Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Жизненная необходимость решения современных проблем экологии, ресурсосбережения, переработки и рационального использования органического топлива делает особо актуальными целенаправленную организации и оперативное управление технологических процессов смешения реагентов, экономичного и экологичного сжигания топлива на основе научного совмещения существующих достижений и результатов новых исследований целевых вопросов молекулярной физики, многообразия химических реакций образования и восстановления токсичных веществ, аэротермодинамики процессов горения.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является изучение струйных процессов в камерах смешения и сгорания как важной части указанной глобальной проблеми- и разработка методов расчета трехмерных струя.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ. При взаимодействии струй, распространяющихся под углом друг к другу (слившиеся струи) или к потоку (сносимые струи), происходит значительное перестроение всего поля течения. Возникающие в сносимых и слившихся струях механизмы турбулентного и конвективного переноса массы, импульса и тепла обусловливают широкие возможности их использования для:
эффективной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени и сжигания топлива в камерах сгорания газовых и парогазовых турбин, топок и печей;
аэродинамических и тепловых завес, защиты стенок от шлакования или других вредных воздействий (коррозия металлов и т.п.);
создания восстановительных сред с целью,например, повышения белизны цементного клинкера;
снижения и выравнивания температуры продуктов сгорания перед газовыми турбинами авиационных и судовых двигателей и энергетических установок или на выходе из топочной камеры мощных парогенераторов;
подавления образования и восстановления окислов азота при сжигании топлива
и решения других актуальных задач теплоэнергетики, металлургической теплотехники,промышленной теплоэнергетики и химической
технологии.
Поэтому настоящая диссертационная работа посвящена анализу и обобщение результатов экспериментального исследования закономерностей развития и смешения одиночных и системы сносимых и ели вшихся струй различной начальной формы и разработки методов их расчета применительно к оптимальной организации процессов смешения в камерах сгорания газовых и парогазовых турбин и газов рециркуляции в верху топочной камеры мощных парогенераторов тепловых электростанций и обжига клинкера во вращающихся цементных пе чах, полученных диссертантом совместно с научным руководителем кандидатской диссертации Игорем Борисовичем Палатником, аспирантами Адилбековым М.А.,Нугумановым A.M..Белидовским Ю.Б.,Даукее-вым Г.Ж.,Сакиповым К.Е. и другими соавторами, а также обширных литературных материалов Г.Н.Абрамовича, Т.А.Гиршович, Ю.В.Иванова, Б.й.Миткалинного и других авторов по данному направлению.
Математическая трудность изучения турбулентных сносимых и слившихся струй усложняется их трехмерностью. Трехмерна и обычне затопленная струя прямоугольной начальной формы. Поэтому ПЕРВОЙ ЗАДАЧЕЙ исследования трехмерных струй является анализ и обобщен результатов экспериментальных и расчетных данных прямоточных струй прямоугольной начальной формы с различным соотношением стс рон.
ВТОРОЙ ЗАДАЧЕЙ диссертационной работы является анализ и обе бщение результатов экспериментальных и расчетных данных по pa3Bt тию и смешению сносимых струй различной начальной формы.
При взаимодействии сносимых струй образуются слившиеся ctpj Поэтому ТРЕТЬЕЙ ЗАДАЧЕЙ является анализ и обобщение результатов исследования распространения слившейся струи, образованной соудЕ рением двух струй различной начальной формы на различных расстоя ниях под различными углами друг к другу в неподвижной среде и в сносящем потоке.
Рабочий процесс камер смешения и сгорания строится на взаимодействии системы струй. Поэтому ЧЕТВЕРТОЙ ЗАДАЧЕЙ является из) чение закономерностей распространения системы струй в канале ра: личной формы и разработка методики расчета оптимального смесите; камер сгорания газовых турбин и ввода газов рециркуляции для защиты экранов от шлакования экранных поверхностей топочных камер.
ПЯТОЙ ЗАДАЧЕЙ является экспериментальное исследование и определение возможностей струйной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени и горения на примере разработки газовых регулируемых горелок вращающихся цементных печей.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Проведены экспериментальные и расчетные исследования и установлены закономерности развития и смешения одиночных и системы трехмерных турбулентных струй различной начальное формы, распространяющихся прямоточно и под различными углами друг к другу и однородному безграничному и ограниченному каналом различной формы сносящему потоку.
На этой основе разработаны методы расчета и проведены модельные, факельные, опытно-промышленные и натурные испытания смесителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин, аэродинамических звсдоз газов рециркуляции в верх топочной камеры мощных парогенераторов, газовых регулируемых горелок вращающихся цементных печей. Результаты их внедрены в производство в виде справочного материала, руководящих указаний по проектированию и конкретных топочных и горелочных устройств на уровне изобретений и значительным экономическим эффектом.
Установлен эффект трансформации турбулентной трехмерной затопленной струи прямоугольной начальной формы з осесикметричное течение.
Показано, что при соударении двух одинаковых струй различной начальной формы на различных расстояниях в диапазонах изменений угла встречи 30-=-90 и интенсивности турбулентности 0,025*0,1 на участке их начального слияния устанавливается постоянное значение аксиальной составляющей интенсивности турбулентности, равное 0,10 + 0,02 от местной скорости. Протяженность этого участка гиперболически падает с ростом угла встречи между струями.
Показано, что наибольшее значение интенсивности нарастания массовых расходов сносимой струи приходится к значениям о^0 =90 и о=3. Интенсивность турбулентности во встречных слившихся струях в потоке растет с ростом ог0 й о не уменьшением расстояния между ними и больше, чем в слившихся струях в неподвижной среде.
Показано, что струи одинакового размера при соударении не пересекаются и образуют слившуюся струю с свойствами, аналогичными затопленной струе.
Установлены значения множителя пропорциональности между глубиной проникновения системы периферийных струй и определяющими ее параметрами в зависимости от схемы их вводов в однородный и закрученный потоки и формы канала.
Показано, что лучшее качество смешения периферийных сносимых струй достигается при глубине их проникновения до центра ограниченного однородного потока, что согласуется с рядом литературных данных, и относительном шаге струй более двух. То же для случая закрученного в канале потока имеет место при направлении струй навстречу к главному вектору скорости закрученного потока.
Качество смешения жестких периферийных струй в неподвижной среде предельно высокое и не зависит от числа струй в ряду. А качество смешения газовой струи, подаваемой в зону смешения поперечных жестких струй, улучшается с увеличением их числа и при П=10 достигает качества смешения системы жестких струй.
Показаны широкие возможности струйных процессов смесеобразования, стабилизации пламени, регулирования длины факела и обеспечения устойчивости горения при изменении коэффициента воздуха от 0,5 до 6.
Показана возможность применения метода эквивалентной задачи теории теплопроводности к расчету полей скорости" и температуры прямоугольной затопленной струи, слившейся струи и аэродинамики топочной камеры на параллельных плоских струях.
Получены формулы направления слившейся струи и значения .импульса возвратной струи, возникающих при соударении двух геометрически одинаковых, но разных по соотношению начальных импульсов струй под разными углами друг к другу.
Показана возможность локального описания аэродинамики камеры сгорания струйного типа методом струи-источника.
Получена полуэмпирическая формула выравнивания температурного поля оптимального смесителя камер сгорания газовых турбин.
Получены уравнения траектории, дальнобойности, расхода, аэродинамических сил, коэффициента аэродинамического сопротивления и приближенной оценки внешнего контура сносимой струи.
Показана возможность локального представления полей скорости и температуры одиночной и ограниченной системы сносимых струй в виде известной формулы Г.Шлихтинга.
Получены эмпирические формулы полей температуры, концентраций горючих компонент и кислорода в продуктах сгорания газовых регулируемых горелок. Определены характеристики перехода сырьевого материала з клинкер серого и белого цемента в зависимости от параметров газового регулируемого факела в условиях опытно-промышленных и натурного (для производства белого цемента) испытаний.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Практическая ценность результатов диссертационной работы определяется широким диапазоном возможностей струйной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени_и горения, достаточным для обеспечения применения результатов работы в различных устройствах и аппаратах - смесители камер сгорания, топочные камеры, горелки, химические реакторы и др.
Методика расчета смесителей камер сгорания ГТД внедрена на заводе "Экономайзер" /222/.*;
Методика расчета газов рециркуляции внедрена в справочные материалы /I7V и руководящие указания по проектированию топок с твердым шлакоудалением /32/ и на Назаровскои ГРЭС /27U/.
Конструкция газовой регулируемой горелки с восстановительной средой (ГРГ-2) внедрена на Сас-Тюбинском цемзаводе по производству белого цемента /292/.
Отдельные результаты работы включены в монографию Л.А.Вули-са и В.П.Кашкарова "Теория струй вязкой жидкости" (М.:Наука,1965. - с.431, см.с.325-330), в пособие для дипломного проектирования Г.М.Горбунова: "Выбор параметров и расчет основных камер сгорания ГТД" (М.:МАИ, 1972.-230с,см.с.60,61,68-70), в учебник Ю.М. Пчелкина: "Камеры сгорания газотурбинных двигателей" (М.: Машиностроение, 1984.-280с,см.с. 129-І30) и др.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы поэтапно докладывались и обсуждались на научном совете "Теплофизика" АН СССР в Москве (1976г.), Всесоюзных НТК по
Sy) В автореферате сохранены те же номера ссылок на работы соискателя,приведенные в конце автореферата,уравнений и рисунков как в диссертации.
теории и практике сжигания газа в Ленинграде (1968г.),"Теплообмен в парогенераторах" в Новосибирске (1938г.); по проадной аэродинамике в Киеве (1973г.); втором межотраслевом совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течениР в Таллинне (1976г.); шестом Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву в Алмати (1930г.); пятоі? и шестоР Казахстанских межвузовских научных конференциях по математике и механике в Алматы (1974,1977г.г.); НТК КазПТИ (1972-1974гг.) и АЗИ (1975-1995гг.); НТС "Вопросы сжигания КАУ в мощных парогенераторах" в Красноярске (1973,1978гг.); семинар кафедр МАИ, ЛекВВМИУ, КазГУ.ЛПИ; совещаниях ВТИ.ЦКТИ.ТКЗ, ЗиО; на международное конференции: "Проблемы энергетики Казахстана" в Павлодаре (1994г.) и др.
ОСНОВНАЯ ИДЕЯ диссертации заключается в экспериментальном обосновании широких потенциальных научных и прикладных возможностей закономерностей развития трехмерных струй,
ОСНОВНОЙ ВКЛАД автора диссертации:состоит: а) в постановке задачи; б) в организации и участии в реализации комплексного исследования струйных процессов в камерах смешения и сгорания в лабораторных, факельных, опытно-промышленных и натурных условиях; в) в анализе, обобщении и математическом описании результатов эксперимента; г) в разработке смесителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин, аэродинамических вводов газов рециркуляции в верх топочноР камеры мощных энергоблоков и газовых регулируемых горелок на уровне изобретений и методики их расчета; д) в организации внедрения результатов исследований в производство со значительным экономическим эффектом и в учебный процесс.
СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ научных положений и результатов исследований обеспечена широким диапазоном изменения определяющих параметров; детальным изучением полей скорости, температуры, статического давления и интенсивности турбулентности; применением современной измерительной аппаратуры и строгим соблюдением требований по эксплуатации; регулярным контролем режимов эксперимента; оценкой ошибок измерений и принятием специальных мер по достижению необходимой точности эксперимента; проверкой выполнения законов сохранения энтальпии и потока импульса струи, предельных переходов, повторяемости результатов, принципов моделирования; сравнением полученных результатов с известными литературными данными.