «Сравнительный анализ технологий малоэмиссионного сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя» в сборнике трудов II международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», г. Москва, 2005 г., том 2, стр. 22.

21. Yu.G. Kutsenko, S.F. Onegin «Development and application of CFD-based analysis methodology to evaluate efficiency of low NOx combustion technologies», ASME paper GT-2006-90530, труды конференции ASME Turbo Expo 2006, Барселона, 2006 г.

22. Ю.Г. Куценко. «Численные исследования предельно достижимых уровней эмиссии оксида азота при использовании технологии богато-бедного горения в камере сгорания ГТД» в журнале «Известия вузов. Авиационная техника», 2006 , № 1, стр. 1-3.

23. Гомзиков Л.Ю., Куценко Ю.Г. «Разработка программы для определения скорости распространения фронта ламинарного пламени и состава продуктов сгорания», в сборнике тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара, 21-23 июня 2006 г., стр. 76-77.

24. Куценко Ю.Г. «Разработка комбинированной модели турбулентного горения и ее применение для моделирования процесса образования оксида углерода», в сборнике тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара, 21-23 июня 2006 г., стр. 77-78.

25. Куценко Ю.Г. «Моделирование процесса образования оксида углерода с использованием комбинированной модели турбулентного горения», Вестник ИжГТУ, 2006, № 3 (31), стр. 23-26.

26. Ю.Г. Куценко, С.Ф. Онегин. «Применение методов вычислительной газовой динамики для выбора конструкции камеры сгорания с наименьшим уровнем эмиссии оксида азота», Вестник СГАУ, 2006, № 1 (9), стр. 106-121.

27. Ю.Г. Куценко «Численные методы оценки эмиссионных характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей», изд-во УрО РАН, Екатеринбург-Пермь, 2006 г., ISBN 5-7691-1770-2.

28. Yu.G. Kutsenko, S.F. Onegin, L.Y. Gomzikov. «Modeling approach for lean blowout phenomenon», ASME paper GT-2007-27699, труды конференции ASME Turbo Expo 2007, Монреаль, 2007 г.

29. Yu.G. Kutsenko, S.F. Onegin, L.Y. Gomzikov. «Modeling of turbulent combustion process and lean blow out using combined approach», ASME paper GT-2008-50289, труды конференции ASME Turbo Expo 2008, Берлин, 2008 г.

30. Yu. G. Kutsenko «A combined turbulent combustion model in studying a lean flameout process» в журнале «Russian Aeronautics», 2009, том 52, № 2, стр. 208-213.

31. Ю.Г. Куценко «Комбинированная модель турбулентного горения в исследовании процесса бедного срыва пламени» в журнале «Известия вузов. Авиационная техника», 2009, № 2, стр. 50-53.

32. Yu.G. Kutsenko, A.A. Inozemtsev, L.Y. Gomzikov. «Modeling of turbulent combustion process and lean blowout using combined approach», ASME paper GT2009-60131, труды конференции ASME Turbo Expo 2009, Орландо, 2009 г.

Размещено на Allbest.ru