Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современных подходов к созданию МКС 11
1.1 Современный уровень разработок МКС 12
1.2 Обоснование методов исследования рабочего процесса МКС 48
Глава 2 Разработка способа организации малоэмиссионного горения в камерах сгорания ГТД 52
2.1. Способ организации малоэмиссионного горения в камерах сгорания ГТД 54
2.2 МКС двигателя НК-38СТ 72
Глава З Расчетно-теоретическое исследование рабочего процесса МКС 78
3.1 Математическая модель рабочего процесса МКС 78
3.1.1 Модель течения 79
3.1.2 Модель турбулентности 80
3.1.3 Модель горения 81
3.1.4 Модель образования оксидов азота 85
3.1.5 Метод решения системы дифференциальных уравнений 87
3.1.6 Выбор и обоснование схем дискретизации дифференциальных уравнений 90
3.1.7 Выбор и обоснование способов дискретизации расчетной области 91
3.2 Численное моделирование рабочего процесса МКС НК-38СТ 93
3.2.1 Результаты решения тестовых задач 93
3.2.2 Результаты расчета базовой МКС 97
3.2.3 Результаты расчета исследуемой МКС 100
Глава 4 Методика и результаты экспериментального исследования рабочего процесса МКС 119
4.1 Методика экспериментального исследования рабочего процесса МКС в составе одногорелочного отсека 120
4.2 Методика экспериментального исследования рабочего процесса полноразмерной МКС .123
4.3 Методика экспериментального исследования рабочего процесса МКС в составе двигателя 126
4.4 Результаты экспериментального исследования рабочего процесса МКС 127
Заключение 135
Список использованных источников
- Современный уровень разработок МКС
- Способ организации малоэмиссионного горения в камерах сгорания ГТД
- Математическая модель рабочего процесса МКС
- Методика экспериментального исследования рабочего процесса МКС в составе одногорелочного отсека
Введение к работе
В настоящее время применение газотурбинной техники для преобразования скрытой энергии органических топлив в те виды энергии, которые освоены человеком в его жизнедеятельности (эффективная тяга для приведения транспортных устройств в движение, тепло и электричество для применения в быту и в производстве, и т.п.) достигло высокой степени совершенства разработки, производства и эксплуатации.
Высокий уровень экономичности, эксплуатационной эффективности и экологической безопасности таких устройств - основные требования мирового рынка применительно к ГТД. Принято экологическую безопасность двигателей оценивать по их эмиссионным характеристикам и шуму. Эмиссионную характеристику двигателя определяет, в основном, рабочий процесс камеры сгорания. Ужесточение требований к выбросам вредных веществ и рост параметров цикла вновь создаваемых ГТД значительно усложняет задачу проектирования камер сгорания, удовлетворяющих требованиям технического задания не только по выбросам вредных веществ, но и по работоспособности и надежности. Это обуславливает необходимость предварительного прогнозирования основных характеристик камер сгорания на этапе проектирования.
Недостаточный уровень знаний особенностей рабочих процессов приводит к тому, что в случае невыполнения одного или нескольких требований технического задания, решение проблемы осуществляется в ходе исключительно трудоемкого и дорогостоящего процесса экспериментальной доводки.
Для малоэмиссионных камер сгорания (МКС) ГТД с высокими параметрами термодинамического цикла (ГТД ВПТЦ), у которых п\ >25, трудоемкость этапа экспериментальной доводки существенно возрастает из-
за необходимости имитации или моделирования рабочих условий, что влечет за собой усложнение и, как следствие, удорожание процедуры испытаний.
Одной из существенных проблем обеспечения экологической безопасности ГТД является значительная зависимость скорости окисления азота от рабочих параметров в камере сгорания fK и Р*к. Эту проблему решают, в основном, путем сжигания заранее перемешанной "бедной" топливовоздушной смеси (ТВ С).
Известна существенная зависимость температуры пламени от коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанной ТВС атвс. Это обстоятельство позволяет выбирать для работы камеры сгорания диапазон по атвс такой, в котором возможно сжигание топлива с высокой
полнотой сгорания и с незначительным образованием оксидов азота NOx.
Для практического использования указанный диапазон ограничен резким снижением полноты сгорания топлива и ухудшением устойчивости горения в области awc>2. В условиях камер сгорания ТВС имеет некоторую
неравномерность концентрации топлива, выраженную в том, что в потоке рабочего тела одновременно существуют "по соседству" объемы газа определенных размеров с различными значениями коэффициента избытка воздуха, что обостряет указанную проблему.
Для решения проблем устойчивости и полноты сгорания "бедных" ТВС организуют так называемое зонное горение: ТВС подают в камеру сгорания двумя или более потоками в разных сечениях жаровой трубы. Горение каждого потока ТВС происходит в "своей" зоне. Выключение одной или нескольких зон позволяет сместиться по диапазону атвс так, чтобы
обеспечить устойчивость и полноту сгорания. Возможно также перераспределение топлива по зонам с той же целью.
Организация многозонного горения приводит к необходимости продолжительной отработки температурной неравномерности на выходе из
жаровой трубы МКС и согласования этой характеристики со смежными узлами.
В условиях ГТД ВПТЦ особенно актуальным является исследование особенностей рабочего процесса камер сгорания, влияющих на образование вредных веществ и работоспособность системы горения, в частности, эффективности подготовки ТВС и расположения зон горения.
Цель работы: снижение выбросов вредных веществ на основе организации малоэмиссионного горения в камере сгорания конвертированного ГТД ВПТЦ.
Задачи исследований:
1. Разработать способ организации малоэмиссионного горения в
камерах сгорания ГТД, позволяющий снизить выбросы вредных веществ и
минимизировать объем экспериментальной отработки.
На основе разработанного способа получить технические решения по модернизации МКС двигателя НК-38СТ.
Выполнить численное и экспериментальное исследование рабочего процесса разработанной МКС с предварительным тестированием математической модели и последующим обобщением результатов.
Достоверность, обоснованность и представительность результатов
работы обеспечены корректным применением в расчетно-теоретическом
исследовании законов сохранения в общепризнанном виде, использованием
апробированных методик проведения экспериментов, экспериментальных
данных, полученных на аттестованных стендах квалифицированными
< специалистами.
^ В первой главе представлен современный уровень разработок МКС
серийно выпускаемых авиапроизводных ГТД.
Во второй главе представлен разработанный автором оригинальный способ организации малоэмиссионного горения в камерах сгорания ГТД с
предварительной подготовкой "бедной" ТВС. Разработана методика выбора параметров системы подготовки ТВС и конструкция горелочного устройства. На основе разработанного способа организации малоэмиссионного горения создана компактная кольцевая прямоточная МКС ГТД ВПТЦ НК-38СТ.
В третьей главе составлена математическая модель разработанной МКС, и на ее основе проведены расчеты рабочего процесса посредством численных методов с предварительным тестированием математической модели на собственных задачах и описанных в печати.
Четвертая глава содержит описание экспериментальных установок, использованных в исследовании, обоснование методик испытаний отсека и полноразмерной МКС, а также результаты экспериментов и их обобщение.
В заключении представлены основные результаты работы, отражающие научную новизну и практическую значимость.
Основные результаты диссертационной работы поэтапно докладывались на:
- Всероссийской научно-технической конференции "Процессы
горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", г.Самара, 2000г.;
2002г.; 2004г.;
- Всероссийской научно-технической конференции, посвященной
памяти Н.Д.Кузнецова, г.Самара, 2003г.;
Научно-техническом семинаре по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок "Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ", г.Москва, ЦИАМ-ВТИ, 2004г.;
Международной научно-технической конференции "Двигатели XXI века", посвященной 75-летию ЦИАМ, г.Москва, 2005г.;
НТС ОАО "СНТК им. Н.Д.Кузнецова", г.Самара, 2003г.; 2004г. и др.
Современный уровень разработок МКС
К современным МКС (их еще называют низко- или малотоксичными камерами сгорания) предъявляются повышенные требования с различных сторон: живой природы, двигателя и потребителя энергии (заказчика). Уровни экономичности, эксплуатационной эффективности и экологической безопасности МКС должны соответствовать уровню развития современной газотурбинной техники, на основании анализа которого разрабатываются требования к выбросам вредных веществ с выхлопными газами ГТУ в России и за рубежом.
В настоящее время в соответствии с действующим ГОСТ 28775-90 допустимый уровень содержания NOx в выхлопных газах газотурбинных приводов ГПА ограничивается 150 мг/нм (здесь и далее - концентрации приведены к 15% Ог), СО - 300 мг/нм3, а для приводов электрогенераторов, в з соответствии с ГОСТ 29328-92 - 50 мг/нм NOx и СО. В ближайшее время планируется ужесточение требований.
Такие меры обусловлены, кроме намерений контролировать вред, наносимый окружающей среде, наличием на рынке газотурбинных приводов с достигнутым уровнем содержания NOx и СО 50 мг/нм3, в основном, зарубежного производства. Однако большинство из них имеют умеренные параметры термодинамического цикла, что определяет "щадящие" условия функционирования камер сгорания и относительно невысокие выбросы вредных веществ. В таких условиях организация малоэмиссионного горения - дело, по мнению автора, несложное, достаточно, как будет показано далее, определенным образом распределить воздух по зонам камер сгорания.
Следует отметить, что в условиях рыночной конкуренции большинство современных двигателей имеют достаточно высокие значения эффективного КПД, что является следствием, в первую очередь, высокой эффективности их турбокомпрессоров.
Дальнейшее повышение эффективности современных двигателей возможно также за счет увеличения степени повышения давления компрессора к к и температуры газов перед турбиной Т г. Этого добиваются все фирмы-производители для поддержания конкурентоспособности продукции.
Двигатели с высокими значениями пк и относительно невысокими значениями КПД турбокомпрессора имеют на входе в камеру сгорания поток с завышенными значениями относительной скорости Хк и температуры за компрессором Т к. В указанных условиях организация рабочего процесса МКС весьма затруднительна в силу ряда причин: - высокие Хк обуславливают повышенные гидравлические потери в камере сгорания и необходимость принятия мер по профилированию диффузора для снижения скорости натекания воздуха на фронтовое устройство;
- завышенные Т к с большими значениями давления обуславливают высокие значения температуры пламени, что приводит к росту образования NOx;
- высокие значения температуры газа перед турбиной Ґг и отборы воздуха из-за компрессора обуславливают низкие значения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания, что приводит к дефициту воздуха как для организации предварительно перемешанной ТВС с оптимальным значением атвс, так и для охлаждения стенок жаровой трубы;
- объем и, что немаловажно, относительная площадь миделевого сечения жаровой трубы камеры сгорания конвертированного авиадвигателя значительно меньше тех значений, которые являются оптимальными для эмиссионных характеристик.
Решение проблем рабочего процесса МКС могут позволить себе немногие организации, обладающие не только необходимыми материальными ресурсами, но и владеющие оригинальными методиками проектирования, основанными на многолетних исследованиях в данной области.
Способ организации малоэмиссионного горения в камерах сгорания ГТД
Конвертирование авиационных ГТД в наземные установки влечет за собой необходимость выполнения габаритных и весовых ограничений, свойственных требованиям к летательным аппаратам. Для удовлетворения требованию высокой полноты сгорания в условиях сильно ограниченных габаритов, особенно осевых, подготовку и сжигание ТВС организовывают в сильно закрученных потоках. При этом увеличивается нагрузка на пламя, другими словами, объемная интенсивность тепловыделения.
Объем жаровой трубы характеризует время пребывания рабочего тела в камере сгорания, которое, зависит от осевой протяженности в большей степени, и тем меньше, чем короче жаровая труба при тех же габаритах и числе горелок.
В [47] дается представление об оптимальном числе горелок на единицу площади поперечного сечения жаровой трубы. Это представление выработано на основе анализа экспериментального материала с применением математических процедур обобщения.
Таким образом, можно предположить, что для данного двигателя существует оптимальное число горелочных устройств. Далее будет показано, что существует также минимальное необходимое число горелочных устройств в МКС, определяемое из условия обеспечения заданного коэффициента избытка воздуха ТВС. 2. Качество подготовки ТВС. 1) Известно [13, 14,16, 24, 30, 38, 46, 51, 55, 60, 73, 74, 80, 84, 100, 104, 112, 116, 118, 120, 122], что в камерах сгорания газотурбинных двигателей преобладают механизмы термического окисления азота воздуха. В связи с этим для снижения температуры пламени организовывают сжигание "бедной" ТВС.
Известно также, что сжигание "бедной" ТВС с удовлетворительной полнотой сгорания возможно в пределах некоторого концентрационного диапазона. Для природного газа "бедный" предел коэффициента избытка воздуха ТВС по разным данным агас 2,0...2,4. По достижении указанного диапазона эксплуатационные показатели устройств горения становятся неудовлетворительными, а именно: снижается полнота сгорания, повышается неустойчивость горения, что приводит к недопустимым пульсациям давления, разрушающим конструкцию двигателя. Сжигание при атвс 2,0 позволяет за счет "балластирования" ТВС воздухом, не участвующим в процессе горения, проводить эту процедуру при температуре около (1750...1850)К. В указанном диапазоне скорость образования NOx относительно невелика, и концентрация их на выходе из МКС незначительна или, по крайней мере, не превышает требований норм и заказчика.
Таким образом, основным способом снижения образования NOx при горении углеводородных топлив считается контролируемое понижение температуры пламени.
Основная проблема указанного способа - обеспечение равномерного поля концентрации топлива в потоке ТВС в области подачи ее в зону горения. Обоснованные рекомендации по решению этой проблемы пока очень скудны на подробности, возможно, в силу коммерческой окраски вопроса. Известно только, что число мест подачи топлива не является критическим параметром системы подготовки ТВС. Напротив, проникающая способность струй топливного газа - характеристика важная и играет большую роль в качественной подготовке бедной горючей смеси.
Поскольку число и размеры отверстий подачи топлива, не являются независимыми друг от друга, то и проникающая способность струй топливного газа зависит от указанных параметров. Далее предложен предпочтительный диапазон соотношения числа отверстий подачи топлива и их размеров в зависимости от условий в области подготовки ТВС.
Математическая модель рабочего процесса МКС
Основные требования к вычислительной сети ячеек контрольных объемов модели при использовании различных схем дискретизации уравнений следующие.
1) Грани пристеночных ячеек, прилегающих к непроницаемым границам расчетной области, предпочтительно располагают нормально к линиям тока для адекватного описания профилей скорости и параметров турбулентности в пристеночной области потока.
2) Числа ячеек элементов модели выбираются из условия адекватного представления геометрии расчетной области.
3) Проницаемые границы расчетной области располагаются в пространстве за пределами геометрии модели с целью минимизирования влияния граничных условий на результат расчета.
4) При возможном наличии в расчетной области рециркуляционных зон, предпочтительно расположение проницаемых границ за их пределами.
5) Для обеспечения устойчивости и сходимости расчета установившегося течения абсолютный размер ячеек предпочтительно выбирать большим, чем масштаб крупной турбулентности, определяемый по известным соотношениям для каналов, свободных струй и т.п.
6) В случае уверенного прогнозирования рециркуляционных зон в расчетной области предпочтительно выбирать размер ячеек как минимум на порядок меньшим, чем предполагаемый размер указанных зон.
7) В расчетах течения при наличии экзотермических реакций предъявляются повышенные требования к качеству геометрии ячеек контрольных объемов из-за влияния больших градиентов параметров в расчетной области.
В связи с этим, дискретизация расчетной области основывалась на использовании следующих соображений.
Наиболее простой формой и минимальной вычислительной емкостью обладает гексаэдр. Грани параллелепипеда, частного случая гексаэдра, ортогональны, что соответствует требованию 1). Таким образом, наилучшей формой ячеек элемента можно считать гексаэдр.
Наиболее простым в обращении с точки зрения расположения в пространстве расчетной области является тетраэдр, поэтому его использование значительно сокращает процедуру создания вычислительной сети ячеек контрольных объемов, в особенности для сложной геометрии.
Оптимальным, видимо, следует считать комбинацию гексаэдральной и тетраэдральной сетей. В данном исследовании использовалась комбинированная частично структурированная гексаэдрально-тетраэдральная сеть с призматическими пристенными слоями ячеек. Призмы использовались как с четырех- так и с треугольными основаниями.
В связи с высокой напряженностью МКС конвертированных ГТД возникают трудности моделирования рабочего процесса, связанные с большими сдвиговыми напряжениями в потоке в областях закрутки и наличием значительных градиентов параметров внутри жаровой трубы.
Моделирование образования ЗОТ, стабилизирующей горение ТВС, для многих моделей турбулентности представляет большую трудность. При этом для удовлетворительного описания поля течения в области ЗОТ необходимо применять меры по тщательному построению сетки ячеек конечных контрольных объемов, уделяя особое внимание качеству ее элементов. В этой области предпочтительно расположение ячеек с небольшими скошенностью и растянутостью геометрии. Отношение минимального угла при вершинах элементов к максимальному предпочтительно больше 0,3. Отношение длин минимального и максимального ребер элемента предпочтительно больше 0,5. Общие требования к этим параметрам геометрии элементов 0,05 и 0,1 соответственно.
Численное исследование рабочего процесса МКС двигателя НК-38СТ проведено в три этапа. Первый этап - решение задач-тестов для идентификации составленной математической модели. Второй - расчет базовой МКС. Для НК-38СТ базовой является трубчато-кольцевая камера сгорания. По ней имеются экспериментальные данные, необходимые для идентификации модели образования NOx. Третий заключительный этап -моделирование рабочего процесса кольцевой прямоточной МКС, разработанной в главе 2. Расчет проводился в условиях режимов дроссельной характеристики НК-38СТ, а также в условиях, соответствующих экспериментальным исследованиям в составе автономных стендов.
Методика экспериментального исследования рабочего процесса МКС в составе одногорелочного отсека
Далее воздух поступает в подогреватель, представляющий собой одногорелочную камеру сгорания, работающую на керосине. Продукты сгорания, образующиеся в подогревателе, включая так называемый фон -вредные вещества NOx и СО, а также продукты недожога топлива, поступают в гладкий цилиндрический кольцевой канал с установленной в нем трехточечной гребенкой полного давления и одноточечной - температуры. При работающем подогревателе - продукты сгорания, а при выключенном -чистый воздух поступают на вход отсека МКС. В отсеке происходит сжигание необходимого количества природного газа.
Топливный газ подавался из заводской сети низкого давления 2 кг/см через понижающий редуктор в расходомерное устройство и, далее, в топливные каналы горелочного устройства. Предварительно проводилась тарировка топливной магистрали - расходомерного участка в сборе с горелочным устройством. Испытываемая топливная магистраль подстыковывалась к воздушной магистрали стенда за расходомерным участком 030 мм с установленной в нем мерной шайбой. В процессе тарировки измерялись полное и статическое давления в тарируемом топливном расходомерном устройстве, полные давление и температура воздушного расходомерного участка, статическое давление за шайбой.
По результатам измерений определялась характеристика вида G = f{P ex). Поскольку тарировочные испытания проводились на воздухе, вводился коэффициент, учитывающий отношение молекулярных весов воздуха и природного газа, а, следовательно, и объемный расход. Влияние на расходную характеристику молекулярной вязкости и сжимаемости воздуха и природного газа не учитывалось.
В ходе испытаний отсека расход топливного газа задавался по заранее вычисленным значениям полного давления в расходомерном участке для обеспечения заданного коэффициента избытка воздуха атвс.
Отсек состоит из фронтового устройства, горелочного устройства, подвески горелки и жаровой трубы. В отличие от БКС, в отсеке жаровая труба фиксируется в пространстве с помощью фронтовой плиты. Задиффузорное пространство сообщается с жаровой трубой только через проточную часть горелки. Жаровая труба открыта. Охлаждение жаровой трубы осуществлялось воздухом, который эжектировался из атмосферы через отверстия в системе охлаждения.
В диффузоре поток расширяется, подтормаживается, а затем втекает в горелочное устройство круглой струей. В этом состоит существенное отличие геометрии проточной части отсека от геометрии полноразмерного БКС.
Пройдя через каналы охлаждения и подготовки ТВ С горелочного устройства, поток рабочего тела попадает внутрь жаровой трубы в зону горения. Окончание жаровой трубы сообщалось с атмосферой, и внутренняя проточная часть ее были доступны для визуального наблюдения во время проведения экспериментов. При этом проводилось отслеживание за состоянием деталей отсека.
Состав выходных газов определялся газоанализаторами IMR3000 и ДАГ-16. Отбор проб газа проводился перемещаемым вручную одноточечным пробоотборником, соединенным с газоанализаторами.
Фиксировались значения параметров отсека в моменты воспламенения и погасания пламени, воспринимаемые визуально и на слух. Таким образом, определялись характеристики розжига и срыва отсека.
