Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследуемого вопроса Постановка задачи исследования 9
1.1 . Общие принципы стабилизации пламени в потоке 9
2. Моделирование и расчет рабочего процесса в камере сгорания ГТД с применением методов вычислительной газовой динамики 33
3. Исследование газодинамической структуры в трубчато-кольцевой камере сгорания 60
3.1. Особенности рабочего процесса в камерах сгорания ГТД 60
3.2. Исследование истечения закрученной кольцевой струи лопаточного завихрителя в полузакрытое пространство, ограниченное обечайкой жаровой трубы 63
3.3. Исследование газодинамической структуры течения в первичной зоне камеры при подводе вторичного воздуха 74
3.4. Исследование эжекции вторичного воздуха в первичную зону камеры сгорания ГТД с лопаточным завихрителем 86
3.5. Выбор модели горения для описания стабилизации пламени на микроуровне 93
3.6. Влияние горения на структуру течения и массообмен в первичной зоне 99
4. Исследование стабилизации горения в камере сгорания ГТУ на основе многоуровневого моделирования 106
4.1. Расчет переходных режимов ГТНР-25И и их идентификация по результатам измерений 109
4.2. Исследование конструктивных особенностей модернизированной камеры сгорания на расход воздуха по жаровым трубам 113
4.3. Выявление причин погасания пламени в некоторых жаровых трубах.при запуске ГТНР-25И 118
Заключение 132
Срисок литературы
- . Общие принципы стабилизации пламени в потоке
- Особенности рабочего процесса в камерах сгорания ГТД
- Исследование газодинамической структуры течения в первичной зоне камеры при подводе вторичного воздуха
- Расчет переходных режимов ГТНР-25И и их идентификация по результатам измерений
Введение к работе
Удовлетворение современных требований к газотурбинным установкам невозможно без создания камеры сгорания с высокими показателями эффективности процесса горения. Одним из необходимых условий для этого является формирование и поддержание фронта пламени в определенных точках пространства жаровой трубы во всем диапазоне эксплуатационных режимов двигателя. Нарушение процесса стабилизации пламени в камерах сгорания ГТД может привести к резкому увеличению выбросов загрязняющих веществ, снижению полноты сгорания, а также к снижению срока службы элементов конструкций двигателя.
Вопросу исследования стабилизации пламени и разработки подходов для описания границ устойчивой работы камер сгорания посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых. Стабилизация пламени в камерах сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок является одним из наиболее трудно поддающихся физическому моделированию процессов вследствие большого количества факторов, влияющих на условия существования стационарного фронта пламени. Методы расчета пределов стабилизации пламени как правило основываются на полуэмпирических подходах к прогнозированию срывных характеристик, позволяющих обобщить экспериментальные результаты с помощью критериальных зависимостей, полученных для определенного класса камер сгорания на основе принятых допущений о механизме стабилизации пламени.
Конечно, более жесткие требования по запасу устойчивой работы предъявляются к камерам сгорания авиационных ГТД. Однако и для наземных газотурбинных энергетических установок эта проблема остается актуальной. В частности, практика эксплуатации газоперекачивающих агрегатов ГТНР-25И показывает, что «потеря пламени» в отдельных жаровых трубах камеры сгорания приводит к существенному перекосу температурного поля на входе в турбину, и как следствие, аварийному останову агрегата.
В данной работе показана эффективность применения многоуровневого подхода для решения данной проблемы, основанного на совместном использовании математических моделей различных уровней сложности.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе проведен анализ работ других авторов, посвященных описанию стабилизации пламени в камерах сгорания ГТД. Выбраны основные критериальные зависимости, сформулированы цели и задачи исследования. Во второй главе представлен алгоритм и основные модели, используемые при моделировании стабилизации пламени с помощью средств вычислительной газовой динамики. В частности, в данной работе использовался программный комплекс FLUENT с препроцессором GAMBIT. В третьей главе дан анализ влияния различных конструктивных и режимных параметров на формирование газодинамической структуры течения в первичной зоне камеры сгорания. Выбор моделей расчета осуществлялся путем сравнения данных натурных экспериментов других авторов и результатов численного моделирования, полученных автором настоящей работы. В четвертой главе представлены результаты многоуровневого моделирования стабилизации пламени применительно к камере сгорания ГПА ГТНР-25И. При определении параметров граничных условий на входе и выходе из камеры сгорания использовался программный комплекс ГРАД, позволяющий получать осредненные по двенадцати жаровым трубам значения искомых параметров с учетом тепловой инерционности установленного теплообменника. Проведен анализ неравномерности расходов воздуха, выполненный в ПК FLUENT, с учетом несимметричности подвода воздуха к жаровым трубам. Неравномерность в расходах воздуха сильно влияет на формирование различных условий для стабилизации пламени в разных жаровых трубах.
Результаты данного расчета позволили объяснить погасание лишь некоторых жаровых труб и акцентировать дальнейшее внимание на моделировании стабилизации пламени в «наихудших» жаровых трубах. Применение многоуровневого моделирования показало, что прогнозирование пределов стабилизации пламени на основе критериальных зависимостей может обеспечивать достаточную для инженерных расчетов точность определения границ устойчивой работы камер сгорания. Однако отсутствие достоверной информации о локальных параметрах топливовоздушной смеси в зоне горения существенно ограничивает возможности данного подхода. Применение средств вычислительной газовой динамики позволило получить уточненные локальные параметры потока внутри первичной зоны, а также выявить фактические зоны стабилизации горения и понять причины их формирования. На основании полученных результатов разработаны рекомендации по увеличению запаса устойчивой работы исследуемой камеры сгорания.
Основные результаты данной работы внедрены ООО «ТатТрансГаз» при модернизации камер сгорания ГПА ГТНР-25И с целью предотвращения аварийных остановов агрегата. Положительные результаты эксплуатации агрегатов с модернизированными камерами сгорания свидетельствуют о достоверности проведенных расчетов и возможности использования многоуровневого моделирования для исследования стабилизации пламени в камерах сгорания ГТУ.
. Общие принципы стабилизации пламени в потоке
При проектировании и доводке камер сгорания газотурбинных двигателей должны быть приняты меры, гарантирующие, что горение в камере будет поддерживаться во всем диапазоне эксплуатационных режимов, включая запуск, набор и сброс оборотов. Эффективное горение должно поддерживаться в сильно турбулентных потоках, скорости которых значительно превосходят нормальную скорость распространения пламени.
Как известно, скорость потока, поступающего в камеру сгорания, достигает нескольких десятков, а иногда и сотен метров в секунду. Скорость распространения пламени при условиях, имеющих место на входе в камеру сгорания, существенно меньше и составляет, как правило, для обычных углеводородных горючих несколько метров и, в крайнем случае, десятков метров в секунду. Следовательно, если в камере не существует постоянного источника поджигания, то не может существовать и стационарный фронт пламени, так как при названом соотношении скоростей пламя будет сноситься потоком. Стационарное пламя при этом может существовать лишь при условии наличия постороннего непрерывного источника поджигания, роль которого выполняет точка (зона) потока, где имеет место равенство скорости распространения пламени и скорости потока. В таком случае эту точку (зону) можно рассматривать как неподвижный источник воспламенения, от которого пламя распространяется в поток. Иными словами, условием стабилизации пламени в поле течения с неравномерным распределением скорости является наличие в этом поле точки (зоны), в которой скорость течения равна и противоположна по направлению скорости распространения пламени. Причем, расширение диапазона устойчивого горения требует увеличения отношения нормальной скорости распространения пламени к скорости потока.
Исследованию стабилизации пламени, как в основных, так и в форсажных камерах сгорания ГТД посвящено большое количество работ. Одним из основоположников изучавших условия существования устойчивого горения в потоке является В.А.Михельсон. Он, изучая скорости горения однородных горючих смесей с помощью газовой горелки Бунзена [1], сформулировал, основное соотношение для существования стационарного пламени в потоке: «в каждой точке внутренней поверхности пламени, нормальная слагающая скорости течения газа (WH) должна быть равна нормальной скорости воспламенения этого газа (UH)».
Это соотношение можно назвать первым условием существования стационарного пламени в потоке. Иными словами, фронт пламени может существовать лишь тогда, когда на место сносимых частиц, приходят другие из нижележащих участков фронта. У основания пламени горелки такое замещение, следовательно, и стабильное горение, возможно лишь при существовании постоянного источника зажигания, передающего свежей смеси необходимое количество теплоты. В горелке Бунзена функцию источника зажигания выполняет поджигающее кольцо, на котором за счет трения газа о стенку и теплоотвод от нее выполняется соотношение Михельсона.
Перечисленные выше условия существования пламени в горелках при небольших (чаще ламинарных) скоростях движения смеси, справедливы и для условий большинства камер сгорания ГТД.
Как правило, в камерах сгорания ГТД фронты пламени вытянуты по потоку, а стабильность и устойчивость горения определяется мощностью источников зажигания. Постоянное поджигание свежей смеси обычно осуществляется высокотемпературными газами зон циркуляции. По этому одним из наиболее важных процессов, определяющих пределы стабилизации, является воспламенение и развитие горения на границе контакта горячих газов и свежей смеси.
Выполнение оговоренных выше условий в реальных камерах сгорания возможно следующими методами:
1. Стабилизация пламени за счет подвода энергии извне.
Стабилизация пламени за счет подвода энергии извне довольно распространена. В технике находит широкое применение поджигание смеси с помощью периодически подаваемой на электроды свечи электрической искры. Однако в интересующем нас случае горения в потоке поджигание необходимо осуществлять непрерывно, что приведет к значительным энергетическим затратам.
2. Стабилизация пламени в пограничном слое.
Стабилизация пламени в пограничном слое обычно имеет место в случае применения горелок небольшого размера (горелки Бунзена). Естественное поджигание в этом случае осуществляется но окружности у кромки горелки. В этой области имеются условия, при которых пламя может существовать стационарно, благодаря чему оно же становится источником поджигания свежей смеси. От такого поджигающего кольца пламя распространяется в поток, образуя стационарную коническую поверхность. Данный метод стабилизации дает удовлетворительные результаты лишь применительно к горелкам небольших размеров с ламинарным режимом течения. Поэтому в рамках данной работы особого практического интереса не представляет.
3. Стабилизация пламени путем термической рециркуляции. Стабилизация пламени путем термической рециркуляции заключается в том, что тепло из зоны горения передается свежей смеси для ее воспламенения через специальные стержни или стенки камеры. Такой метод практически трудно осуществим и в чистом виде не применяется.
Особенности рабочего процесса в камерах сгорания ГТД
Современные камеры сгорания ГТД должны удовлетворять широкому спектру зачастую противоречивых требований. Легкий запуск в широком диапазоне атмосферных условий, стабильное и эффективное горение, низкие эмиссионные показатели, надежность и значительный ресурс - вот лишь некоторые из них.
Для выполнения вышеописанных требований на современном этапе развития газотурбинной техники уже сложился общий подход к конструированию основных камер сгорания, заключающийся в организации следующих составляющих рабочего процесса: - снижение скорости потока воздуха в диффузоре; - создание зоны циркуляции в головной части жаровой трубы; - подача и распыливание топлива; - испарение топлива, смешение паров топлива с воздухом; - воспламенение топливовоздушной смеси, стабилизация фронта пламени; - подвод вторичного воздуха для обеспечения полного выгорания не прореагировавшей части топливовоздушной смеси; - формирование требуемого профиля температур на выходе из камеры сгорания.
Исходя из этого, весь объем жаровой трубы принято условно разделять на три характерные зоны: первичную, зону смешения и зону разбавления.
В первичной зоне происходит распыливание и испарение топлива, образование топливовоздушной смеси, ее воспламенение и стабилизация горения за счет создаваемого циркуляционного течения. Совокупность сложных химических процессов, предшествующих воспламенению, а также протекающих во время распространения пламени по объему свежей топливовоздушной смеси предъявляет жесткие требования к времени пребывания молей свежей смеси в высокотемпературных зонах. Это условие продиктовано необходимостью стабилизации фронта пламени в камере сгорания. Во многих исследованиях [4,7] отмечается, что процессы, происходящие в первичной зоне, закладывают основу эффективной работы камеры и поэтому должно уделяться особое внимание изучению протекающих в ней процессов.
В промежуточной зоне происходи] догорание не успевших прореагировать плохо перемешанных персобогащенных топливом молей смеси в локальных объемах. При умеренном подводе вторичного воздуха происходит разбавление смеси, что способствует завершению процесса окисления СО и дожиганию несгорсвшей части топлива. Чрезмерный вдув вторичного воздуха может привести к ухудшению условий стабилизации пламени, а также к «замораживанию» несгоревших объемов смеси, что снижает эффективность процесса горения.
В зоне разбавления происходит вдув не участвовавшего в горении воздуха внутрь жаровой трубы для того, чтобы сформировать на выходе из камеры профиль температур, приемлемый для нормальной работы турбины.
В данной главе особое внимание уделяется изучению процессов протекающих в первичной зоне жаровой трубы трубчато-кольцевой камеры сгорания. Такой выбор обусловлен сильным влиянием газодинамической структуры течения в первичной зоне на пределы устойчивой работы камеры и организацию эффективного сгорания углеводородного топлива.
Исследование было проведено с применением пакета программ вычислительной газовой динамики «FLUENT 6.1.22» в несколько этапов: - исследование истечения закрученной кольцевой струи лопаточного завихрителя в полузакрытое пространство, ограниченное обечайкой жаровой трубы. На данном этане работы была составлена математическая модель расчета, наиболее адекватно отвечающая реально происходящим процессам, а также получено поле течения за лопаточным завихрителем и определены его некоторые параметры. Адекватность оценивалась путем сопоставления полученных результатов с результатами проведенных ранее натурных экспериментов.
- исследование взаимодействия закрученной кольцевой струи лопаточного завихрителя с поперечными струями вторичного воздуха. Исследовалось течение в первичной зоне жаровой трубы с учетом подвода вторичного воздуха без учета процесса горения. В результате получено поле течения в первичной зоне исследуемой жаровой трубы, выявлено и оценено влияния подвода вторичного воздуха на форму, размеры, объем зоны обратных токов, а также проведено исследование массобмена между первичной зоной и поперечными струями.
- изучение влияния горения на поле течения в первичной зоне, а также на массобмен между первичной зоной и поперечными струями. В результате проведено сравнение результатов «холодного» и «огневого» исследования поля течения и масообмена в первичной зоне камеры сгорания.
Исследование газодинамической структуры течения в первичной зоне камеры при подводе вторичного воздуха
Взаимодействие закрученной кольцевой струи лопаточного завихрителя с поперечными струями вторичного воздуха исследовалось в двух различных направлениях: оценивалось влияние длины первичной зоны и доли подвода вторичЕіого воздуха на форму размеры и объем зоны обратных токов. Газодинамические параметры потока и массообмен в первичной зоне всегда привлекал интерес исследователей. Это обусловлено тем, что при конструировании новых и совершенствовании уже созданных камер сгорания возникает необходимость обеспечения широких пределов устойчивой работы камеры, что невозможно без изучения газодинамической структуры и масообмена в первичной зоне. Если рассмотреть существующие подходы к вопросу стабилизации пламени и проанализировать соответствующие зависимости, то становится обоснованной необходимость изучения закономерностей изменения объема зоны обратных токов Уют, и расхода газа через ЗОТ - G30T.
Для выявления закономерностей влияния подвода вторичного воздуха на размеры и объем зоны обратных токов Уют проведены две серии расчетов.
Первая серия расчетов проводилась с целью определения влияния длины первичной зоны на размеры и объем зоны обратных токов V30T. Вторая - с целью выявления закономерности влияния доли подвода вторичного воздуха на размеры и объем зоны обратных токов V30T. В настоящее время имеется множество работ, посвященных определению эмпирических зависимостей для расчета размеров ЗОТ, как для условий истечения затопленной закрученной струи, так и для истечения закрученной струи в условиях реальной геометрии жаровой трубы. Однако существующие зависимости не позволяют с требуемой точностью производить вычисления Узот с учетом трехмерного распределения параметров потока. Это обусловлено тем, что форма ЗОТ сильно зависит от конкретной конструкции камеры сгорания и от подвода вторичного воздуха. Расчет проводился в трехмерной постановке на виртуальной модели камеры сгорания наземного ГТД, созданной в препроцессоре «Gambit» и представленной на рисунке 3.15.
Таким образом, исследуемая область включала в себя следующие элементы: лопаточный завихритсль с утлом установки лопаток р = 30 и их числом я = 16, переходный конус, обечайку жаровой трубы диаметром DH = 270 мм, 8 отверстий 024 мм для подвода вторичного воздуха, расположенных в один ряд.
Для оценки влияния длины первичной зоны на размеры и объем зоны обратных токов, расстояние от устья завихрителя до оси отверстий подвода вторичного воздуха изменялось в пределах 1П1-(1.0, 1.5, 2.0)йц, где dg- диаметр завихриіеля. Диаметр завихрителя dH был принят за характерный геометрический размер потому, что в ряде работ [4,7] на основе такого подход получены обобщенные зависимости длины и диаметра ЗОТ.
Для оценки влияния доли подвода вторичного воздуха использован параметр q, предложенный в работе [7], представляющий собой отношение расхода воздуха через завихритель к сумме расходов газа через завихритель и поперечные струи воздуха первого ряда отверстий. -= G3 G3+G0 где G3 - расход воздуха через завихритель, Go - расход воздуха через первый ряд отверстий подвода воздуха.
Очевидно, что значения предложенного параметра меняются в диапазоне О q 1, т.е. для случая отсутствия подвода воздуха через первый ряд отверстий q = 1 при равенстве расходов G3=Go параметр q = 0,5.
Для проведения численного эксперимента использовался пакет вычислительной газовой динамики «Fluent 6.1.22» При проведении численного эксперимента параметр q изменялся в диапазоне 0.2 1, соответствующие расходы воздуха приведены в таблице 3.1.
Расчет переходных режимов ГТНР-25И и их идентификация по результатам измерений
Изучив конструкцию модернизированной камеры сгорания было сделано предположение о том, что одной из возможных причин окружной неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания может являться не одинаковый расход воздуха через жаровые трубы. Эта неравномерность возникает как следствие подвода воздуха к блоку камер сгорания через 4 патрубка, а также из-за технологических отклонений размеров щелей пленочного охлаждения, приводящих к изменению гидравлического сопротивления отдельно взятой камеры сгорания.
Таким образом, задача была сведена к определению картины течения в блоке камеры сгорания при одинаковом гидравлическом сопротивлении всех жаровых труб и последующей оценке влияния различий гидравлического сопротивления жаровых труб на распределение воздуха по ним.
Для решения поставленной задачи был проведен расчет поля течения в блоке камер сгорания. Расчет проводился в стационарной постановке с применением пакета вычислительной газовой динамики «Fluent 6.1.22». Расчет проводился в два этапа: сначала рассчитывалось поле течения в блоке камер сгорания с одинаковым гидравлическим сопротивлением всех жаровых труб, а на втором этапе проводился учет возможных неточностей изготовления щелей охлаждения путем варьирования гидравлического сопротивления жаровых труб.
В виду симметрии блока камер относительно вертикальной плоскости модель расчетной области включала в себя 6 камер сгорания, состоящих из жаровых труб и кожухов, расположенных концентрично по отношению к жаровым трубам и образующих канал охлаждения. Такое допущение позволило значительно сократить время расчета. Расчет проводился в трехмерной постановке на виртуальной модели блока камер сгорания, созданной в препроцессоре «Gambit» и представленной на рисунке 4.3.
В качестве граничных условий был задан расход воздуха во входных патрубках. Полагалось, что воздух от теплообменника равномерно распределяется по входным патрубкам. На выходе задавалось постоянное давление, одинаковое для всех жаровых труб. Стенка жаровой трубы определялась как проницаемая поверхность, обладающая гидравлическим сопротивлением; протекание жидкости сквозь такую станку создает перепад давления, определяемый как по закону Дарси с учетом инерционности потока как:
Расчет проводился по неструктурированной сетке, состоящей из 257.3 тыс. ячеек до значений невязок порядка 10"4. В качестве математической модели расчета была использована система уравнений, включающая уравнения неразрывности, движения вязкой жидкости - Новье-Стокса, энергии. Для замыкания системы использовалась к-є модель турбулентности. В результате расчетов было получено поле течения в блоке камер сгорания, представленное линиями тока на рисунке 4.4.
Для оценки неравномерности расходов воздуха по камерам сгорания на рисунке 4.5 представлено распределение полных давлений в поперечном сечении блока камер сгорания, полученное при расчете камер с одинаковым гидравлическим сопротивлением жаровых труб.
Из рисунка 4.5 следует, что потери давления в КС на холодном режиме не превышают 2,5%, и происходят при течении по каналу охлаждения и перетекании через перфорированную стенку жаровой трубы. Потери на поворот потока и другие виды потерь, происходящие в общем корпусе камер сгорания пренебрежимо малы. В канале охлаждения теряется около 1% располагаемого полного давления. Однако, наличие тангенциальных подводов создает неравномерность в распределении полного давления, как по отдельным КС, так и по поперечному сечению каждой КС. Максимальное полное давление зафиксировано в камерах №2 и №5, а минимальное в камерах № 3, 4.
Неравномерность в распределении полного давления вызывает неравномерность в распределении расходов воздуха по камерам. Распределение расходов определенное по результатам численного расчета для различных сочетаний гидравлических сопротивлений жаровых труб представлено на рисунке 4.6.
На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы: при установке жаровых труб с одинаковыми гидравлическими сопротивлениями неравномерность расхода
