Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Некоторые актуальные вопросы создания камер сгорания ГТУ литературный обзор 16
1.1. Приоритетные конструктивные типы камер сгорания ГТУ 16
1.2. Методы сжигания и определения полноты сгорания газообразного топлива в ГТУ 18
1.2.1. Методы сжигания газообразного топлива 18
1.2.2. Методы определения полноты сгорания топлива 21
1.3. Рабочий процесс в камерах сгорания ГТУ и его моделирование в стендовых условиях 22
1.3.1. Постановка задачи 22
1.3.2. Стабилизация пламени в головной части жаровой трубы 26
1.3.3. Влияние формы жаровой трубы структуру потока внутри КС 29
1.4. Стендовые испытания камер сгорания 30
1.4.1. Исследования розжига и границ «бедного» срыва пламени 30
1.4.2. Концентрация вредных выбросов 34
1.4.3. Температурные поля продуктов сгорания на выходе из КС 37
1.4.4. Температура стенок КС 38
1.5. Цель и задачи исследования 39
Глава 2 Совершенствование формы ЖТ одногорелочного стенда 41
2.1. Постановка задачи 41
2.2. Результаты численного моделирования 44
2.3. Результаты экспериментального исследования
2.3.1. Схема измерений 49
2.3.2. Этапы испытаний 50
2.3.3. Визуализация периферийных обратных токов 51
2.3.4. Критическая площадь ИЖТ круглого поперечного сечения 52
2.3.4. Критическая площадь ИЖТ квадратного поперечного сечения .55
2.4. Сопоставление результатов и выводы 57
Глава 3. Разработка методики расчета полноты сгорания топлива путем анализа пробы 61
3.1. Описание предложенной методики 61
3.2. Описание алгоритма вычисления по предложенной методике 62
3.3. Оценка точности определения полноты сгорания топлива 66
Глава 4 Стендовые исследования элементов кольцевой камеры сгорания стационарной ГТУ среднего класса мощности 67
4.1. Этапы испытаний 67
4.2. Объект испытаний 67
4.3. Краткое описание стендов и измерительной оснастки
4.3.1. Стенд холодных продувок 69
4.3.2. Стенд огневых испытаний ГУ 70
4.3.3. Стенд огневых испытаний моделей КС 72
4.3.4. Оснащение модели термопарами 74
4.4. Результаты огневых испытаний ГУ 77
4.4.1. Отработка режима розжига 78
4.4.3. Определение границ «бедного» срыва 81
4.4.4. Эмиссия вредных выбросов 83
4.4.5. Основные характеристики работы ГУ 84
4.4.6. Основные результаты исследований работы ГУ 86
4.5. Результаты огневых испытаний модели 86
4.5.1. Исследованные режимы 88
4.5.2. Режим розжига 90
4.5.3. Исследование границ «бедного» срыва 91
4.5.4. Исследование концентраций вредных выбросов 99
4.5.5. Температурные поля за КС 103
4.5.6. Температура металла стенок модели 106
4.5.7. Методика оценки алгоритма работы натурной кольцевой КС 111
Основные результаты работы 118
Список литературы
- Методы сжигания газообразного топлива
- Результаты экспериментального исследования
- Описание алгоритма вычисления по предложенной методике
- Определение границ «бедного» срыва
Введение к работе
Актуальность диссертации
Настоящая работа посвящена исследованию на моделях низкоэмиссионной кольцевой камеры сгорания (КС) для ГТУ среднего класса мощности. Создание надёжных, эффективных и экологически совершенных газотурбинных установок является актуальной для современного энергомашиностроения проблемой. Предполагается, что подобные ГТУ в ближайшие годы будут востребованы энергетикой при модернизации и расширении действующих ТЭС, ТЭЦ, создании автономных источников энергоснабжения и др. В этой связи интерес к созданию низкоэмиссиопных КС и изучению процессов, протекающих в них, в настоящее время проявляют ведущие фирмы страны: НПО «Теплофизика», ФГУП «ЦИАМ», ОАО «ВТИ», ОАО «НПО ЦКТИ им. И.И. Пол-зунова», ОАО «Кузнецов», ОАО «Авиадвигатель», ОАО «А. Люлька - Сатурн», ФГУП ММПП «Салют», ОАО «Рыбинские моторы», ФГУП «Завод им. В.Я. Климова», АМНТК «Союз».
Аналитическое описание многосвязного взаимодействия различных по своей природе физических, химико-физических и ряда других процессов, характерных для КС, сопряжено со значительными трудностями. Поэтому, несмотря на многолетние исследования у нас в стране и за рубежом на стадии их проектирования, пока не удаётся избежать многоэтапных стендовых испытаний на моделях. От эффективности таких испытаний, в конечном счете, зависит объём доводочных работ, которые ложатся на заключительный и наиболее ответственный этап - испытание головного образца.
Целью работы является определение алгоритма работы кольцевых камер сгорания энергетических ГТУ, обеспечивающего работоспособность, эксплуатационную надежность и экологическую безопасность.
Научные задачи исследования:
Экспериментальное совершенствование алгоритма работы модели обеспечивающего ее оптимальные характеристики на режимах от запуска до номинальной нагрузки.
Исследование характеристик, определяющих работу модели КС: полноты сгорания топлива; границ бедного срыва; эмиссионных характеристик; температурного состояния стенок модели; полей температур продуктов сгорания; пульсационных характеристик.
Разработка методики, позволяющей оценить алгоритм работы натурной кольцевой КС на основании ее модельных испытаний.
Формулирование концепции создания одногорелочных стендов с жаровой трубой (ЖТ) квадратного поперечного сечения, позволяющих выдерживать натурные те-плонапряжения при сохранении близкого к натурному угла раскрытия факела. Усовершенствование методики расчета полноты сгорания топлива, обеспечивающей повышение точности ее определения.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: Экспериментально установлен алгоритм работы модели КС, обеспечивающий оптимальные характеристики от запуска до номинальной нагрузки. Полученные данные являются основой для разработки алгоритмов работы кольцевых КС. Исследованы основные характеристики работы модели КС на режимах от розжига до номинальной нагрузки.
Разработана методика, позволяющая оценить алгоритм работы натурной кольцевой КС на основании ее модельных испытаний.
Предложена новая концепция создания одногорелочных стендов, позволяющих выдерживать натурные теплонапряжения при сохранении близкого к натурному угла раскрытия факела.
Предложена уточненная методика расчета полноты сгорания топлива, учитывающая образование оксидов азота, компонентов природного газа и воздуха. Практическая ценность:
Экспериментально установленный алгоритм и характеристики работы модели КС позволяют сократить объем работ при проектировании и доводке кольцевых КС ГТУ.
Методика оценки алгоритма работы натурной кольцевой КС на основании ее модельных испытаний позволяет уменьшить количество доводочных экспериментальных работ.
Новая концепция создания одногорелочных стендов позволяет выдерживать натурные теплонапряжения при сохранении близкого натурному угла раскрытия факела.
Методика расчета полноты сгорания топлива позволяет с большей точностью оценивать качество работы КС.
Достоверность результатов работы обеспечиваются: комплексным расчетно-экспериментальным подходом при решении задач; сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований; сравнением результатов исследований с данными других авторов;
экспериментальной проверкой рекомендаций, выработанных на основе теоретических предпосылок;
использованием приборов, прошедших государственную поверку, и аттестованных методов измерения.
Личный вклад автора заключается в том, что им принято активное участие в проведении экспериментальных исследований и расчетов. Автором непосредственно выполнены: обработка, анализ и обобщение полученных результатов; разработка методики оценки алгоритма работы натурных кольцевых КС; разработка новой концепции одногорелочных стендов; усовершенствование методики определения полноты сгорания топлива.
Апробация основных положений работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на: LVII научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г. Уфа, 2010 г.), конференциях молодых специалистов СКБГТ и ЛГУ (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010 г.), I конференции молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «Силовые машины» (г. Санкт-Петербург 2010 г.), на научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» и кафедры «Турбомашины и комбинированные турбоустановки» СПбГПУ.
Публикация материалов работы: опубликованы четыре статьи, в том числе одна в реферируемых изданиях согласно перечню ВАК.
Автор защищает разработанные в диссертации:
Результаты комплексных экспериментальных исследований работы модели кольцевой КС ГТЭ-65 на режимах от розжига до номинальной нагрузки.
Методику оценки алгоритма работы натурной кольцевой КС на основании ее модельных испытаний.
Новый облик одногорелочных стендов, позволяющих выдерживать натурные теп-лонапряжения при сохранении близких к натурным углов раскрытия факела.
Уточненную методику расчета полноты сгорания топлива.
Реализация результатов работы. Материалы настоящей работы использовались ОАО «Силовые Машины» «ЛМЗ» при совершенствовании алгоритмов запуска камеры сгорания ГТЭ-65 от розжига до номинальной нагрузки.
Предложенная методика расчета полноты сгорания топлива использовалась при проведении расчетов на ОАО «Силовые Машины» «ЛМЗ», а также в качестве учебных материалов в СПбГПУ по курсу «Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав основного текста, изложенного на 118 стр., 39 рисунков и 23 таблиц; списка литературы, содержащего 115 наименований, в том числе 24 зарубежных публикаций; приложений, в которых дана сводка основных экспериментальных данных, сведения о стендовом оборудовании и использованных приборах для экспериментальных исследований, а также данные об апробации работы и внедрении её результатов.
Методы сжигания газообразного топлива
Горелочные устройства, применяемые в КС газотурбинных установок первого поколения, как правило, представляли собой системы сжигания топлива с диффузионным механизмом горения и соотношением воздух/топливо близким к стехиометрическому значению. Такой режим горения обеспечивал высокую полноту сгорания топлива и максимальную температуру в ЗГ, однако приводил к высокому содержанию оксидов азота в ПС.
Главным недостатком регистровых ГУ диффузионного типа [95, 89] является ограниченность зоны активного горения поверхностью нулевых значений осевой составляющей скорости на границе зоны обратных токов, представляющей собой поверхность эллипсоида. Этот факт приводит к укрупнению размеров ЗГ в осевом направлении [95]. Наличие зон со стехиометриче-ским соотношением, а также значительных осевых размеров зоны выгорания топлива, характерных для диффузионного горения, приводит к повышенным выбросам оксидов азота.
С другой стороны, с этими особенности диффузионного горения связаны его неоспоримые преимущества, благодаря которым оно до настоящего времени применяется в ГТУ: высокая устойчивость пламени в широком диапазоне соотношений воздуха и топлива; низкое содержание моноксида углерода и углеводородов в ПС; высокая полнота сгорания. Кроме того, к преимуществам КС диффузионного типа можно отнести простоту конструкции и управления, их легкость и надежность. Существует широкое многообразие способов реализации диффузионного сжигания топлива. Среди них установка различного рода турбулизаторов во фронтовом устройстве, способствующих увеличению поперечной составляющей скорости, введение в первичную зону воздуха через систему радиальных отверстий, выполненных в первых обечайках пламенной трубы [95, 89, 35] и т.д.
От недостатков КС диффузионного типа пробовали уйти применением микрофакельного диффузионного сжигания [81, 106, 48, 85], которое обеспечивает большую долю объема, приходящегося на зону обратных токов. Микрофакельное сжигание характеризуется большим количеством ГУ (80-100), как правило, расположенных в несколько рядов.
Особо следует отметить реализацию диффузионного горения в виде многозонного (многостадийного или многозонного) сжигания [79], которое дает новые возможности по совершенствованию рабочего процесса с пониженным выходом вредных выбросов, особенно на пусковых режимах. Данный прием реализуется в двух направлениях: сжигание топлива в двух бедных топливом зонах - «бедно-бедная» схема КС [86, 101]; сжигание топлива сначала в богатой зоне, а затем дожигание в бедной зоне - «богато-бедная» схема КС [61].
Многочисленные попытки создать низкоэмиссионную КС, основанную только на диффузионном горении, до сих пор не дали удовлетворительного результата [19], что привело к необходимости применения гомогенного механизма горения.
Особенностью ГУ с гомогенным механизмом горения является предварительное перемешивание топлива и воздуха с подачей в ЗГ готовой «бедной» ТВС. Это позволяет обеспечить невысокую температуру в ЗГ без локальных высокотемпературных областей, что способствует заметному снижению выбросов оксидов азота [95, 89, 35].
Принципиальная схема КС с предварительным смесеобразованием представляет собой комбинацию устройства внешнего смесеобразования и ЗГ этой предварительно подготовленной ТВС. Реализация такой схемы связана с определенными трудностями: существует опасность ПП из ЗГ в зону смешения; устойчивость горения такой предварительно перемешанной ТВС сохраняется только в узком диапазоне изменений коэффициента избытка воздуха (0,6 а 2).
С целью обеспечения работоспособности таких ГУ можно выделить следующие мероприятия: обеспечение высоких скоростей на выходе из ГУ с целью устранения ПП; создание закрученного потока на выходе из ГУ с целью уменьшения осевой составляющей скорости и стабилизации пламени; снабжение КС байпасом для регулирования количества воздуха, поступающего в первичную зону, с целью расширения устойчивого диапазона работы по а; включение в состав ГУ диффузионного контура с целью устранения срывных и пульсационных процессов и придания устойчивости факелу.
Как правило, схема гомогенного сжигания практически всегда используется в соединении с диффузионной схемой. Горел очные устройства, в которых эти две схемы соединены, называются гибридными [89, 35].
Именно направление гибридных ГУ является наиболее распространенным в современных разработках. Сегодня с ним связан широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований во многих странах мира. Особенно эффективной становится эта схема в сочетании с системой байпа-сирования воздуха за ЗГ.
Схемы, предусматривающие введение в КС системы байпасирования воздуха, существовали давно [10]. Однако широкого распространения в связи с усложнением конструкции они не получали, до тех пор, пока не обострилась проблема вредных выбросов.
В настоящее время мы отмечаем возрождение заинтересованности в применении таких схем, так как они позволяют значительно расширять диапазон устойчивой работы ГУ с предварительным перемешиванием топлива с воздухом, а значит, значительно уменьшать выбросы вредных веществ. Итак, обзор тенденций развития КС зарубежных и отечественных производителей позволяет сделать вывод, что модельное экспериментальное исследование и совершенствование рабочего процесса в кольцевых КС со сжиганием предварительно подготовленной ТВС и применением системы байпа-сирования воздуха представляет значительный научно-технический интерес. По-видимому, КС именно такого типа будут наиболее перспективны на современном этапе развития отечественного и зарубежного газотурбостроения
Результаты экспериментального исследования
Влияние типа системы охлаждения элементов КС было отмечено многими авторами. В КС первых поколений было принято применять пленочную систему охлаждения [95, 19], которая характеризуется наличием воздушной пленки, отделяющей стенки ЖТ от ЗГ. Однако было замечено, что наличие воздушной пленки приводит к захолаживанию пристеночных областей ЗГ и, как следствие, повышенному выходу СО [95]. В КС следующих поколений был осуществлен переход на конвективную систему охлаждения ЖТ, исключающую захолаживание пристеночных зон КС [14, 11].
Практический интерес представляет также исследование эффективности применения системы охлаждения исключающей пленочную завесу ЖТ в кольцевой КС.
Температурное поле газа на выходе из КС газотурбинного двигателя оказывает существенное влияние на ресурс работы турбины. Качество температурного поля оценивают по двум критериям: во-первых, по расположению максимума температурного поля, во-вторых, неравномерность температурного поля не должна превышать допустимых пределов [83].
За последние годы требования к допустимой величине неравномерности температурного поля заметно ужесточились. Согласно РТМ от 1984 года [70] для встроенных КС средняя относительная неравномерность температурного поля не должна быть более 25 %, в то время как в соответствии с техническим заданием форсированной камеры сгорания ГТЭ-65 от 2008 года [83] эта величина составляет 13 %.
В настоящее время, как правило, требуемую радиальную неравномерность температурного поля удается получить в результате сравнительно небольшой доводочной работы [30]. Более значительные трудности может вызывать доводка полей температур по окружной неравномерности кольцевых КС, особенно если количество ГУ этой камеры не превышает 20-ти. Ограниченное количество ГУ приводит к возникновению неравномерности в распределении топлива и воздуха в ЗГ камеры. В целях получения требуемой окружной неравномерности температурного поля автор работы [30] предлагает обеспечить достаточную глубину проникновения струй воздуха в поток в зоне смешения. В КС ГТЭ-65 эта проблема решается путем увеличения ГУ до 120 штук. Эффективность этого мероприятия нуждается в экспериментальной проверке.
В КС первых поколений разработчики старались по возможности уменьшить температуру стенок ЖТ КС. Для этого часто применялась пленочная система охлаждения [19]. Однако такая организация системы охлаждения приводила к захолаживанию пристеночных областей в ЗГ, что способствовало увеличению уровня эмиссии СО. Экспериментальные исследования, проведенные в работе [76] позволили автору сформулировать принцип снижения эмиссии СО: «Для снижения уровня эмиссии СО необходимо ...по возможности увеличивать температуру стенок жаровой трубы и снижать или полностью исключать дополнительное разбавление ТВС воздухом в системе охлаждения стенок жаровой трубы до завершения процесса горения». Таким образом, автор предлагает удерживать температуру стенок модели в некотором оптимальном диапазоне. Верхняя граница этого диапазона обусловлена жаропрочностью материала ЖТ, тогда как нижняя - требованиями по полноте сгорания топлива.
Одной из задач, которую можно решать в стендовых условиях, является проверка эффективности системы охлаждения КС, как с точки зрения надежности ее работы, так и удовлетворения требований к полноте сгорания топлива.
Из приведенного выше обзора следует, что имеется значительное количество отдельных экспериментальных данных, полученных в стендовых, иногда в не сопоставимых, условиях и в отдельных случаях противоречивых. В этой связи представляется необходимой разработка методики оценки основных параметров работы КС на режимах от запуска до номинальной нагрузки, базирующейся на комплексном подходе, включающем: исследование режима розжига; определение границ «бедного» срыва; измерение полей температур и концентрации вредных выбросов на выходе из модели; регистрацию температур стенок модели; анализ пульсаций давления. Предлагаемые методики расчета полноты сгорания топлива могут быть уточнены по нескольким параметрам, а существующие конструкции одногорелочных стендов - усовершенствованы в отношении улучшения условий моделирования, что создаст методическую основу для комплексных исследований рабочего процесса в КС.
Цель настоящего исследования определена как: экспериментальное определение алгоритма работы кольцевой камеры сгорания энергетической ГТУ, обеспечивающего ее работоспособность, эксплуатационную надежность и экологичность.
Научные задачи исследования, решаемые в диссертации для достижения поставленной цели: Экспериментальное определение алгоритма работы модели обеспечивающего ее оптимальные характеристики на режимах от запуска до номинальной нагрузки. Исследование характеристик, определяющих работу камеры сгорания: полноты сгорания топлива; границ бедного срыва; эмиссионных характеристик; температурного состояния стенок модели; полей температур продуктов сгорания; пульсационных характеристик. Разработка методики оценки основных параметров работы КС на режимах от запуска до номинальной нагрузки, обеспечивающих высокую экологичность и устойчивость процесса горения. Формулирование концепции создания ЖТ одногорелочных стендов, позволяющих выдерживать натурные теплонапряжения при сохранении близкой к натурной формы факела. Усовершенствование методики определения полноты сгорания топлива, путем снижения порога её чувствительности.
Описание алгоритма вычисления по предложенной методике
Опыт показывает, что отработка режима зажигания КС в процессе пус-ко-наладки головного образца ГТУ является достаточно сложным и трудоемким процессом, требующим достаточно большое количество пусков ГТУ (примерно 50 и более).
В целях исследования этого процесса на Испытательной станции камер сгорания проведены испытания по отработке режима устойчивого зажигания одного ГУ на одногорелочном стенде, а также выявлены режимные параметров, при которых возникает проскок пламени в ГУ.
Отладка режима розжига проведена в два этапа: отработан розжиг воспламенителя; розжиг самого ГУ от воспламенителя. При отработке зажигания ГУ основное внимание уделено определению входных параметров воздуха и газа, обеспечивающих надежность розжига без возникновения проскока пламени внутрь ГУ. Для этого на режиме холодной продувки ГУ газом подобраны параметры воздуха и газа (а, X, 0), которые обеспечили надежный розжиг. После этого реализован следующий порядок действий по розжигу ГУ: отключение подачи газа, продувка воздухом, розжиг воспламенителя путем подачи газа и искры, подачи газа в оба контура ГУ и его розжиг.
С целью получения устойчивого розжига испытания проведены при различных значениях скоростей воздуха Х,=0,2-0,4, долях топлива на диффузионное горение (20%, 10%, 5%) и коэффициентах избытка воздуха (а=1,7-1,8). В результате многочисленных опытов установлено, что устойчивое зажигание осуществляется при следующих параметрах в режиме холодной продувки газом: а=1,7-1,8, Х=0,39-0,4, 0=(1О-2О)%. После зажигания, выставленные при холодной продувке параметры, снижаются до а =1,0-1,1, Х =0,19-0,2. Процесс зажигания сопровождается резким увеличением температуры ПС до 900С, температура которых стабилизируется примерно через 4 с после начала зажигания.
Как видно из сравнения параметров режима перед и после розжига, приведенная скорость в момент розжига А. уменьшается на величину АХОС=0,19...0,20, коэффициент избытка воздуха а - на величину Лаос= 0,7...0,8.
В процессе запуска сделана попытка зажечь от воспламенителя только 1-й контур без подачи топлива во 2-й контур. Однако сделать этого не удалось, несмотря на изменение расхода газа в достаточно широких пределах от 0,05 до 0,62 г/с, что обеспечило изменение коэффициентов избытка воздуха в 1-м контуре а3, і в диапазоне от 0,007 до 1,03 (см. таблицу 4.4).
В процессе отработки розжига при подаче газа в 1-й контур с долей 0=5%, а= 1,7-1,8, =0,39-0,4 зафиксирован проскок пламени в ГУ. Основные параметры работы ГУ до проскока пламени, при его возникновении и выходе из него представлены в таблице 4.5 и на рисунке 4.7. Возникновение проскока пламени определено по резкому увеличению температуры воз духа на входе в оба контура ГУ и температуре ТВС в различных точках 2-го контура.
Выход из режима проскока пламени осуществлен сразу же после получения информации о росте температур путем закрытия отсечных клапанов подачи газа. Прекращение подачи топлива сопровождается снижением температуры воздуха и ТВС, а также ростом скоростей воздуха.
В процессе испытаний установлено, что на режимах устойчивого горения форма и размеры факела зависят от величины коэффициента избытка воздуха в ЗГ (а). Наиболее характерные для этих режимов фотографии факела с геометрическими размерами его видимой части представлены на рисунке 4.8. На рисунке 4.8а показан факел на режимах стехиометрии и «обедненной» смеси, на рисунке 4.86 - факел на режимах с «обогащенной» смесью, на рисунке 4.8в - факел пламени на режиме близком к границе «богатого» срыва.
Рис. 4.8. Факел пламени на режиме: а - стехиометрии и «обедненной» смеси (0=1,08-1,24, =0.218, 0=22,5); б - «обогащенной» смеси (а=0,88-0,97, Х=0.2. 0=22.5); в - «богатого» срыва (0=0,74, Х=0,203. 0=22,5) Сравнение приведенных фотографий показывает, что на режиме стехиометрии и «обедненной» смеси факел представляет собой усеченный конус с ярко выраженными образующими, исходящими от ЛК. При обогащении ТВС ярко выраженного конуса уже не наблюдается, и наиболее яркая часть факела удаляется от ЛК. При этом длина факела пламени по сравнению с режимом стехиометрии увеличивается со 145 до 260 мм.
Из анализа видеоизображений следует, что факел пламени на режимах зажигания имеет устойчивый характер и небольшие размеры, что должно обеспечить низкий уровень окружной неравномерности потока перед лопатками турбины.
Из анализа полученных результатов следует, что доля расхода топлива через 1 -й контур (при сохранении суммарного) значительно влияет на устойчивость горения. При уменьшении доли расхода топлива с 0=19,1% до 0=10,2% граница «бедного» срыва смещается с а=1,217 до а=1,169, а при отключении 1-го контура (0=0%) - снижается до а=1,101. Из этого следует, что с увеличением доли топлива в 1-й контур происходит рост запаса устойчивой работы ГУ. Однако с другой стороны это приводит и к увеличению эмиссии вредных выбросов NOx. Более подробно об этом ниже.
Для оценки влияния скорости воздуха в ГУ (X) на устойчивость горения при неиз- рис. 4.9. Границы «бедного» срыва (аср) при различных соотношениях топлива по контурам (@) менном расходе топлива проведены испытания при различных её значениях. При этом скорость воздуха снижается от исходного значения (А=0,232) до момента погасания пламени. Расход топлива через КС и соотношение его по контурам поддерживаются постоянными. Параметры работы КС при этих испытаниях приведены в таблице 4.7. В результате проведенных испытаний было установлено, что при скоростях потока ниже А=0,18 происходит срыв пламени.
В ходе многочисленных пусков определен диапазон устойчивой работы ГУ на режиме розжига, который составил по коэффициентам избытка воздуха а=0,75... 1,22, доле диффузионного топлива 0=10...25% и приведенной скорости воздуха А=0,18...0,232.
Полнота сгорания топлива Величина полноты сгорания топлива определена в соответствии с методикой, разработанной в главе 2 настоящей диссертации. Полнота сгорания оценена на режиме, при котором достигнута наибольшая точность измерения концентрации вредных выбросов. Таким является режим с суммарным коэффициентом избытка воздуха а=0,97, на котором взятие пробы проведено путем траверсирования выхлопного патрубка передвижным зондом.
В результате траверсирования получены следующие усредненные по сечению величины концентрации вредных выбросов: С(СН4)=0 ррт, С(СО)=2 ррт, C(NOx)=45 ррт. После пересчета этих данных получены следующие значения масс несгоревших веществ в ПС на 1 килограмм топлива: GCH4=0 г/кг, Gco=0 04 г/кг, GNOX=0 774 г/кг. Подставив полученные значения массы и теплоты сгорания в формулу (2.5) установлено, что полнота сгорания равняется 99,96% при допустимой величине 99,90%).
Определение границ «бедного» срыва
Результаты влияния байпаса на температуру металла ВС ЖТ представлены на рис. 4.23. Приводятся данные по 4-м термопарам (А 1, Б1, В1, Е2), с максимальным уровнем температур по сечениям ЖТ. Значения температур представлены в зависимости от текущего времени эксперимента.
Из анализа приведенных графиков следует, что ступенчатое прикрытие байпаса от ф=100 до 0% сопровождается ступенчатым понижением температуры металла по всем рассматриваемым термопарам и для всех соотношений 0J. Это обусловлено 2-мя факторами: обеднением ТВС и увеличением эффективности охлаждения вследствие увеличения перепада давления на стенках ЖТ. При этом влияние распределения топлива по контурам (О на температуру металла незначительно. В таблице 4.20. сведены температуры по всем исследованным режимам, зарегистрированные термопарой с макси 108 мальным уровнем температуры (Б1), которая установлена на ВС ЖТ в сечении Б-Б на расстоянии 70мм от ЛК (рис.4.5а).
Влияние положения байпаса на температуру ме- зависимость температуры металла НС представлено на рис. 5.6.3 в виде графиков изменения температуры во времени для различных положений байпаса. Приводятся показания 2-х термопар, одна из которых (Ту 1), установлена за байпасом на расстоянии 60мм от него, а другая (Тн1) перед байпасом у ЛК. Анализ приведенных графиков показывает, что влияние прикрытия байпаса на показания термопар, установленных до байпаса и за ним различно. При закрытии байпаса температура металла сегмента до байпаса снизилась, а после байпаса наоборот выросла. Различный характер изменения температур в исследуемых узлах обусловлен действием на них 2-х разных механизмов влияния байпаса на температуру металла. Первый заключается в том, что прикрытие байпаса приводит к увеличению перепада давлений на ЖТ, увеличению расхода охлаждающего воздуха, снижению температуры в ЗГ и как результат этого - к снижению температуры стенки. Второй механизм проявляется в непосредственном охлаждении стенки КС байпасным воздухом. В ЖТ, ЛК и ВС ГС снижение температуры их стенок обусловлено действием только 1-го механизма, а в наружном сегменте ГС действуют оба механизма. Рост температуры за байпасом после его закрытия объясняется более значительным влиянием 2-ого механизма, по сравнению с 1-ым.
Не высокий уровень температур стенок ЖТ и Л К (менее 630С) говорит об эффективности конвективной системы охлаждения ЖТ и импактно-пленочной системы охлаждения ЛК кольцевой КС. Кроме того, отсутствие воздушной завесы стенок ЖТ, свойственное конвективной системе охлаждения, позволяет практически до нуля снизить выбросы угарного газа СО. Температура НС ГС с пленочной системой охлаждения является достаточно высокой (962С).
Проведенные исследования температуры стенок ЖТ позволяют сделать вывод, что применение кольцевой КС обеспечивает значительный запас вторичного воздуха по сравнению с другими типами КС. Это позволит осуществлять дальнейшее увеличение температуры газа перед турбиной, что для других типов КС из-за дефицита вторичного воздуха затруднительно. Превышение температуры металла зафиксировано на маленькой доле площади поверхности ЖТ, и не влияет на общую картину.
Полученные результаты модельных испытаний КС ГТЭ-65 позволили разработать методику оценки алгоритма работы (коэффициентов избытка воздуха в зоне горения а и приведенной скорости А,) кольцевой КС. Управление рабочим процессом осуществляется путем применения байпаса воздуха ср за зону горения. Из-за сложности происходящих в КС процессов методика разбита на 3 части: розжиг; режимы от момента розжига до нагрузки 50 % от номинальной; режимы от 50 до 100 % нагрузки.
Методика для розжига должна позволить определить параметры работы модели перед моментом розжига (ах и А ) с учетом их резкого изменения в момент розжига таким образом, чтобы не допустить проскока пламени и срыва потока. В методике используются данные о давлении Рг и температуре Тг воздуха за КС перед розжигом, характеристика компрессора, для учета которой введен коэффициент z, а также данные эксперимента на моделях об оптимальных параметрах после розжига (аг и 2ц.).
Отношение расходов через турбину до и после розжига определим по известной формуле Стодолы-Флюгеля [38] записанной для одновальной ГТУ: где z - коэффициент характеристики компрессора на режиме розжига, определяется по совмещенной характеристике компрессора и турбины. Безразмерную плотность тока q(X) в сечении на выходе из ГУ перед розжигом определим по формуле (4.18). Приведенную скорость X в сечении на выходе из ГУ перед розжигом найдем из формулы (4.16). Коэффициент избытка воздуха в ЗГ перед розжигом вычислим по формуле (4.25). Байпас в момент розжига должен быть закрыт, а ДФ включена.
