Введение к работе
Актуальность работы. В нефтяной и газовой промышленности, энергетике, стройиндустрии и транспортной технике широко применяются топли-восжигающие устройства (ТСУ), от совершенства конструкции и эффективности их эксплуатации зависят рациональность использования жидких и газообразных энергоресурсов и экологичность многочисленных технологий и, соответственно, окружающей среды.
Газовые турбины прочно заняли позиции в авиации, системах газоперекачивающих станций магистральных газопроводов и энергетики для покрытия пиковых нагрузок. Успешное внедрение газотурбинных двигателей (ГТД) идет на водном транспорте и отмечается перспективность применения их в колесных и гусеничных машинах. Интерес к транспортным ГТД возрос с новыми требованиями к двигателям: повышение габаритной мощности, возможности использования все ухудшающихся видов топлива, уменьшение трудоемкости обслуживания, выполнения ужесточающихся норм по токсичности выбросов и др.
Камера сгорания, является одним из основных узлов ГТД и ее экономичность, надежность, токсичность и многотопливность практически полностью определяют аналогичные показатели двигателя.
Традиционные камеры сгорания ГТД с центробежными форсунками подошли к пределу своего совершенствования и жестко накладываемые современные требования к камерам привели к поиску новых принципов организации сжигания топлива и отказу от дальнейшего повышения температуры в зоне горения с целью увеличения теплонапряженности рабочего объема камеры.
Вместе с тем, использованию камер сгорания ГТД, разработанных на эснове новых схем организации горения жидкого топлива препятствуют :ерьезные трудности:
каталитические камеры имеют малый ресурс, увеличенные осевые га-Зариты камеры сгорания чувствительны к составу топлива и перед запуском необходим прогрев каталитической решетки до температуры активации;
гомогенные камеры имеют узкий диапазон устойчивой работы и опасность теплового разрушения топливоиспарительных трубок, так как они на-содятся в зоне горения;
двухступенчатые камеры сгорания увеличивают габаритные размеры ївигателя;
многофорсуночные камеры имеют сложный подвод топлива и повы-иенные гидравлические потери.
Серьезные проблемы возникли в нефтяной промышленности РК, например, только на месторождениях "Кумколь" и "Прорва" ежегодно в атмосферу іьібрасьіваются (в тоннах): 15.000 - СО, 200 -NOx, более 3000 - СпНга и 17 -Ю2, так как в известных факельных горелках не обеспечивается организо-
4 ванное сжигание попутных нефтяных газов (ПНГ), т.к. они нестабильны н по расходу, ни по компонентному составу. Создание факельных горелої обеспечивающих стабильное горение в условиях воздействия ветра, пере менных расходах и колебаниях состава попутных нефтяных газов с понг женными вредными выбросами, потребовали также пересмотра традициоі ных схем.
Решение вышеперечисленных проблем возможно достижением прс дольно-поперечного секционирования зоны горения, что позволит создат стабильные условия для осуществления процесса в широком диапазоне и: менения производительности по жидкому и газообразному топливу при зш чительном колебании его состава.
Ранее известные топливосжигающие устройства на газообразном тош ве с микрофакельными горелками показали значительные их преимуществе низкие гидравлические потери, пониженную неравномерность температурне го поля на выходе, увеличение ресурса камеры, уменьшение габаритов каме сгорания и удобной их компановки, возможность стабильной работы при пе ременных значениях коэффициента избытка воздуха, низкая токсичност продуктов сгорания при высоких форсировках огневой зоны.
Поэтому исследование научных основ и принципов реализации микре факельного горения в конкретных технических устройствах, использующи жидкие топлива или ПНГ открывают новые возможности улучшения техш-ко-экономических и экологических показателей топливосжигающих уст ройств в различных отраслях хозяйства и определяет актуальность работы.
Цель работы. Разработка научно-обоснованной методологии создани новых и совершенствование действующих топливосжигающих устройств н основе организации микрофакельного горения с улучшенными технике экономическими и экологическими показателями, стабильно работающих широком диапазоне изменения производительности и состава жидкого и ге зообразного топлива, методов их расчета и проектирования, а также опытне промышленная апробация и реализация эффективных конструкций в прс мышленность.
В соответствии с поставленной целью, достижение которой связано изучением сложных процессов химического превращения, теплообмена, а; родинамических явлений решались следующие задачи:
разработать и исследовать конструктивные схемы эффективных мик рофакельных систем для камер сгорания ГТД на различных видах топлива;
провести экспериментальные исследования камер сгорания с микрофа кельными фронтовыми устройствами (МФФУ) и изучить особенности изме нения характеристик камер сгорания от режимных параметров;-
исследовать конструктивные и аэродинамические режимные парамет ры на стабилизацию процесса горения за микрофакельными устройствами обеспечением минимизации гидравлических потерь;
разработать методологию выбора конструкции микрофакельного уст ройства (МФУ), обеспечивающих эффективное сжигание различного вид топлива;
разработать методику расчета камеры сгорания ГТД с микрофакель-іьіми фронтовыми устройствами;
разработать и исследовать конструктивные схемы микрофакельных го-зелок для сжигания нефтяных попутных газов;
определить влияние геометрических и аэродинамических параметров чзрелки на эффективность сжигания ПНГ в микрофакелыюй горелке.
Основная идея и внутреннее единство работы. Основополагающей ідеей диссертационной работы является разработка топливосжигающих уст-гайств с микрофакельным горением с улучшенными технико-ікономическими и экологическими параметрами, стабильно работающих в нироком диапазоне изменения производительности и значительных колеба-шях состава жидкого и газообразного топлива.
Полученные в работе научные результаты по гидро- и аэродинамике, те-[ло- и массообмену, распределению температуры в зоне горения за микро-эакельными устройствами, механизму образованию токсичных газов и дру-ие явились основой для обоснования выбора рациональных режимных и инструктивных параметров, разработки методики расчета, практических ре-омендаций по проектированию и эксплуатации промышленных топливос-сигающих устройств с микрофакельными горением.
Научная новизна. На основе научных и экспериментальных исследова-
ий создана методология разработки и расчета конструкций высокоэффек-
ивных микрофакельных систем сжигания жидкого и газообразного топлива
выбора рациональных режимных параметров эксплуатации топливосжи-
ающих устройств.
При этом впервые:
показано, что комплексное использование явлений самоорганизации и жекции, принципа продольно-поперечного секционирования для осуществ-ения процесса горения позволит прогнозировать разработку нового класса икрофакельных топливосжигающих устройств с широким диапазоном эф-ективной работы;
раскрыта физическая картина образования гомогенной системы, дви-ения ее по каналам лопаток и сопел, на основе которой выявлены условия та автономности работы дискретно расположенных источников горения и ша оценка равномерности подачи топливовоздушной смеси (ТВС), позволите определить оптимальные радиальные шаги размещения микрофаке-зв;
выявлены закономерности стабилизации факела горения и формирова-ія наружного профиля пламени, исходя из которых аналитически получено завнение для расчета степени загроможденное сечения топливосжигаю-их устройств;
введен коэффициент микрофакельности горения, устанавливающий аимосвязь между уровнями полноты сгорания топлива, степени неравно-фности температурного поля на выходе из камеры сгорания и выброса ток-[чных оксидов азота, и позволяющее оценить совершенство конструкции пливосжигающих устройств;
определено регулируемое температурное поле на выходе из камеры сгорания, позволившее получить апроксимирующие зависимости его от состава топливовоздушнои смеси и конструктивных параметров двухярусной форсунки;
разработана теоретическая модель микрофакельного сжигания попутного нефтяного газа, на основании решения которой определены поля скоростей, температуры и концентрации газов вокруг осесиметрично расположенных факел;
разработаны новые конструктивные схемы микрофакельных топли-восжигающих устройств для сжигания жидкого топлива и попутных нефтяных газов.
Новизна решений, вытекающих из научных положений работы, подтверждены 17 авторскими свидетельствами СССР и патентами Республики Казахстан.
Достоверность результатов работы.
Результаты обладают необходимой степенью достоверности, так ка* основные результаты исследований получены на объектах изготовленны> один к одному:
в исследованиях камер сгорания ГТД на стендах использовались на туральные топлива, которые применяются при эксплуатации двигателей;
экспериментальные результаты основных характеристик камер его рания удовлетворительно согласовываются с известными данными зарубеж ных авторов;
результаты исследования факельных горелок нефтяных месторожде ний подтверждаются сходимостью расчетных экспериментальных данных, і также с результатами промышленных испытаний горелки.
Достоверность полученных экспериментальных результатов такж подтверждается комплексным подходом к исследованиям, дублированиеі некоторых измерений, соответствующей точностью системы измерений кон тролируемых параметров и оценкой погрешности измерений и актами н внедрение результатов исследований.
Практическая ценность работы состоит в разработке методики расче та конструктивных и режимных параметров микрофакельных топливоежк гающих устройств, которые позволяют принимать рациональные констру* тивные решения и режимные параметры при создании малогабаритных, мне готопливных камер сгорания ГТД и факельных горелок для сжигания ИНГ улучшенными технико-экономическими и экологическими характеристик ми.
Применение микрофакельного сжигания жидкого топлива в камера сгорания ГТД значительно улучшило ее характеристики и на одну треть ее кратило длину камеры.
Показана эффективность микрофакельного горения ПНГ, организавд которого на нефтепромыслах не требует больших затрат.
Разработанную научно-обоснованную методологию совершенствован! действующих и создание новых камер сгорания ГТД и факельных горелок
7 микрофакельным горением можно использовать при разработке ТСУ различного назначения и областей применения.
Автор защищает:
1 .Методологию организации микрофакельного горения жидкого топлива в камере сгорания ГТД и обоснование возможностей улучшения характеристик камеры: увеличение объемной теплонапряженности, повышение полноты сгорания, гидравлических потерь, неравномерности температурного поля на выходе из камеры и уменьшение образования оксидов азота.
2.Методику расчета основных элементов микрофакельных устройств и основных характеристик топливосжигающих устройств.
3.Технические решения, конструкции их реализации по созданию малотоксичных эффективных камер сгорания, чмикрофакельных устройств для ГТД на жидком топливе и факельных горелок для сжигания ПНГ.
Диссертационная работа является результатом многолетнего труда автора. Материалы, использованные в диссертации, получены самостоятельно и в соавторстве с сотрудниками и аспирантами кафедры "Газотурбинные и комбинированные двигатели" Ml ТУ имени Н.Э.Баумана и Каз НИИ Энергетики имени Ш.Ч.Чокина.
Личный вклад автора состоит в:
постановке исследований и экспериментальном решении поставленных задач;
в планировании, организации, проведении экспериментальных исследований, обработке и обобщении результатов исследований, в расчетно-теоретическом обосновании возможностей создания микрофакельных камер сгорания и факельных горелок;
в технической идее создания конструкций микрофакельных устройств для камер сгорания транспортных двигателей и факельных горелок.
Материалы, включенные в диссертацию, получены автором самостоятельно, либо под его научным руководством.
Реализация работы: Результаты расчетных и экспериментальных исследований микрофакельных устройств камер сгорания ГТД использованы на предприятиях оборонной промышленности (п.я.А-1877, М5641, ПО ГАЗ) при создании перспективных транспортных двигателей. Методика расчета камеры сгорания с МФУ использованы при проектировании камеры двигателя Стерлинга Атрауского института нефти и газа. Результаты разработки и исследования микрофакельной горелки для сжигания ПНГ внедрены на месторождениях НГДУ "Доссорнефть", "Жаикнефть".
Материалы диссертации используются в учебном процессе МГТУ имени Н.Э.Баумана (Москва), Казахской академии транспорта и коммуникаций (Алматы), Южно-Казахстанского государственного университета им.М. Ау-езова (Шымкент), Института нефти и газа (Атырау).
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: МГТУ имени Н.Э.Баумана (г.Москва), Институт газа АН Украины (г.Киев), Алматинский институт энергетики и связи, Казгосагроуниверситет, Казахская академия транспорта и
8 коммуникаций, КазНГУ имени Аль-Фараби, ЮКГУ им.М.Ауезова, Институї нефти и газа (Атырау), Актауский университет им.Ш.Е.Есенова.
Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию автором опубликовано 54 печатных работ, из них 27 авторских свидетельсті на изобретения и патенты, написаны 10 научно-исследовательских отчетов і под руководством автора защищены 2 кандидатские диссертации.
Объем и структура. Диссертация содержит введение, 6 глав, заключе ние, список литературы, приложения. Диссертация изложена на 237 страни цах, включая рисунки и таблицы, список литературы из 206 наименований і приложении на 29 страницах.
