МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Куценко, Юрий Геннадьевич

Введение к работе

Главной проблемой создания малоэмиссионных (с низким содержанием оксидов азота в выхлопных газах) камер сгорания ГТД является обеспечение их надежной и эффективной работы в составе энергетических установок. Для снижения уровня эмиссии оксида азота камерами сгорания ГТД отечественными и зарубежными разработчиками применяются четыре основные технологии организации малоэмиссионного горения:

1. «Богато-бедное» горение;

2. Сжигание «бедной» гомогенной топливо-воздушной смеси;

3. «Мокрые» методы снижения NO_x – подача в камеру сгорания топлива или окислителя, смешанного с водяным паром ;

4. Сжигание низкокалорийного топлива – синтез-газа, полученного путем каталитического разложения природного газа.

Само по себе достижение низкого уровня эмиссии оксидов азота может быть получено «обеднением» топливовоздушной смеси или снижением температуры пламени. Но необходимость одновременного выполнения эксплуатационных и энергетических требований существенно усложняет эту задачу, так как любая технология снижения эмиссии оксидов азота сопровождается снижением надежности системы в целом. Например, к числу важнейших недопустимых явлений, сопровождающих процессы в малоэмиссионных камерах сгорания с «бедным» фронтом (генеральное направление в мире) и являющихся их постоянными «спутниками», относятся низкая полнота сгорания, термоакустические пульсации, «бедный» срыв пламени и проскок пламени в зону подготовки топливовоздушной смеси. Чтобы спроектировать современную малоэмиссионную камеру сгорания, необходимо пройти по узкой грани между выполнением требований по уровню эмиссии оксидов азота и запасами по отношению к вышеперечисленным явлениям, то есть знать или оценивать величину диапазона по составу смеси. Следовательно, при проведении расчетно-экспериментальных работ по проектированию малоэмиссионной камеры сгорания возникает потребность в оценке следующих ее важнейших характеристик:

1. Уровня эмиссии загрязняющих веществ: NO_x, CO;

2. Полноты сгорания топлива;

3. Пределов стабилизации пламени в гомогенной и диффузионной зонах горения.

Для проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей необходима разработка методологии проектирования на основе математических моделей физико-химических процессов. При создании методологии проектирования в первую очередь необходимо:

1. Уточнить существующие математические модели для расчета уровня эмиссии оксида азота;

2. Разработать математическую модель для расчета уровня эмиссии оксида углерода;

3. Разработать математическую модель для оценки пределов стабилизации фронта пламени.

Успешное решение этих проблем позволит перейти к нахождению параметрического компромисса, то есть собственно и определить основные проектные параметры надежно работающей малоэмиссионной камеры сгорания в зависимости от конкретных условий, в том числе с учетом геометрических (конструктивных) ограничений. Или, иначе, разработать методологию проектирования реальных малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей.

Однако, на пути к решению поставленной задачи необходимо не только выбрать (то есть идентифицировать с экспериментом) модели турбулентности и кинетических механизмов окисления углеводородного топлива из уже имеющегося набора, но и, что значительно сложнее, разработать способ пространственной идентификации типов пламени (гомогенное и диффузионное) в трехмерном реагирующем пространстве сильно закрученного потока, обладающего свойствами нелинейности, если говорить о его математическом описании. Необходимость этой идентификации обусловлена тем обстоятельством, что в настоящее время отсутсвуют математические модели смешанного фронта пламени (диффузионного и гомогенного). А реальный фронт пламени в современной камере сгорания, как правило, смешанный.

Как уже отмечалось, невозможно спроектировать малоэмиссионную камеру сгорания без оценок запасов по стабилизации фронта пламени и концентрации оксида углерода. Если в оценке оксидов азота с помощью математических моделей в мире наработан большой опыт, то в части моделирования бедного срыва и, соответственно, розжига камер сгорания ситуация значительно хуже. Доступные в настоящее время математические модели горения не могут предоставить возможность для выполнения комплексного расчета основных характеристик проектируемой камеры сгорания.

Таким образом, создание методологии проектирования на основе математических моделей физико-химических процессов и ее применение для выбора технологий малоэмиссионного горения являются актуальными задачами, имеющими важное научное и практическое значение.

Цель работы состоит в создании методологии проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов и ее применении для анализа и выбора технологий малоэмиссионного горения.

Задачи исследования:

1. Создание методологии проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов;

2. Настройка математической модели для расчета уровня эмиссии оксида азота;

3. Разработка математической модели для расчета уровня эмиссии оксида углерода;

4. Разработка математической модели для описания процесса дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени;

5. Проведение моделирования физико-химических процессов в камере сгорания и оценка их влияния на уровень эмиссии оксида азота;

6. Проведение сравнительного анализа конструктивных схем камер сгорания ГТД, в которых реализованы технологии малоэмиссионного сжигания топлива с использованием разработанной методологии.

На защиту выносятся:

1. Разработанная методология математического моделирования физико-химических процессов в камере сгорания ГТД для оценки уровня эмиссии оксида азота, оксида углерода и пределов стабилизации фронта пламени;

2. Результаты численного исследования взаимного влияния физико-химических процессов в камере сгорания и оценка их влияния на расчетный уровень эмиссии оксида азота;

3. Разработанные «гибридные» модели турбулентного горения, позволяющие оценить уровень эмиссии оксида углерода, оксида азота;

4. Разработанные «комбинированные» модели турбулентного горения, описывающие структуру фронта пламени и позволяющие смоделировать процесс дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени, оценить уровни эмиссии оксидов углерода и азота, полноту сгорания топливовоздушной смеси.

5. Результаты сравнительного анализа конструктивных схем камер сгорания ГТД, в которых реализована технология малоэмиссионного горения.

Научная новизна:

1. Уточнена математическая модель генерации оксидов азота при диффузионном горении углеводородного топлива с учетом радиационного излучения пламени, являющегося существенным фактором при оценке эмиссии.

2. Впервые разработана математическая модель описания генерации оксидов азота для смешанных (диффузионного и гомогенного) фронтов пламени в камере сгорания.

3. Создана «гибридная» математическая модель для расчета уровня эмиссии оксида углерода при сгорании углеводородного топлива.

4. Впервые разработана «комбинированная» математическая модель «бедного» срыва фронта пламени и розжига камеры сгорания в нестационарной постановке. На ее основе сформирована математическая модель для расчета полноты сгорания топлива, являющейся одним из основных проектных параметров камеры сгорания.

Достоверность:

1. Разработанные и уточненные математические модели физических процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей идентифицированы по экспериментальным данным модельных и натурных экспериментов камер сгорания различных типов в части интегральных оценок эмиссии и границы срыва пламени.

2. Применяемые в расчетах математические модели турбулентности для описания сильно закрученных трехмерных течений в камерах сгорания идентифицированы по имеющимся экспериментальным данным распределений компонент скорости (дифференциальная оценка).

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанная методология позволяет учесть при проектировании камер сгорания процессы, происходящие при горении топлива, оценить эмиссионные характеристики, пределы стабилизации фронта пламени и совершенствовать конструкцию камер сгорания еще на ранних стадиях проектирования;

2. Результаты проведенного в работе сравнительного анализа технологий малоэмиссиионного сжигания топлива использованы для выработки практических рекомендаций по выбору конструктивных схем камер сгорания.

3. Созданы программы, применяющиеся для:

   1. расчета уровня эмиссии оксида углерода на основе предложенной двухзонной модели турбулентного горения;

   2. расчета скорости распространения фронта пламени;

   3. расчета радиационных свойств среды;

   4. моделирования процесса сажеобразования;

   5. расчета концентраций компонентов топливо-воздушной смеси в зависимости от массовой доли восстановленного топлива и характеристик турбулентности.

   Внедрение результатов. Разработанная методология проектирования камер сгорания ГТД на основе математических моделей физико-химических процессов и созданный комплекс программ применяются в ОАО «Авиадвигатель» для выбора и совершенствования конструкций малоэмиссионных камер сгорания.

   Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 32 печатных работах, из них 1 монография и 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

   Апробация работы

   Материалы диссертации были представлены и обсуждены на: IV всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (СГАУ, г. Самара, 9-10 октября 2002 г.); V всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (СГАУ, г. Самара, 5-7 октября 2004 г.); 49-й научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (г. Москва, 10-12 сентября 2002 г); 50-й научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (г. Санкт-Петербург, 17-18 июня 2003 г); 49-й международной конференции ASME Turbo Expo 2004 (Австрия, г.Вена, 14-16 июня 2004 г); I научно-техническом семинаре по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ (ЦИАМ, г. Москва, 14-16 декабря 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей» (КГТУ, г. Казань, 23-27 мая 2005 г); II международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (г. Москва, ЦИАМ 6-9 декабря 2005 г); 51-й международной конференции ASME Turbo Expo 2006 (Испания, г. Барселона, 7-11 мая 2006 г); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, СГАУ, 21-23 июня 2006 г.); VI всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (СГАУ, г. Самара, 10-11 октября 2007 г.); 53-й международной конференции ASME Turbo Expo 2008 (Германия, г. Берлин, 9-13 июня 2008 г).

   Похожие диссертации на МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

   

   Разработка наукоемкой технологии по термическому обезвреживанию отходов разного класса опасности на основе особенностей неустойчивого горения в камерах сгорания ракетных двигателейПавлов Григорий Иванович

   

   Исследование аэродинамики отрывного диффузора камеры сгорания газотурбинного двигателя с целью снижения гидравлических потерь на основе физического эксперимента и численного моделированияФасил Али Гугсса

   

   Разработка физико-математической модели рабочего процесса низкоперепадной пневмоструйной форсункиАбере Гобезе Гетахун

   

   Методика проектирования смесителя камеры сгорания с предварительной подготовкой топливно-воздушной смесиСкиба Дмитрий Владимирович

   

   Исследование и разработка модульных фронтовых устройств со струйно-механическими стабилизаторами пламени применительно к укороченным прямоточным камерам сгорания газотурбинных двигателей и энергоустановок Варсегов Владислав Львович

   

   Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановокДемин Алексей Владимирович

   

   Оптимизация геометрических и газодинамических параметров устройства двухступенчатого смешения топлива и воздуха малоэмиссионной камеры сгорания конвертированного авиационного двигателя Кутыш Дмитрий Иванович

   

   Математическое моделирование и экспериментальное исследование характеристик камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги на метане и кислородеЛапицкий Владимир Иванович

   

   Конвективный теплообмен в цилиндре поршневого двигателя с открытой камерой сгорания Яксон Ирина Александровна

   Исследование процессов смесеобразования и горения в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги на газообразном и жидком компонентах топливаОмми Фатоллах