Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов розжига камер сгорания газотурбинных установок и методов исследования вихревых течений 20
1.1. Способы зажигания горючих смесей в камерах сгорания и топках котлов турбоустановок 20
1.1.1. Накальный способ зажигания 21
1.1.2. Плазменный способ зажигания 21
1.1.3. Электроискровой способ зажигания 22
1.1.4. Факельно-искровой способ зажигания 25
1.2. Анализ конструктивных решений запальных устройств и надежности систем розжига камер сгорания и топок котлов турбоустановок 26
1.3. Экспериментальные и теоретические методы исследования вихревых течений в каналах и их основных характеристик 36
1.4. Методы проектирования запальных устройств турбоустановок 49
1.5. Основные выводы 52
2. Экспериментальный стенд, геометрические характеристики моделей вихрево го запально-стабилизирующего модуля и условия проведения испытаний 53
2.1. Конструктивные схемы и геометрические характеристики моделей вихревого запально-стабилизирующего модуля 53
2.2. Экспериментальные исследования аэродинамических и тепловых характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля на физических моделях и условия проведения испытаний 61
2.3. Теоретическое обоснование вихревого способа передачи пламени 75
2.4. Основные выводы 78
3. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований параметров закрученного потока и тепловых характеристик физических моделей вих ревого запально-стабилизирующего модуля 80
3.1. Структура и параметры закрученного потока воздуха в моделях вихревого запально-стабилизирующего модуля 80
3.2. Тепловые характеристики вихревого запально-стабилизирующего модуля на основных режимах горения 109
3.3. Основные выводы 116
4. Разработка и практическая реализация методики проектировочного расчета вихревого запально-стабилизирующего модуля 119
4.1. Основные допущения и положения методики расчета вихревого запально-стабилизирующего модуля 119
4.2. Тепловой расчет вихревого запально-стабилизирующего модуля 122
4.3. Конструктивный расчет вихревого запально-стабилизирующего модуля 134
4.4. Анализ результатов расчета геометрических характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля и оценка достоверности методики инженерно-проектировочного расчета 146
4.5. Сравнительный анализ теоретического и экспериментального исследования тепловых характеристик вихревого запально стабилизирующего модуля 151
4.6. Рекомендации по применению вихревого запально-стабилизирующего модуля в энергетических турбоустановках 154
4.7. Основные выводы 158
Заключение 160
Список литературы 162
- Электроискровой способ зажигания
- Экспериментальные исследования аэродинамических и тепловых характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля на физических моделях и условия проведения испытаний
- Тепловые характеристики вихревого запально-стабилизирующего модуля на основных режимах горения
- Анализ результатов расчета геометрических характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля и оценка достоверности методики инженерно-проектировочного расчета
Введение к работе
Актуальность проблемы. Режимы запусков газотурбинных (ГТУ) и паротурбинных установок (ПТУ) являются важнейшими динамическими характеристиками их маневренных свойств. При пуске энергетических турбоустановок широко используются факель- но-искровые системы розжига камер сгорания (КС) и топок котлов, в которых используются газовые запальные устройства (ЗУ). Одним из основных требований, предъявляемых к этим системам розжига, является обеспечение высокой эксплуатационной надежности их элементов и, в частности, запально-горелочных устройств. Отказы запальных устройств приводят к отсрочке запуска турбоустановок и, следовательно, несвоевременному вводу их в электросеть, недовыработке электроэнергии, потере топлива, снижению ресурсных показателей, а в ПТУ - к нарушению взрывопожаробезопасности котельных агрегатов.
Надежность розжига КС зависит как от ее конструктивного исполнения и оптимальной компоновки системы розжига с горелочным устройством, так и от тепловых и рабочих характеристик запального факела. В КС и котлах для расширения режимов горения применяются «дежурные» горелочные устройства. Повысить температуру факела запально-стабилизирующего горелочного устройства, его устойчивость к внешним потокам различной пространственной ориентации и расширить пределы горения позволяет реализация в их конструкции вихревого способа передачи пламени (ВСПП) в объем КС за счет предварительной закрутки горючей смеси на входе в вихревую трубу и полного предварительного смешения горючего газа с воздухом. В соответствии с принципом работы эти системы получили название вихревых запально-горелочных устройств (ВЗГУ) [4, 8]. Рассматривая КС ГТУ с позиций системного анализа, можно выделить в качестве самостоятельного системообразующего модуля запально-стабилизирующее горелочное устройство.
Широкое внедрение перспективных вихревых запально-стабилизирующих модулей (ВЗСМ) до недавнего времени сдерживалось отсутствием данных о влиянии геометрических параметров конструкции на их тепловые и рабочие характеристики, а также отсутствием методики их инженерно-проектировочного расчета. Поэтому исследование тепловых и рабочих характеристик ВЗСМ на физических моделях и разработка методики проектировочного расчета конструкции ВЗСМ является весьма актуальной задачей.
Цель настоящей работы заключается в совершенствовании системы розжига камер сгорания и топок котлов турбоустановок на основе теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических, тепловых и рабочих характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля (ВЗСМ), а также разработке инженерно-проектировочного расчета его конструкции.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: - разработать лабораторный стенд для экспериментального исследования ВЗСМ, схемы измерений, оснастить его необходимыми датчиками и измерительной аппаратурой, а также разработать научно обоснованные физические модели ВЗСМ;
выполнить экспериментальное исследование влияния геометрических параметров моделей ВЗСМ на аэродинамические характеристики потока в условиях продувки этих моделей потоком воздуха (без горения);
выполнить экспериментальное исследование влияния геометрических параметров моделей ВЗСМ, коэффициента избытка воздуха на изменение температуры и длины факела;
определить диапазон рабочего регулирования и характеристику устойчивости горения ВЗСМ;
выполнить сравнительный анализ пределов рабочего регулирования, температур и длин запального факела ВЗСМ и запально-защитного устройства (ЗЗУ);
разработать математическую модель работосопособной длины трубы ВЗСМ на основе аналитического обобщения результатов комплексных исследований его аэродинамических и тепловых характеристик;
разработать методику инженерно-проектировочного расчета конструкции вихревого запально-стабилизирующего модуля с тепловой мощностью 0,5... 150 кВт;
разработать практические рекомендации по использованию ВЗСМ в камерах сгорания и топках котлов турбоустановок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан уникальный лабораторный стенд для экспериментального исследования рабочих характеристик ВЗСМ на физических моделях с длиной трубы от 0,15 до 3 м;
разработаны научно-обоснованные физические модели ВЗСМ, применение которых в экспериментальных исследованиях позволяет осуществлять необходимый спектр экспериментальных исследований, с варьированием геометрических параметров этих моделей в достаточно широком диапазоне;
теоретически обоснован и экспериментально подтвержден вихревой способ передачи пламени (ВСІ 111) в ВЗСМ, использование которого позволяет улучшить рабочие характеристики запальных и дежурных горелочных устройств КС и котлов турбоустановок;
получено аналитическое выражение зависимости интенсивности закрутки потока от конструктивного параметра закручивающего устройства (завихрителя) и разработана математическая модель изменения интенсивности закрутки потока вдоль трубы с учетом ее длины, шероховатости внутренней стенки и начальной интенсивности закрутки;
впервые определены тепловые характеристики ВЗСМ на основных режимах горения и аналитическая зависимость длины факела от коэффициента избытка воздуха а =0,7.1,5 и интенсивности закрутки потока на выходе из трубы Ф*вых =2,2.3,5;
впервые получена характеристика устойчивости факела ВЗСМ и определен диапазон его рабочего регулирования по расходу газа;
определены оптимальные параметры начальной интенсивности закрутки потока с учетом шероховатости внутренней стенки вихревой трубы, коэффициента избытка воздуха, величины относительного конфузорного сужения, давлений воздуха и газа, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность ВЗСМ;
впервые разработана методика проектировочного расчета ВЗСМ и осуществлена ее компьютерная реализация, позволяющая оперативно осуществлять оптимизацию конструкции модуля с требуемой длиной свободного факела для заданных условий эксплуатации.
Достоверность полученных результатов обеспечивается выполненным значительным объёмом научно обоснованных экспериментальных исследований, корректностью методики обработки опытных данных, применением апробированных методов теории подобия, удовлетворительным совпадением экспериментальных данных и расчетных величин, полученных в программном комплексе «Fluent», а также удовлетворительным совпадением геометрических и режимных параметров конструкций ВЗСМ, выполненных по разработанной автором методике проектировочного расчета, с соответствующими параметрами конструкций ВЗГУ, созданных путем длительной их экспериментальной отработки.
Практическая значимость и внедрение:
созданный при участии автора уникальный лабораторный стенд позволяет осуществлять экспериментальные исследования рабочих процессов и режимов горения факела в ВЗСМ, различающихся тепловой мощностью;
теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный автором вихревой способ передачи пламени (ВСПП) в трубах ВЗСМ может быть реализован в различных технических устройствах, функционирование которых предполагает транспортировку пламени внутри трубы на значительное расстояние: запально-горелочных устройствах КС и котлов, вихревых пламеперебрасывающих патрубках (ВПП) камер сгорания, микрофакельных КС, а также в вихревых горелках нагрева (ВГН), используемых в технологических операциях при производстве монтажных и демонтажных работ турбомашин [4, 11];
полученные тепловые характеристики ВЗСМ на основных режимах горения и аналитическая зависимость длины факела от коэффициента избытка воздуха а и интенсивности закрутки потока на выходе из трубы Ф*вых позволяют осуществлять оптимальную компоновку вихревого модуля с горелочными устройствами КС и топок котлов;
полученные характеристики устойчивости факела и рабочего регулирования по расходу газа ВЗСМ позволяют в эксплуатационных условиях осуществлять выбор оптимального режима горения;
определены оптимальные параметры следующих величин, учет которых позволяет обеспечить высокую эксплуатационную надежность ВЗСМ: начальной интенсивности закрутки потока с учетом шероховатости внутренней стенки вихревой трубы, коэффициента избытка воздуха, величины относительного конфузорного сужения, давлений воздуха и газа;
разработанная методика инженерно-проектировочного расчета ВЗСМ и ее компьютерная реализация, позволяют сократить затраты времени и материальные средства на разработку эффективных вихревых модулей различных мощностей и назначения для заданных условий эксплуатации и длины свободного факела Ьфj d тр =0,5... 10;
полученные результаты исследования могут быть использованы при проектировании новых и модернизации, находящихся в эксплуатации, конструкций ВЗГУ;
ВЗГУ внедрены в КС ГТУ типа ГТ-100, ГТЭ-65 и ГТЭ-150, ЛМЗ, а также в котлах типа ТГМ и ПТВМ. Методика проектировочного расчета ВЗСМ принята к внедрению в ОАО «Силовые машины».
Автор защищает:
-
-
Методику инженерно-проектировочного расчета вихревых запально- стабилизирующих горелочных модулей.
-
Аналитические зависимости:
интенсивности закрутки потока на входе в трубу от конструктивного параметра закручивающего устройства тангенциального типа, реализующего две зоны рециркуляции;
диаметра приосевого обратного тока на входе в трубу от интенсивности закрутки с учетом конфузорного сужения выходного сечения камеры закручивающего устройства.
Математическую модель ВЗСМ, определяющую интенсивность закрутки потока в произвольном поперечном сечении вихревой трубы и ее рабочую длину в зависимости от относительной шероховатости внутренней стенки и начальной интенсивности закрутки.
Тепловые характеристики ВЗСМ, полученные в стендовых условиях на физических моделях и, содержащие, следующие зависимости:
температуры факела от коэффициента избытка воздуха на режимах горения;
длины свободного факела от коэффициента избытка воздуха и интенсивности закрутки на выходе из трубы.
Характеристики устойчивости факела и пределов рабочего регулирования по расходу газа вихревых запально-стабилизирующих модулей различной тепловой мощности.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на Х Всероссийской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» (Москва, 1996г.); на ХЬІУ научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва, 1997г.); на НТС ПИМаш с участием представителей базовых предприятий и организаций (Санкт-Петербург, 1997, 1998, 1999 и 2000г.); Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2002г.) и на Международной научной конференции «Современное турбостроение» (Санкт- Петербург, 2004г.); НТС кафедры «Турбиностроение и средства автоматики» ПИМаш (Март 2012г.); НТС кафедры «Турбинные установки и двигатели» СПбГПУ (май 2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 статьи — в рецензируемых изданиях по списку ВАК.
Личный вклад автора заключается: в разработке экспериментального стенда и физических моделей ВЗСМ, схемы измерений и оснастки стенда; подготовке и проведении экспериментальных исследований; обработке и анализе экспериментальных данных, разработке аналитических зависимостей и математической модели ВЗСМ; разработке методики проектировочного расчета ВЗСМ и ее компьютерной реализации; выполнении комплекса проектировочных расчетов ВЗСМ и сравнение их характеристик с опытно-промышленными образцами ВЗГУ; разработке рекомендаций по применению ВЗСМ в КС ГТУ и котлах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы, иллюстраций и 13 приложений. Работа изложена на 170 листах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 35 рисунков. Общий объем диссертации составляет 216 листов формата А4. Список литературы включает 96 наименований.
Электроискровой способ зажигания
В последнее время наметились тенденции широкого использования в топливно-энергетическом балансе страны низкосортных топлив, в частности, сильно забалластированных углей с низким выходом летучих веществ и остаточных жидких топлив с высоким содержанием ароматических углеводородов и смол. Розжиг горелочных устройств котлов, работающих на пылеугольном и тяжелом остаточном топливе, в этом случае затрудняется. Поэтому в последнее время актуальное значение приобретает разработка технологии розжига горелок без предварительной растопки котла на газе. В этом направлении перспективным является плазменный способ зажигания [46, 71]. Плазменные системы зажигания позволяют получить зону высоких температур от 2000 до 10000 К, увеличить мощность разряда, уменьшить время задержки воспламенения, расширить границы зажигания горючих смесей различной концентрации и физико-химических свойств. Этот способ эффективен в тех случаях, когда на станции отсутствует газоснабжение или его невозможно использовать вследствие требований пожаро- и взрывобезопасности, например, как в авиационных и судовых газотурбинных двигателях (ГТД).
В настоящее время известны и нежелательные явления, протекающие при высокотемпературной струе плазмы, такие как диссоциация продуктов сгорания с неполным выделением теплоты и высокая концентрация оксидов азота. На пути широкого применения таких систем стоят проблемы, основной из которых является высокотемпературная эрозия поверхности катодной вставки, что существенно ограничивает ресурс воспламенителя в зависимости от силы тока дуги, условий эксплуатации, материала электродов и рабочего газа. Для увеличения ресурса электродов используются вставки из гафния с добавлением редкоземельных металлов, инертные газы для эффективной защиты катода и анода от эрозии и принудительное охлаждение. Все эти проблемы сдерживают широкое промышленное использование плазменных воспламенителей.
Электроискровой способ зажигания объединяет три основные группы высокотемпературных источников (рис.1): транспортные свечи зажигания с энергией разряда около 0,05 Дж, электродуговые разрядники с энергией разряда до 2 Дж и свечи поверхностного разряда с энергией разряда от 2 до 4 Дж и выше в зависимости от конструктивного исполнения.
Главное преимущество электроискрового способа зажигания заключается в непосредственном преобразовании электроэнергии в тепловую энергию. При этом способе зажигания упрощается разводка компактных коммуникаций - проводов, объединяющих источник электроэнергии и свечу в систему розжига. Такие системы имеют малые габаритные размеры и вес, позволяют точно контролировать и регулировать величину энергии, а также длительность разряда. Простота конструкции и обслуживания, а также управления системой розжига с включением ее в систему автоматики создают удобства в эксплуатации.
С учетом авиационного опыта свечи поверхностного разряда применялись в установках, работающих на газе типа ГТ-25 ЛМЗ, ГТ-50 ХТГЗ, а также в КС приводных газокомпрессорных станций ГТ-700 НЗЛ, ГТ-6 УТМЗ, ГТ-9 КТЗ и ряде других. Обычно свечи поверхностного разряда используют в комбинации с дежурными горелками. Из опыта экспериментальной отработки КС с электроискровым зажиганием известно влияние концентрации, давления, температуры, скорости смеси и геометрических параметров свечи на энергию разряда [28, 31, 39-50, 81,93-96].
При компоновке свечи зажигания с горелочным устройством, обычно возникают трудности, которые заключаются в необходимости с одной стороны обеспечить надежность зажигания смеси, а с другой соблюсти необходимый тепловой режим свечи для обеспечения длительного срока ее службы. Эта проблема решалась по-разному в зависимости от конструкции КС. В некоторых камерах НЗЛ неподвижно установленная свеча помещалась в центр или несколько смещалась в бок от оси горелки и находилась в потоке холодного воздуха. В некоторых конструкциях КС ЛМЗ и ХТГЗ для увеличения ресурса свечей зажигания и надежного розжига применялись сервомоторы для ввода-вывода свечей при запуске ГТУ, в результате чего система зажигания существенно усложнялась [35, 46,47]. Опыт длительной эксплуатации свечей поверхностного разряда, например, в КС ГТ-700-4 НЗЛ показал, что они малоэффективны вследствие невысокого ресурса. Находясь под воздействием излучения факела горелки и окислительной среды, свеча быстро разрушается вследствие коррозии и эрозии, что вызывает изменение положения искры на поверхности свечи, появлению трещин и возгоранию полупроводникового слоя вместе с электродами. В результате выход из строя свечи зажигания приводил к частым отказам запуска ГТУ. В КС ГТ-700-5 НЗЛ свеча помещалась во внутреннюю полость основной газовой горелки и была защищена от воздействия излучения огневой зоны лопатками регистра дежурной горелки. Долговечность в этом случае системы зажигания повысилась, но наличие протечек еще до открытия запального крана приводили к переобогащению смеси, что приводило к периодическим отказам запуска ГТУ [31, 35]. Для решения этой задачи требовалось использовать чувствительные и герметичные газорегулирующие краны в схеме автоматического управления ГТУ с тем, чтобы обеспечить плавное изменение концентрации смеси в области свечи ввиду узких пределов горения метана.
В работах [2, 6, 31, 35, 41, 49, 68, 71, 93-96] приведены экспериментальные данные, критерии и условия зажигания, а также полуэмпирические зависимости определения минимальной энергии разряда.
Требование работы КС на жидком топливе приводит к необходимости увеличения тепловой мощности источника зажигания, ввиду того, что большая ее часть затрачивается на испарение. Актуальность этого требования возрастает при работе ГТУ по сложной тепловой схеме с промежуточным подводом тепла вследствие того, что в этом случае в КС низкого давления поступает воздух, забалластированный продуктами сгорания.
Экспериментальные исследования аэродинамических и тепловых характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля на физических моделях и условия проведения испытаний
Структура и аэродинамические характеристики закрученного потока в проточной части ВЗСМ исследуются на препарированных моделях оснащенных направляющими трубками 1 (рис.5), которые предназначены для радиального ввода датчиков локального измерения угла подъема потока, давления торможения и статического давления.
В моделях ВЗСМ, конструктивная схема которых приведена на рис.6, а используется вихревая труба 8 без конфузора на входе в нее. В моделях, конструктивная схема которых представлена на рис.6, б используется конфузор 9 конической формы расположенный в выходном сечении камеры 7 закручивающего устройства. Для исследования аэродинамических характеристик потока в изотермических условиях модели продуваются воздухом, подаваемым в тангенциальный вход 5. Модели ВЗСМ с тангенциальным входом цилиндрической формы (рис.6, а) характеризуются следующими геометрическими параметрами: FK = nDK /4 - площадь внутреннего поперечного сечения камеры; Fc = ndc /4 - площадь наименьшего внутреннего поперечного сечения входа; RK - внутренний радиус камеры закручивающего устройства; гс - наименьший внутренний радиус тангенциального входа, LK - длина вихревой камеры и f3K - конструктивный угол закручивающего устройства; Lex -RK-rc - плечо закрутки (рис.6, в). Для моделей с тангенциальным входом эллипсоидной формы (рис.6, б) дополнительно приняты следующие геометрические параметры: Fc -жhc bc/4 - площадь внутреннего поперечного сечения тангенциального входа, hc - высота входа, Ъс - ширина входа и Lex - RK - (hc/2) - плечо закрутки потока (рис.6, в).
Оптимальная относительная длина камеры закручивающего устройства в моделях ВЗСМ составляет LK/DK =1,5...3 и принимается пропорционально ее внутреннему диаметру. В отличие от обычной конструкции закручивающего устройства, в котором тангенциальный вход расположен у герметичного торца камеры в закручивающем устройстве моделей ВЗСМ вход 5 в количестве одного (/=1) расположен посередине камеры, то есть на расстоянии от ее торца равным LmK/DK =0,75... 1,5 (см. рис.5). Данное обстоятельство является конструктивной особенностью закручивающего устройства моделей ВЗСМ.
В качестве варьируемых геометрических параметров моделей ВЗСМ принимаются следующие безразмерные комплексы: FK/FC - отношение площади поперечного сечения камеры к площади наименьшего поперечного сечения тангенциального входа и Lex /RK - отношение плеча закрутки потока к внутреннему радиусу камеры. Произведение приведенных безразмерных комплексов представляет конструктивный параметр закручивающего устройства Ф вх к (1.4) при принятом в опытах постоянным конструктивном угле закрутки /?K=90. Дополнительно в качестве варьируемых параметров моделей ВЗСМ принимаются следующие относительные величины: длина трубы Lmpjdmp, шероховатость ее внутренней стенки 2А/ dmp и величина конфузорного сужения выходного сечения камеры FmpjFK, которая представляет собой отношение площади поперечного сечения трубы к площади поперечного сечения камеры закручивающего устройства.
В конструкции вихревой трубы моделей ВЗСМ (рис.5, поз.8) предусмотрена возможность изменения ее длины за счет герметично соединяющихся по проточке цилиндрических колец длиной tKOnjdmp =1,5 для определения опытным путем в условиях с горением минимального значения интенсивности закрутки факела на выходе трубы Ф вьіх.тіп ПРИ котором обеспечивается его устойчивое развитие.
Одной из задач исследований является определение зависимости интегрального параметра закрутки на входе в трубу Ф вх от конструктивного параметра закручивающего устройства Ф вх к с принятым расположением тангенциального входа. Для решения поставленной задачи разработаны модели ВЗСМ, относительные геометрические параметры которых приведены в табл.2.1.
Таблица 2.1 Относительные геометрические характеристики моделей ВЗСМ для определения зависимости интенсивности закрутки Ф вх от конструктивного параметра Ф вх.к закручивающего устройства № модели FKIFC А?х К-к тр1тр Ф вх.к тр1 к 1 6,8 0,62 18,3 4,2 1 2 11,4 0,70 14,2 8,0 3 16,2 0,75 11,9 12,2 4 18,4 0,77 11,1 14,2 Для каждой модели по геометрическим характеристикам расчетом получен конструктивный параметр закручивающего устройства Ф вхк, значения которого приведены в табл.2.1. Модель №3 ВЗСМ принимается для построения схемы течения потока в осевом направлении вдоль трубы (П.2, табл.1). Для исследования влияния относительной величины конфузорного сужения выходного поперечного сечения камеры FmpjFK (угла сужения конфузора 2у) на кинематику потока и его аэродинамические характеристики на входе в трубу, а также работоспособность в условиях с горением разработаны геометрически подобные модели ВЗСМ, конструктивная схема которого представлена на рис.5, б. Основные безразмерные комплексы моделей приведены в табл.2.2.
Модель №3 (табл.2.2) дополнительно предназначена для проведения рас-четно-теоретических исследований кинематических параметров потока в стандартном газодинамическом программном комплексе (СГПК) реализуемом на персональном компьютере (ПК) с тем, чтобы количественно сравнить экспериментальные значения составляющих скорости с результатами расчета и оценить корректность их измерений в приосевой области с малым уровнем скорости. Для определения зависимости относительного диаметра приосевого возвратного тока d0 m/dmp от интенсивности закрутки на входе Ф вх и величины конфузорного сужения выходного сечения камеры закручивающего устройства FmplFK разработаны модели ВЗСМ, относительные геометрические характеристики которых представлены в табл.2.3.
Тепловые характеристики вихревого запально-стабилизирующего модуля на основных режимах горения
Целью конструктивного расчета является выбор оптимальных геометрических параметров закручивающего устройства, при которых на выходе заданной длины вихревой трубы ВЗСМ обеспечивается устойчивый факел. В заключительной части проводится расчет режимов горения при изменении коэффициента избытка воздуха в диапазоне а =0,7... 1,5 для определения тепловых характеристик факела, которые включают изменение его средней температуры и длины в спроектированной конструкции.
В основе конструктивного расчета положены полуэмпирические зависимости, полученные обобщением результатов экспериментальных исследований на физических моделях ВЗСМ. Расчет начинается с определения основных геометрических параметров конструкции и отдельных элементов ВЗСМ: - площадь поперечного сечения и диаметр тангенциального подвода (при работе ВЗСМ на предварительно подготовленной смеси) Fc, м ; dc,u: Fc= М , dc=J4Fc/7r, (4.4) РСМ1 Юс CM где GcM, кг/с - общий расход смеси; Рсмі кг/м3 - плотность горючей смеси при а = \ и принятом ее давлении перед сопловым входом закручивающего устройства: _ РСМ1 Рсмі - — г КСМ1 1СМ где RcMh Дж/кг-К - газовая постоянная горючей смеси; Тсм, К - температура горючей смеси из условий эксплуатации ВЗСМ; Рсмі = РПР + CMh Па - абсолютная величина давления смеси перед тангенциальным подводом ВЗСМ; Pjjp, Па - абсолютная величина противодавления перед устьем вихревой трубы ВЗСМ; АРсмі, Па - избыточное давление горючей смеси перед тангенциальным подводом, которое составляет 0,49...5,9 кПа (что соответствует рабочим давлениям ВЗСМ ДР /7=50...600 ММ ВОД СТ); СОССМ, м/с - среднее значение скорости горючей смеси в тангенциальном СОПЛОВОМ подводе определяемое по перепаду давлений:
На данном этапе предусмотрена возможность варьирования величиной избыточного давления смеси перед тангенциальным подводом PQMI ИЗ выше заданного интервала, что позволяет изменять при принятой тепловой мощности ВЗСМ диаметр тангенциального подвода по выражениям (4.4) в диапазоне 5...34 мм и в дальнейшем конструктивный параметр закрутки потока; - площадь поперечного сечения и диаметр тангенциального подвода (при раздельном подводе компонентов смеси Fc, м2; dc, м:
Рв яв-тв где Rft, Дж/кг-К - газовая постоянная воздуха; Tg, К - температура воздуха из условий эксплуатации ВЗСМ; PBj = РПр + APg/, Па - абсолютное давление перед тангенциальным входом; APg;, Па - избыточное давление воздуха перед тангенциальным входом из интервала 0,49...5,9 кПа (что соответствует давле 135 ниям APg;=50...600 мм вод ст); сос д, м/с - среднее значение скорости воздуха в тангенциальном входе определяемое по перепаду давлений:
На этом этапе предусмотрена возможность варьирования величиной избыточного давления воздуха перед тангенциальным подводом APg; из заданного интервала, что позволяет изменять при принятой тепловой мощности ВЗСМ эквивалентный диаметр тангенциального подвода по выражениям (5) в диапазоне 5...34 мм и в дальнейшем конструктивный параметр закрутки потока; где GQM , кг/с - общий массовый расход смеси; Pjjp.n кг/м3 - плотность продуктов сгорания при средней температуре факела и принятом противодавлении; & ПР.Г м с среднемассовая скорость продуктов сгорания в вихревой трубе, значение которой принимается в ходе последовательных приближений из интервала 10...65 м/с до обеспечения требуемого диаметра трубы по условиям компоновки ВЗСМ с горелочным устройством; где FKOH =0,44... 1,0 - относительная величина конфузорного сужения вихревой камеры из заданного интервала. В первом приближении принимается FK0H=\ и уменьшается при необходимости в ходе расчета (см. рекомендации по применению методики расчета ВЗСМ); - конструктивный параметр тангенциального закручивающего устройства ВЗСМФ вхк [4,81]: - при цилиндрической форме поперечного сечения тангенциального входа: _FK Lex где кг - показатель адиабаты горючего газа; Рг2- Па - абсолютное значение давления газа за дросселем (при раздельном подводе компонентов горения принимается равным давлению воздуха Рр2- ПРИ работе ВЗСМ на предварительно подготовленной смеси принимается равным Рсмі) - "г " коэффициент расхода газа в зависимости от числа Re и формы сужения дросселя [25]; Рп - абсолютное давление газа перед дросселем принимается равным Рп- Ргг 98066,5 + P[jp, где АРр; - избыточное давление горючего газа (АРр; =0,2... 1,2 кгс/см ); рГ], кг/м - плотность газа при давлении Рп ратного уравнения; k0 - коэффициент равный относительной шероховатости трубы ВЗСМ (k(j=A = 2A/dpp ); Ф вх - интегральный параметр закрутки потока на входе в трубу; Ф вых т\п-\,Ъ - минимальное значение интегрального параметра закрутки потока в выходном сечении трубы, при которых сохраняется устойчивым свободный факел ВЗСМ (вследствие отрицательного дискриминанта квадратное уравнение имеет два корня решения, искомым является наименьшее значение); если не выполняется условие Lpp тах Lpp максимальная длина вихревой трубы меньше заданной длины по условиям компоновки ВЗСМ с горелочным устройством необходимо повторить конструктивный расчет сначала до выполнения приведенного выше условия. Для удовлетворения условия необходимо увеличивать конструктивный параметр закрутки потока изменением геометрических параметров закручивающего устройства ВЗСМ в соответствии со следующими рекомендациями: уменьшения диаметра тангенциального подвода в соответствии с заданным диапазоном в выражении (4.4) или (4.5), увеличением диаметра вихревой трубы в выражении (4.6), увеличением плеча закрутки потока за счет перехода от цилиндрической формы тангенциального подвода к эллипсоидной форме, уменьшением относительной величины сужения вихревой камеры в соответствии с выражением (4.7) для заданного интервала, уменьшением величины шероховатости вихревой трубы ВЗСМ.
При каждом новом значении максимальной длины трубы необходимо, чтобы изменяемые параметры находились в граничных условиях (см. п.2.1). В случае выхода за пределы границ любого из параметров конструкции проект невозможно реализовать при заданной длине вихревой трубы и необходимо изменять условия компоновки ВЗСМ с горелочным устройством. При соблюдении граничных условий в расчете принимаем требуемую длину трубы, и переходим к следующему пункту:
Анализ результатов расчета геометрических характеристик вихревого запально-стабилизирующего модуля и оценка достоверности методики инженерно-проектировочного расчета
Высокотемпературный факел вихревого запально-стабилизирующего модуля (ВЗСМ) кинетического типа обладает высокой устойчивостью к внешним потокам различной пространственной ориентации и гравитационным силам ввиду протяженных зон рециркуляции в вихревой трубы, способствующих стабилизации и расширению эффективных границ горения, а также интенсификации тепло- и массообменных процессов в потоке горючей смеси [58, 59].
Закрученный факел ВЗСМ благодаря высокой эжекционной способности позволяет интенсифицировать тепло- и массообменные процессы с окружающей внешней средой или внешним потоком при малых габаритных размерах и весе конструкции. Тепловая мощность ВЗСМ составляет от 2 до 150 кВт и относится к маломощным однопоточным вихревым горелкам. Данные обстоятельства предопределяют область применения ВЗСМ в энергетических турбоустановках [60, 61]. В практике известно опытно-промышленное использование ВЗСМ в качестве запального устройства для розжига горелочных устройств КС или топки котла, дежурной горелки для стабилизации факела основной горелки на предельных ее режимах работы [85], а также в качестве технологической горелки нагрева при сборке крупногабаритных элементов турбомашин [86].
Объединение нескольких модулей ВЗСМ в один пакет позволяет в несколько раз увеличить тепловую мощность и расширить диапазон ее регулирования, что открывает более широкие возможности практического применения данного устройства. На основе ВЗСМ разработаны принципиально новые конструкции патрубков для переброски пламени между жаровыми трубами блоч-но-секционных камер сгорания, позволяющих обеспечить высокую надежность розжига [44].
По данным экспериментальных исследований установлен оптимальный диапазон конструктивного параметра закручивающего устройства ВЗСМ, который составляет Ф вхж =4,2... 14,2 и соответствует интенсивности закрутки потока на входе в вихревую трубу Ф вх=1,77..А,2 [62].
Местное сужение за счет установки конического конфузора в выходном сечении камеры закручивающего устройства способствует повышению устойчивости горения. Оптимальный диапазон сужения выходного сечения камеры закручивающего устройства по данным экспериментальных исследований составляет FKOH =0,44. ..1,0.
При местном сужении в полости вихревой трубы уменьшается диаметр возвратного приосевого тока и увеличивается длины фронта пламени, что приводит к снижению разности температур потока на входе и выходе трубы ВЗСМ. В результате снижается вероятность пульсации пламени обусловленной термическим механизмом. Наличие конфузора устраняет радиальную неравномерность потока на выходе камеры закручивающего устройства и приводит к его ускорению, сокращая время выхода фронта пламени в окружающую среду [66]. в условиях с горением оказались неработоспособными ввиду отсутствия зоны стабилизации, что обусловлено значительным уменьшением диаметра при-осевого возвратного тока вплоть до его вырождения.
По данным экспериментальных исследований установлено минимальное значение интенсивности закрутки потока на выход вихревой трубы, которое составляет Ф вых mjn = l,3. При меньших значениях модели ВЗСМ распространение фронт пламени неустойчиво ввиду сравнительно быстрого затухания закрутки потока в свободном пространстве [88].
На начальном участке вихревой трубы величина интенсивности закрутки потока уменьшается более интенсивно, что обусловлено формированием пристеночного пограничного слоя и обтеканием бугорков шероховатости с отрывом. Далее по потоку толщина пограничного слоя возрастает и вследствие вязкого подслоя поток плавно обтекает выступы, что приводит на основном участке к менее интенсивному снижению параметра закрутки потока.
Максимальная рабочая длина вихревой трубы ВЗСМ зависит от интенсивности закрутки потока на входе Ф вх и относительной шероховатости ее внутренней стенки А = 2A/dmp при минимальном значении интенсивности закрутки потока на выходе трубы Ф вых.тт = - - С увеличением интенсивности закрутки потока на входе в трубу и уменьшением относительной шероховатости ее внутренней стенки рабочая длина вихревой трубы увеличивается в соответствии с полученным квадратным уравнением [60
При проектировании ВЗСМ необходимо учитывать длину камеры закручивающего устройства и оптимальное расположение тангенциального входа на середине его камеры, что позволяет разделить ее на полузамкнутую часть и проточную, каждая из которых выполняет особые функции в модели ВЗСМ. Полузамкнутый объем камеры закручивающего устройства выполняет функцию смесителя и позволяет создать благоприятные условия для надежного зажигания смеси и устойчивого развития начального фронта пламени без возмущений и пульсации. Проточная часть камеры закручивающего устройства при высоких значениях интенсивности закрутки потока и наличии зон рециркуляции позволяет стабилизировать горение с выходом факела в свободное пространство [88].
Относительная длина свободного факела ВЗСМ Ьсвф = Lce ldmp зависит от коэффициента избытка воздуха и интенсивности закрутки потока на выходе трубы и ее можно определить по выражению [60]:
Свф 0,1367е1 99" где Ф вых - интенсивность закрутки потока на выходе вихревой трубы и а коэффициент избытка воздуха.
Высокая устойчивость запального факела к внешним потокам позволяет располагать вихревую трубу практически под любым углом к оси горелочного устройства камеры сгорания или топки котла. ВЗСМ могут работать при разрежении или давлении близкого к атмосферному, а также при противодавле 157 ний. В последнем случае для КС при пуске ГТУ противодавление изменяется в динамике пуска, поэтому на выносном смесителе необходимо обеспечивать критический перепад на дросселе, подвода газа и воздуха с необходимым запасом равным около 20%.
Похожие диссертации на Моделирование и исследование вихревого запально-стабилизирующего модуля камер сгорания газотурбинных установок
-
