автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета полноты сгорания топлива в газотурбинном двигателе прогнозированием кривой выгорания

005061028

На правах рукописи

Евдокимов Олег Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ

КРИВОЙ ВЫГОРАНИЯ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, элекгроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 и:он 2013

Рыбинск-2013

005061028

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Гурьянов Александр Игоревич, кандидат технических наук. Официальные оппоненты:

Богданов Василий Иванович, доктор технических наук, открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск, эксперт;

Сыченков Виталий Алексеевич, кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева», г. Казань, доцент кафедры авиационных двигателей и энергетических установок.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)», г. Самара.

Защита диссертации состоится 25 июня 2013 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 23 мая 2013 г.

Научный руководитель:

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Важной задачей на стадии проектирования камер сгорания и горелочных модулей является расчёт основных термогазодинамических параметров, к числу которых относятся среднемассовая температура в зоне горения и полнота сгорания топлива. Величина последней неразрывно связана с величинами эмиссии монооксида углерода и несгоревших углеводородов. Наличие их в продуктах сгорания обостряет проблему соответствия камеры требованиям по эмиссионным выбросам, предъявляемым международными и российскими нормами. Как правило, эта проблема решается на стадии опытной доводки камеры, но постоянное ужесточение норм по эмиссии определяет актуальность мероприятий по повышению полноты сгорания, что обуславливает необходимость создания новых и уточнения существующих методов прогнозирования кривой выгорания.

Степень разработанности темы исследования.

Большинство применяемых на практике методов расчёта камер сгорания основано на использовании балансовых соотношений для энергии, массы и зачастую не позволяет учесть влияние геометрии проточной части на процессы газодинамики, тепломассообмена и горения. Это связано с нелинейной взаимосвязью комплекса аэротермохимических процессов, протекающих в зоне горения, и сложностью их описания с помощью упрощённых физико-математических моделей, не всегда дающих адекватные результаты. По этой причине применяемые на практике методики расчёта характеристик камер сгорания стали глубоко индивидуальными и насыщенными большим количеством опытных данных, часто полученных для геометрически подобных камер, что существенно затрудняет их применение при создании камер сгорания перспективных двигателей с использованием новых схем организации процесса горения. Попытки создания обобщающих методик расчета полноты сгорания в доступной литературе встречаются крайне редко.

Цель диссертационной работы состоит в уточнении метода расчета полноты сгорания топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей и горелочных устройствах на основе подхода к прогнозированию кривой выгорания, учитывающего вид сжигаемого топлива и схему организации процесса горения, обеспечивающего необходимую степень точности и позволяющего выполнять проектировочные расчеты с сокращением их сроков.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

- выполнить анализ существующих методов расчета полноты сгорания топлива в камерах сгорания ГТД и горелочных устройствах, оценить условия и

\

границы их применимости, определить недостатки и проблемы, возникающие при их использовании;

- провести численные исследования рабочего процесса камер сгорания и горелочных модулей, реализующих распространенные на практике схемы организации процесса горения, выявить и оценить геометрические и термогазодинамические параметры, оказывающие определяющее влияние на полноту сгорания топлива;

- выполнить экспериментальные исследования камер сгорания и горелочных модулей, определить эмиссионные характеристики, полноту сгорания топлива, среднемассовую температуру и протяженность зоны горения;

- на основе полученных результатов и существующих методов расчета горения разработать уточненную методику расчета полноты сгорания топлива и построения кривой выгорания для камер сгорания и горелочных модулей с учетом влияния геометрических и аэротермохимических факторов;

- провести верификацию уточненной методики расчета по результатам экспериментальных исследований процесса выгорания топлива в камерах сгорания различного назначения;

- по результатам верификации методики расчета, на основе проведенных экспериментальных исследований и существующих расчетных зависимостей, определить границы применимости уточненной модели выгорания топлива.

Научная новизна работы.

- на основе теоретических и экспериментальных исследований определен эффект влияния диффузионной и кинетической схем организации горения, геометрических и термогазодинамических входных параметров, коэффициента избытка воздуха на характер изменения полноты сгорания топлива по длине огневой камеры, выраженный в виде полученных и уточненных математических зависимостей;

- разработанный метод прогнозирования полноты сгорания позволил получить рекомендации и выражения для выбора объема зоны горения камер сгорания и горелочных модулей, режимов по номинальной тепловой мощности и коэффициенту избытка воздуха, обеспечивающие достижение требуемой степени преобразования энергии при горении и эмиссии несгоревших углеводородов при сокращении массогабаритных характеристик.

Теоретическая и практическая значимость.

Уточненная методика расчета позволяет на стадии проектирования и опытной доводки камер сгорания и горелочных модулей осуществлять расчет полноты сгорания топлива и температуры по объему зоны горения, проектировать расположение отверстий для формирования вторичной зоны горения в камерах сгорания двигателей, выполнять расчет кривой выгорания на режимах

переменной тепловой мощности, проводить аналитические расчеты, связанные с конверсией авиационной и наземной техники и «двойными» технологиями.

Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы: аналитические методы на базе основополагающих законов газовой динамики, термодинамики, теории подобия и размерностей, методы планирования, постановки и статистической обработки теплофизического эксперимента, методы численного моделирования турбулентных течений с горением.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты численного моделирования рабочего процесса поточной камеры сгорания и диффузионного горелочного модуля;

- экспериментальные данные по исследованию выгорания топлива в камерах сгорания и горелочных модулях;

- уточненная методика расчета полноты сгорания топлива по длине зоны горения;

- результаты расчета процесса выгорания топлива в камерах сгорания и горелочных модулях по уточненной методике.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений обеспечивается использованием основополагающих законов термогазодинамики, положений теории подобия и размерностей, статистической обработкой полученных опытных данных, применением метрологического оборудования, прошедшего необходимую проверку и подтверждается соответствием расчетных и опытных данных, а также совпадением с результатами работ других авторов.

Основные результаты выполненных исследований докладывались на конференциях: I Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию основателя Рыбинской школы теплофизиков, доктора технических наук, профессора Пиралишвили Ш.А., Рыбинск, 2009 г.; Пятая Российская Национальная Конференция по Теплообмену, Москва, 2010 г.; XVII, XVIII и XIX Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», Жуковский, 2009 г., Звенигород, 2011 г., Орехово-Зуево, 2013 г.; Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях», Москва, 2011; Четвертая международная конференция "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках", Москва, 2011 г.

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях утверждённых ВАК.

Диссертация содержит 125 стр. машинописного текста, 85 рисунков и состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, выполнена краткая характеристика работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, личный вклад автора и положения, выносимые на запилу.

В первой главе диссертации выполнен анализ работ по выгоранию топлива в камерах сгорания и горелочных модулях. Рассмотрены существующие методы расчета полноты сгорания и температуры горения, приведенные в работах ЦИАМ им. П.И. Баранова (1), А. Лефевра (2), Ю.В. Полежаева (3), A.B. Талантова и Б.Г. Мингазова (4), В.Н. Груздева (5):

(1)

л = /№-•); ку ~ л?

Рк

■т ■v

1к ' ж.т.

где п - полнота сгорания топлива, К - критерий форсирования; Ов - массовый расход воздуха через камеру сгорания (КС); рь - давление на входе в КС; Тк-

температура на входе в КС; Ужт. - объем жаровой трубы (ЖТ);

--*4 (2)

где Овыд - теплота, фактически вьщелившаяся при сгорании единицы массы топлива; 0? - теплота сгорания топлива; рг - плотность продуктов сгорания; площадь фронта пламени; ит - скорость распространения пламени; Срг - изобарная теплоемкость продуктов сгорания; ДТ - повышение температуры в процессе горения (Д Тад - для адиабатного процесса); йт- массовый расход топлива.

\uoJi

= 3

\-0,5

АС

= 34 • Rel

"о Jt

-0.5

(3,

где L - длина зоны горения; d„ - диаметр сопла топливной форсунки; Re0 -число Рейнольдса на срезе сопла форсунки; d* - условный масштаб пламени, d. = 0,003 м\ С, - концентрация i-го компонента топлива, ДС, - разность концентраций в ядре и на границе струи;

Ж*

П=—¥

1 wy

ЗЛа Л

1-е

и.

U„r

2Дя Л

1-е

ш

ul,

1-е '<

Тг =

Pi ri

(4)

где ит - скорость распространения пламени по молю; IV - пульсационная составляющая скорости; Дх - протяженность участка зоны горения; и„ - нормальная скорость распространения пламени; е - интенсивность турбулентности; I, - масштаб турбулентности;

г| = 0,59-3t-1,95-Зс2 +8,13-х3 +28,39-х4 --110,44-Зс5 +116,19-х6-39,99-х7; при 0 < л £ 0,92; Л ==0,84 + 0,08-х; при 0,92 < л < 1;

где x-xfL.

На основе анализа существующих экспериментальных исследований по выгоранию топлива определены параметры, оказывающие существенное влияние на полноту сгорания топлива и температуру горения, получены выражения, описывающие процесс выгорания водорода и метана в турбулентных реагирующих струях по длине зоны горения L (из уравнения 3)

щ = 0,4 • х,5 - 3,18 • х? + 8,48 • х? -10,17 • х,2 + 5,71 • х, - 0,25; (6)

Т1СЙ4 = 5,38• Зс/ -7,43• х* + 2,75• х? -7,93• 3cf2 + 0,14■ % -0,005. (7)

Рассмотрены основные схемы горения, реализуемые современными камерами сгорания и горелочными модулями, проанализировано их влияние на величину полноты сгорания.

Выполненный анализ позволил сформулировать цели и задачи, решаемые в рамках диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена численному моделированию процесса выгорания топлива в модельной поточной камере сгорания и диффузионном горелочном модуле с прямоточным слоем смешения.

Для описания течения в расчетной области используется система осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемая моделью турбулентности SST к-ш и уравнением состояния. При решении задачи рассмотрена стационарная постановка, сетка построена из гексагональных элементов с помощью метода конечных объемов и состоит из 600000 узлов, на стенках задавалось сгущение, соответствовавшее значению безразмерной координаты у+~1,5. Моделирование химических реакций выполнено с использованием кинетической схемы горения метана WD2 NO. Для описания механизма горения применялась модель EDM.

Изучение полноты сгорания топлива для распространенных на практике схем

_з___горения с полным

предварительным смешением компонентов выполнено на модели поточной камеры сгорания, имеющей цилиндрическую форму с четырьмя поясами отверстий подачи вторичного воздуха. Стабилизация пламени обеспечивалась за счёт создания зоны обратных токов в проточной части жаровой трубы в области аэродинами-

Рисунок 1 - Схема поточной камеры сгорания с полным предварительным смешением компонентов: 1 -смесительное устройство с закруткой потока; 2 -стабилизатор; 3,4- пояса охлаждающих отверстий

ческого следа за телом неудобообтекаемой формы в виде конуса. На рисунке 1 показана схема модели камеры сгорания.

В результате численного моделирования установлено, что существенное влияние на процесс выгорания топлива оказывает режим течения. На рисунке 2 показано, что в области значений Яе< 10000 повышение числа Яе приводит к увеличению относительной протяженности зоны горения, выраженной в виде объема рассматриваемого участка длиной / и площадью поперечного сечения 5, отнесенного к суммарному объему жаровой трубы V = У/Ужт с длиной Ьжт.. С другой стороны, в области Яе > 12000 наблюдается обратный эффект, сопровождаемый интенсивным выгоранием смеси и повышением полноты сгорания топлива. Следует также отметить, что при достижении значения Яе = 25000 и дальнейшем увеличении числа Рейнольдса вплоть до верхнего предела исследуемого диапазона (Яе ~ 50000) протяженность зоны горения слабо зависит от режима течения и медленно увеличивается от значения 1,74 до 1,81.

На рисунке 3 показаны распределения полной среднемассовой температуры в камере сгорания. Значения температуры и мощности представлены в безразмерном виде путем отнесения их к величине адиабатной температуры горения метана в воздухе при стандартных условиях и стехиометрическом соотношении компонентов на входе в зону горения Т"ад = 2369 К и номинальной мощности камеры сгорания (для рассмотренного случая Лг = И/Ыком, где V =50 кВт), соответственно. Видно, что при увеличении значений

■* НОМ ' 7

коэффициента избытка воздуха от а = 1 до а = 2,5, величина полной

среднемассовой температуры на выходе из зоне горения уменьшается от Г* =0,9до Г* =0,63.

0,8

0 15000 30000 Яе 60000

Рисунок 2 - Зависимость протяженности зоны горения от числа Яе: 1 - эксперимент; 2 - численное моделирование; а = 1

0 -I---+-

О 0,5 1 V 2

Рисунок 3 - Численное исследование изменения относительной среднемассовой температуры в зоне горения: номинальная тепловая мощность $ = 1 -а =1; 2 - а =1,5; 3 - а =2; 4 - а =2,5.

Для выполнения расчётов диффузионного горелочного модуля с прямоточным слоем смешения сгенерирована сетка с числом узлов 1.3 млн (рисунок 4). При выполнении численного моделирования в качестве начальных заданы условия «прилипания» и адиабатности стенок горелки. Граничные условия расчетов варьировались в широком диапазоне значений: расход метана на входе в устройство Ст = 0,0001..0,001 кг/с; давление воздуха на входе в 1-ю, 2-ю ступени подачи Р = 101325 Па и выходе из устройства Р = 100000 Па; температура топлива и окислителя на входе в устройство Т = 300 К. Прочие условия расчета задавались аналогично расчету поточной камеры сгорания.

При сопоставлении полученных результатов (рисунок 5) с расчетом выгорания ^^ топлива в поточной камере сгорания (рисунок 2) установлено, что в диффузионном горелочном модуле при значениях Яе > 20000 (Ы >0,4) с ;-.ч . повышением номинальной тепловой мощности

наблюдается увеличение протяженности зоны горения, в то время как при решении задачи горения предварительно перемешанной топливовоздушной смеси в указанном диапазоне число Яе слабо влияет на процесс выгорания.

На рисунке 6 показано изменение полной среднемассовой температуры по объему зоны горения на режиме по номинальной тепловой мощности N = 1. На участке зоны горения, ограниченном выходным сечением форсунки и значением относительного объема V = 1.2, температура горения изменяется скачкообразно,

Рисунок 4 - Расчетная модель диффузионного горелочного модуля с прямоточным слоем смешения

2,5

1,5

•""'а 1

3 а1 /а

,6 \ 2

—"""" V

0,8

0 0,2 0,4 0,6 N 1

0,4

0,2

о

;

о

1

Рисунок 5 - Зависимость объема зоны горения Рисунок 6 - Численное исследование изме-

от мощности горелочного модуля: 1 - экспе- нения полной среднемассовой температуры

римент; 2 - численное моделирование; 3 - по объему зоны горения на режиме N = 1 расчет по уравнениям (9), (10)

достигая значения Т" = 0,67. Дальнейшее увеличение Т' протекает по закону близкому к линейному и определяет ее среднемассовое значение на выходе из расчетной области Т" = 0,705. Это обусловлено использованием двухступенчатой схемы подачи воздуха в зону горения, позволяющей обеспечивать более равномерное поле температуры на выходе из устройства одновременно с высокими значениями полноты сгорания топлива.

Таким образом, численное моделирование рабочего процесса поточной камеры сгорания и диффузионного горелочного модуля с прямоточным слоем смешения позволило изучить влияние основных термогазодинамических параметров (а, Ы, Яе, к и др.) на полноту сгорания топлива и температуру горения, необходимое для постановки экспериментального исследования.

В третьей главе выполнены экспериментальные исследования процесса выгорания топлива в нескольких конструкциях камер сгорания и горелочных модулей.

Для постановки опытов смонтирован стенд, схема которого представлена на рисунке 7. В процессе экспериментальных исследований проводились измерения расходов, давления, начальной температуры топлива и окислителя, концентраций продуктов сгорания и температуры по длине зоны горения. В качестве топлива использовался метан, максимальные относительные погрешности измерений составляют: расхода 3,5%; температуры - 2%; давления - 2%, концентраций -10%.

В результате эксперимента получены системы уравнений, описывающие процесс выгорания топлива в исследованных устройствах:

- для камер сгорания и горелочных модулей, реализующих сжигание предварительно подготовленных топливовоздушных смесей (рисунок 1)

Л = 1,21 • (0,48 • 1п(V) + 0,71) • (-0,0426 • а2 + 0,1742 • а + 0,75

• (8,3 • 10~п • Ке2 - 4,63 • 10^ • 0,995);

Г' = 2,52-(-0,48-Р + 1,51-К-0,5)-(0,7-е-°'08'1)-

■ (-9,1 • 10~" • Яе2+8,1 ■ 10"4 • Яе+ 0,48);

- для диффузионных горелочных модулей с прямоточной схемой смешения компонентов без закрутки потока (рисунок 4)

г) = 1,48 • (0,72 • 1п(Р) + 0.25) ■ (-0,53 • N + 0,95); 1

При 0,1 < Лг < 0.5 _ \ _ ' _ . (9)

' Т =1,75-(0,04-К -0,35-К +0,78 - Г + 0,11)-(0,1-Лт + 0,55)^

Л = 1-7 • (0,72 • 1п(К) + 0,01) • (-0,53 •-V +1Д 5); При 0,5<;У<1.0 _ _ _ Л(10)

Т' = 1,72-(о, 046-К3 —0,35 ■ К" + 0,78-К + 0,11)-(0,1'Л' + 0,55);| '

- для камер сгорания диффузионного типа (рисунок 7, поз. 18)

(8)

т] = 1,95 • (1,05 ■ 1п(К) + 0,85) • (о, 02 • а2 - 0,13 • а + 0,95) ■(-0,092-Л^2+ 0,17-^ + 0,697); Г = 2,52-(2,46-Р-8.89-Р+10,23-К-3,155)-• (0,66 • е-°'075а) • (0,04 • Й1 - 0,074 • N + 0,653);

Выполнено сравнение результатов экспериментального исследования,

численного моделирования и расчетов по существующим методикам (1-5) и предложенным уравнениям (8-11). Сравнение результатов

экспериментального исследования показывает, что на режиме N = 0,75, а = 1 отношение объемов зоны горения поточной камеры сгорания, реализующей схему сжигания предварительно

перемешанной смеси, и камеры сгорания с диффузионной схемой горения, определяющих значение т] = 0,995, составляет У^/Ушь =7,3.

Анализ расчетных

зависимостей для полноты

Рисунок 7 - Функциональная схема экспериментального стенда: 1 - компрессор подачи

воздуха; 2,3,10 - регулируемые вентили; 4 -расходомер воздушный; 5,12 - приёмник полной температуры; 6,9,13 - пружинные манометры; 7 -блок питания свечи зажигания; 8 - топливный баллон; 11 - расходомер топливный; 14-газозаборный зонд; 15 - газовый анализатор; 16 -термоэлетрический термометр; 17 - цифровой вольтметр; 18 - камера сгорания

сгорания топлива, построенных согласно методикам, изложенным в литературе, показывает, что наиболее адекватное описание процесса выгорания дает решение уравнений (4) и (5), предложенных учеными Казанской научной школы. Средние расхождения расчетных значений и результатов эксперимента составляют для поточной камеры сгорания 7% и 11%, соответственно, для диффузионного горелочного модуля 18% и 17%, для индивидуальной камеры сгорания 11% и 12%.

Сравнение результатов расчета полноты сгорания топлива и температуры по длине зоны горения на основе полученных регрессионных уравнений (8-11) с данными эксперимента показывает, что максимальное расхождение не превышает 9%, средняя величина составляет 4,7%.

Рисунок 8 - Фотография зоны горения на режиме а = 1, Л' = 2,25

0,5

0,25

_6_/ /............... Л, г* ?**■

■у , 4

у

\_2_

0 0,5 1 К 2

Рисунок 9 - Кривые выгорания топлива на режиме а = 1, N = 1: 1 - эксперимент; 2 - численное моделирование; 3 - расчет по (8); 4 -расчет по (4); 5-расчет по (5), 6-расчет по (2)

0,5

0,25

о

/ \

/ / / / / / / р

Ч_5_

0,8

0,7

0,6

\ / * 1

1 \ ъ

> : / / « / ;

V ♦ / > г

0,5

ОД 5

/ 3

2 .1 ❖

/ //

/ ♦

0 0,5 1 V 2

Рисунок 10 - Кривые изменения температуры по объему зоны горения на режиме а = 1, N = 1: 1 - эксперимент; 2 - численное моделирование; 3- расчет по (8) 0,8

0 1 2 V 4

Рисунок 11 - Кривые выгорания топлива в диффузионном горелочном модуле на режиме N = 1: 1 - эксперимент; 2 - численное моделирование; 3 - расчет по (10); 4 - расчет по уравнению (4); 5 - расчет по (5), 6 - расчет по (2) 1

0 1 2 К 4

Рисунок 12 - Кривые изменения температуры горения в диффузионном горелочном модуле на режиме Лг=1: 1 — эксперимент; 2- численное моделирование; 3 - расчет по уравнению (10)

0,72

0,64

Ч

\ / / / 1У

/ ♦ к

0,7 0,85 1 V 1,3

Рисунок 13 - Кривые выгорания топлива на режиме а = 1, N = 2,25: 1- эксперимент; 2- расчет по уравнению (11); 3 - расчет по уравнению (4); 4 - расчет по уравнению (5); 5 - расчет по уравнению (2)

0,7 0,85 1 V 1,3

Рисунок 14 - Кривые изменения температуры горения на режиме а = 1, N = 2,25: 1 - эксперимент; 2 -расчет по уравнению (11)

Начало расчета

Схема организации процесса горения

Топливо

жидкое

диффузионная

Топливо

по зависимостям

по зависимости (11) с учетом

по зависимостям (3), (6), (7), (9), (Ю), (11)

Имеется ли критерий проверки? (эксперимент, К и т.д.)

Проверка соответствия

Чрасч/Т|з< §2

не выполняется

выпол-

няется

Рассчитанные / \ значения т| и / вытюл-Т* / няется

Проверка соответствия

Т1рает/Лэкс< 81

Завершение расчета

Отмеченные расхождения обусловлены допущениями и ограничениями, положенными в основу существующих методов расчета полноты сгорания топлива, в частности, предположением об однородности топливовоздушной смеси на входе в зону горения. Это определяет необходимость выбора уточненного подхода к оценке интегральных характеристик процесса горения с учетом схемы подачи топлива и окислителя и условий их смешения в зоне протекания реакции.

В четвертой главе диссертации приведена уточненная методика расчета полноты сгорания в камерах сгорания и горелочных модулях, построенная на основе существующих зависимостей и полученных математических зависимостей (блок-схема приведена на рисунке 15).

Исходные данные

Определение характеристик топлива и окислителя ...

Расчет интегральных характеристик устройств сжигания с использованием известных методик проектирования - Расчет термогазодинамических параметров „ 4-(0,+С?„) „ ^ _ б. р.

па-\1 А>'Ч» А™

предварительно

перемешанная

смесь

Расчет г) и Тгор

жидкое

по зависимостям

(4), (5)

не выполняется

"Рисунок 15~-"Блок-схёма методики расчета процесса выгорания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя

Ч

0,5 0,25 0

0 0.25 0,5 I 1

Рисунок 17 - Изменение полноты сгорания топлива по длине турбулентной реагирующей струи: 1 - эксперимент; 2 - расчет по зависимостям (3), (6)

1

0,5 0,25 0

0,4 0,55 0,7 у 1

Рисунок 18 - Изменение полноты сгорания топлива по объему камеры сгорания ГТД-10РМ: 1 - расчет по уточненной методике (11); 2 - эксперимент (данные КО КСиВУ ОАО «НПО «Сатурн»)

0,7

0,55

0,4

Полученная методика расчета позволяет учитывать вид сжигаемого топлива, схему горения, реализуемую устройством и может быть применена для расчета камер сгорания ГТД, горелочных модулей и диффузионных реагирующих струй.

Зависимости (3)-(5), (8)-(11) получены для значений степени повышения давления п «1; для расчета полноты сгорания при -к > 1 необходимо пользоваться поправкой, полученной на основе анализа доступных в литературе

публикаций ученых ВТИ, КГТУ им. А.Н. Туполева, ЦИАМ им. П.И. Баранова т^-п-тс", где п = 0,1..0,4.

С использованием уточненной методики выполнены расчеты выгорания топлива в горелочном модуле вихревого эжекционного типа, разработанном проф. Пиралишвили Ш.А., турбулентной реагирующей струе, состоящей из водорода Н2 (75%) и азота М2 (25%), камере сгорания двигателя ГТД-10М. Результаты расчетов показаны на рисунках 16-18.

Видно, что зависимость для полноты сгорания, построенная по уравнению (8) хорошо согласуется с экспериментальными точками, среднее расхождение значений составляет 4,2 %. Аналогичная величина для зависимости (4) составляет 11%.

1 1 А //

/ / / С / /

2 / / ! / / ' \ 3

У / !/

0,5

Рисунок 16 - Кривые выгорания топлива в горелочном модуле: 1 - эксперимент; 2 -расчет по зависимости (8); 3 - расчет по зависимостям (4)

1 > / / /

V / / / -и

/ / ♦ / / 1

1 V 1

Зависимость (рисунок 17), полученная на основе струйно-факельной теории горения проф., чл.-корр. РАН Ю.В. Полежаева (3) с использованием предложенных уравнений (6), (7), показывает приемлемое сходство с экспериментальными данными (максимальное относительное отклонение 7%), что позволяет сделать вывод об адекватности выбранного подхода к расчету процесса выгорания топлива.

На практике экспериментального исследования характеристик камеры сгорания в составе двигателя измерение полноты сгорания топлива, как правило, выполняется только в выходном сечении устройства. Уточненная методика расчета позволяет прогнозировать значения полноты сгорания топлива в характерных сечениях зоны горения, что представляет важную задачу на стадии проектирования устройства. Сравнение экспериментальных и расчетных данных для камеры сгорания ГТД-10РМ, разработанной ОАО «НПО «Сатурн», показано на рисунке 18. Погрешность расчета полноты сгорания топлива в выходном сечении устройства составила 4,5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- Анализ известных экспериментальных данных по выгоранию топлива позволил выявить и оценить значения параметров, оказывающих определяющее влияние на полноту сгорания топлива в газотурбинном двигателе: П „ = л ■ и = 0,1..0,4; Г* = (Т'/Т; )'; х = 0,15-0,3;

- На основе теории струйно-факельного горения и известных экспериментальных данных получены зависимости, позволяющие с погрешностью не более 7% рассчитывать интегральные значения полноты сгорания топлива по длине зоны горения устройств сжигания топлива;

- Экспериментальные исследования процесса выгорания топлива в условиях диффузионной и кинетической схем горения показали, что соотношение объемов реакций составляет У„JV ~ 5..8, что подтверждает необходимость применения комплексного подхода к определению интегральных характеристик камер сгорания и горелочных модулей с учетом схем горения;

- На основе анализа результатов расчетно-экспериментальных исследований камер сгорания и горелочных модулей и существующих методов расчета интегральных параметров, известных в литературе, разработана уточненная методика построения кривой выгорания, позволяющая определять полноту сгорания топлива с учетом вида сжигаемого топлива и схемы организации процесса горения, реализуемой устройством;

- Анализ результатов экспериментальных исследований горелочного модуля вихревого эжекционного типа и камеры сгорания ГТД-ЮРМ позволил выполнить верификацию уточненной методики расчета кривой выгорания, сформулировать и определить границы ее применимости: а от 1,0 до 2,5;. Not 0,1 до 4,0.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ:

1. Евдокимов, O.A. Моделирование кривой выгорания топлива в трубчатой камере сгорания [Текст] / А.И. Гурьянов, O.A. Евдокимов // Авиакосмическое приборостроение. - М.: Научтехлитиздат, 2009. - №11. - С. 22-28.

2. Евдокимов, O.A. Расчётно-экспериментальное исследование полноты

сгорания топлива в потоке [Текст] / А.И. Гурьянов, O.A. Евдокимов // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева.-Рыбинск: РГАТА, 2011.-№1 (19).-С. 182-188.

3. Евдокимов, O.A. Экспериментальное и численное исследование выгорания топлива в вихревом газовом горелочном модуле [Текст] / O.A. Евдокимов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета), 2011. -№3 (27). - ч. 2. - С. 156-163.

4. Евдокимов, O.A. Формирование кривой выгорания топлива по длине трубчатой камеры сгорания [Текст] / O.A. Евдокимов // Труды XVII Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях». - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 328-331.

5. Евдокимов, O.A. Исследование процесса выгорания топлива в турбулентном потоке [Текст] / А.И. Гурьянов, O.A. Евдокимов // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях: тезисы докладов Международной научной школы (Москва, 5-7 сентября 2011 г.) - М.: Издательский дом МЭИ, 2011.-С. 104-106.

6. Евдокимов, O.A. Исследование выгорания топлива в трубчатой камере сгорания [Текст] / А.И. Гурьянов, O.A. Евдокимов // Тезисы докладов XVIII Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях». - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 139-140.

7. Пат № 2454605 Российская Федерация МПК F 23 D 14/62. Вихревая эжекционная газовая горелка технологического назначения. Пиралишвили Ш.А., Гурьянов А.И., Веретенников С.В., Евдокимов O.A. - опубл. 27.06.12, Бюл. № 18. - 5 е.: ил.

8. Евдокимов, O.A. Методика расчетно-экспериментального определения полноты сгорания устройств сжигания топлива [Текст] / O.A. Евдокимов, А.И. Гурьянов // Тезисы докладов XIX Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических установках». - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С. 365-366.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 23.05.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ 154.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

04201360324

Евдокимов Олег Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ

КРИВОЙ ВЫГОРАНИЯ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук

Гурьянов Александр Игоревич

Рыбинск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1 ПОВЫШЕНИЕ ПОЛНОТЫ ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ И ГОРЕЛОЧНЫХ МОДУЛЯХ. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................... 10

1.1 Полнота сгорания. Механизмы возникновения неполного сгорания топлива................................................................................. 10

1.2 Химическая неполнота сгорания топлива. Образование СХНУ и СО при сжигании углеводородного топлива....................................... 13

1.3 Результаты экспериментальных исследований сгорания топлива в потоке................................................................................... 19

1.4 Методы аналитического расчета полноты сгорания топлива........ 27

1.5 Способы организации низкоэмиссионного горения в камерах

сгорания и горелочных устройствах............................................ 41

Выводы по главе..................................................................... 44

2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ПОТОКЕ................................................................. 45

2.1 Постановка задач исследования. Методика численного моделирования........................................................................ 45

2.2 Исследование выгорания предварительно подготовленной топливовоздушной смеси......................................................... 48

2.3 Численное моделирование диффузионного горения

топлива.................................................................................. 58

Выводы по главе...................................................................... 69

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ И ГОРЕЛ ОЧНЫХ МОДУЛЯХ........................................70

3.1 Методика эксперимента и стенд ее реализации......................................................70

3.2 Метрологическое обеспечение и оценка погрешностей эксперимента....................................................................................................................................................73

3.3 Методика приведения концентраций компонентов продуктов сгорания к стандартному содержанию кислорода......................................................77

3.4 Математическое планирование эксперимента..........................................................77

3.5 Экспериментальное исследование рабочего процесса поточной камеры сгорания............................................................................................................................................84

3.6 Экспериментальное исследование рабочего процесса диффузионного горелочного модуля с прямоточным слоем смешения... 90

3.7 Экспериментальное исследование рабочего процесса

индивидуальной камеры сгорания..............................................................................................95

Выводы по главе............................................................................................................................................100

4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА КРИВОЙ ВЫГОРАНИЯ В КАМЕРАХ

СГОРАНИЯ И ГОРЕЛОЧНЫХ МОДУЛЯХ..............................................................................101

4.1 Уточнение методики расчета процесса выгорания топлива....................101

4.2 Примеры расчета процесса выгорания в устройствах

энергетического назначения..............................................................................................................106

Выводы по главе............................................................................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................116

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы и степень разработанности темы исследования

Важной задачей на стадии проектирования камер сгорания и горелочных модулей является расчёт основных термогазодинамических параметров, к числу которых, относятся среднемассовая температура в зоне горения, полнота сгорания топлива, эмиссия загрязняющих атмосферу веществ. Большое количество применяемых на практике методов расчёта камер сгорания основано на использовании балансовых соотношений для энергии, массы и зачастую не позволяет учесть влияние геометрии проточной части на процессы газодинамики, тепломассообмена и горения, определяющие интересующие проектировщиков интегральные характеристики и, в первую очередь, полноту сгорания топлива. Это связано с нелинейной взаимосвязью комплекса аэротермохимических процессов, протекающих в зоне горения, и сложностью их описания с помощью упрощённых физико-математических моделей, не всегда дающих адекватные результаты [1-14].

Применение для оценки полноты сгорания интенсивно развивающихся методов численного моделирования также часто сталкивается с непреодолимыми трудностями, обусловленными существенными для практики проектирования затратами времени и вычислительных ресурсов и связано с упрощением кинетических схем протекания реакции окисления, используемых в большинстве газодинамических пакетов, путём исключения промежуточных стадий горения. Последнее допущение позволяет в несколько раз сократить время расчёта камеры сгорания, однако, результаты, полученные с использованием упрощённых

кинетических схем, в некоторых случаях дают существенные расхождения с экспериментальными данными.

Это привело к ситуации, когда используемые двигателестроительными центрами методики расчёта характеристик камер сгорания стали глубоко индивидуальными и насыщенными большим количеством эмпирических данных, часто полученных для геометрически подобных камер, что существенно затрудняет их применение при создании камер сгорания для перспективных двигателей с использованием новых схем организации горения в объёме жаровой трубы [1, 2]. Попытки создания обобщающих методик в доступной литературе практически отсутствуют.

Отмеченные моменты определяют важность разработки расчётно-экспериментального обоснования методов определения полноты сгорания топлива по длине огневой камеры, поскольку она неразрывно связана с величинами эмиссии монооксида углерода и несгоревших углеводородов на выходе из зоны горения. Наличие последних в продуктах сгорания говорит о незавершённости реакции окисления топлива и обостряет проблему соответствия требованиям по эмиссионным выбросам, предъявляемым 1САО и другими международными и российскими нормами [79, 80]. Как правило, эта проблема решается на стадии опытной доводки камеры, но постоянное ужесточение норм по эмиссии определяет актуальность мероприятий по повышению полноты сгорания топлива, что в свою очередь приводит к необходимости создания новых методов построения и расчета кривой выгорания.

Для этого необходимо провести экспериментальные и расчетные исследования выгорания топлива на модельных задачах и в существующих конструкциях камер сгорания и горелочных модулей с целью определения влияния различных физико-химических параметров рабочего процесса на

величину г]. Получить критериальные уравнения и аппроксимирующие зависимости, описывающие полноту сгорания топлива и температуру горения как функции геометрических и режимных факторов. Отмеченное определяет актуальность выбранной темы.

Цель диссертационной работы состоит в уточнении метода расчета полноты сгорания топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей и горелочных устройствах на основе подхода к прогнозированию кривой выгорания, учитывающего вид сжигаемого топлива и схему организации процесса горения, обеспечивающего необходимую степень точности и позволяющего выполнять проектировочные расчеты с сокращением их сроков.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

- выполнить анализ существующих методов расчета полноты сгорания топлива в камерах сгорания ГТД и горелочных устройствах, оценить условия и границы их применимости, определить недостатки и проблемы, возникающие при их использовании;

- провести численные исследования рабочего процесса камер сгорания и горелочных модулей, реализующих распространенные на практике схемы организации процесса горения, выявить и оценить геометрические и термогазодинамические параметры, оказывающие определяющее влияние на полноту сгорания топлива;

- выполнить экспериментальные исследования камер сгорания и горелочных модулей, определить эмиссионные характеристики, полноту сгорания топлива, среднемассовую температуру и протяженность зоны горения;

- на основе полученных результатов и существующих методов расчета горения разработать уточненную методику расчета полноты сгорания топлива и

построения кривой выгорания для камер сгорания и горелочных модулей с учетом влияния геометрических и аэротермохимических факторов;

- провести верификацию уточненной методики расчета по результатам экспериментальных исследований процесса выгорания топлива в камерах сгорания различного назначения;

- по результатам верификации методики расчета, на основе проведенных экспериментальных исследований и существующих расчетных зависимостей, определить границы применимости уточненной модели выгорания топлива.

Научная новизна работы

- Комплексный подход к проблеме определения полноты сгорания в камерах сгорания двигателей позволил теоретически обосновать и экспериментально подтвердить особенности влияния схемы смешения реагирующих компонентов и интегральных параметров рабочего процесса на формирование кривой выгорания по длине огневой камеры, дающие возможность создания метода её априорного прогнозирования для достижения значений г; = 0,999 и более.

- На основе теоретических и экспериментальных исследований определен эффект влияния диффузионной и кинетической схем организации горения, геометрических и термогазодинамических входных параметров, коэффициента избытка воздуха на характер изменения полноты сгорания топлива по длине огневой камеры, выраженный в виде полученных и уточненных математических зависимостей.

Теоретическая и практическая значимость

Уточненная методика расчета позволяет на стадии проектирования и опытной доводки камер сгорания и горелочных модулей осуществлять расчет полноты

сгорания топлива и температуры по объему зоны горения, проектировать расположение отверстий для формирования вторичной зоны горения в камерах сгорания двигателей, выполнять расчет кривой выгорания на режимах переменной тепловой мощности, проводить аналитические расчеты, связанные с конверсией авиационной и наземной техники и «двойными» технологиями.

Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы: аналитические методы на базе основополагающих законов газовой динамики, термодинамики, теории подобия и размерностей, методы планирования, постановки и статистической обработки теплофизического эксперимента, методы численного моделирования турбулентных течений с горением.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты численного моделирования рабочего процесса поточной камеры сгорания и диффузионного горелочного модуля;

- экспериментальные данные по исследованию выгорания топлива в камерах сгорания и горелочных модулях;

- уточненная методика расчета полноты сгорания топлива и среднемассовой температуры по длине зоны горения;

- результаты расчета процесса выгорания топлива в камерах сгорания и горелочных модулях.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность научных положений обеспечивается использованием основополагающих законов термогазодинамики, положений теории подобия и

размерностей, статистической обработкой полученных опытных данных, применением метрологического оборудования, прошедшего необходимую проверку и подтверждается соответствием расчетных и опытных данных, а также совпадением с результатами работ других авторов.

Основные результаты выполненных исследований докладывались на конференциях:

- I Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию основателя Рыбинской школы теплофизиков доктора технических наук, профессора Пиралишвили Ш.А., Рыбинск, 2009 г.

- Пятая Российская Национальная Конференция по Теплообмену, Москва, 2010 г.

- XVI и XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева « Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», Жуковский, 2009 г., Звенигород, 2011 г.

- Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях», Москва, 2011;

- Четвертая международная конференция "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках", Москва, 2011 г.

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях утверждённых ВАК.

Диссертация содержит 125 стр. машинописного текста, 89 рисунков и состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы из 106 наименований.

1 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ И ГОРЕЛОЧНЫХ МОДУЛЯХ. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Полнота сгорания. Механизмы возникновения неполного

сгорания топлива

Полнота сгорания топлива является одной из основных интегральных характеристик, определяющих энергетическую, экологическую и экономическую эффективность процесса горения в целом. Применительно к созданию практических устройств сжигания топлива и, в том числе, камер сгорания авиационных двигателей она характеризует степень преобразования энергии химических связей в тепловую энергию и определяется отношением количества теплоты, фактически выделившегося при сгорании единицы массы или объема топлива, к его теплоте сгорания

ОТ

При создании газотурбинных двигателей для авиационной техники и наземной энергетики, горелочных устройств технологического назначения и задач ЖКХ принято использование низшей теплоты сгорания топлива для вычисления полноты сгорания. Это обусловлено тем, что на практике распространены схемы организации горения без конденсации водяных паров продуктов сгорания и охлаждения их до 273 К. В случае применения схем горения с конденсацией (например, в развивающихся технологиях децентрализованной энергетики -водогрейных котлах конденсационного типа) используется поправка на величину

теплоты фазового перехода, либо значение высшей теплоты сгорания <2^ .Ив том и в другом случае учитывается поправка на недорекуперацию сконденсированных из продуктов сгорания водяных паров (охлаждение до 273 К) [15].

Проблематика обеспечения высокой полноты в камерах сгорания и горелочных модулях обусловлена тем, что максимальная степень преобразования

энергии при горении соответствует значению Г| = 1,0. Очевидно, что при значениях г) <1,0 имеют место потери химической энергии и, как следствие, конечного продукта - тепла, обусловленные химической неполнотой сгорания топлива.

Основной причиной неполного выделения тепла в горелочных устройствах и камерах сгорания двигателей, работающих на жидком и газообразном топливе, является химическая неполнота сгорания топлива, обусловленная незавершенностью протекающих в зоне горения окислительно-восстановительных реакций и наличием в составе продуктов сгорания газообразных горючих компонентов, таких как, СО, Н2 и СхНу [16].

Несмотря на математическую простоту выражения (1.1), расчет полноты сгорания газообразного, жидкого и твердого топлив связан с существенными трудностями вычисления количества действительно выделившегося в процессе реакции тепла, а также сложностью экспериментального измерения. Они обусловлены тем, что применение балансовых соотношений массы и энергии не позволяет учесть влияние геометрических и режимных параметров реагирующих потоков на скорость тепловыделения в объеме зоны горения. Оценка последней часто носит условный характер и основана на модельных представлениях (например, понятии фронта пламени и/или модели горения, в случае турбулентного режима течения реагирующей среды) [3, 4, 16, 17].

Отмеченная проблема сопряжена с трехмерностью и нестационарностью комплекса аэротермохимических процессов, протекающих в зоне реакции. По этой причине большинство известных в открытой литературе аналитических методик расчета полноты сгорания носит полуэмпирический характер и неизменно сводятся к необходимости введения коэффициентов, полученных опытным путем и включающих индивидуальные особенности геометрически подобных камер сгорания [1, 2, 18, 19]. Это существенно сокращает универсальность и границы их применимости.

Наиболее общие методы оценки полноты сгорания при горении газовых струй и факелов распыленного жидкого то