автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование процессов в камере сгорания конвертированного авиационного ГТД с целью улучшения его экологических характеристик

На правах рукописи БАКЛАНОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ КОНВЕРТИРОВАННОГО

АВИАЦИОННОГО ГТД С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность: 05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели

и энергоустановки летательных аппаратов

1 ДЕК 2011

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2011

005004169

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КГТУ им. А.Н. Туполева) на кафедре авиационных двигателей и энергетических установок и ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение»

Научный руководитель - Мингазов Билал Галавтдинович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - Цыбизов Юрий Ильич,

доктор технических наук, профессор Глебов Геннадий Александрович, доктор технических наук.

Ведущее предприятие - ОАО КПП «Авиамотор», г. Казань

Защита состоится j&ttZtfa 2011 г. в ч. на заседании диссертационного Совета Д 212.079.02 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КГТУ им. А.Н. Туполева) по адресу:

420111, Казань, К.Маркса,10, в зале заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru)

Автореферат разослан /¿Яе&Л' 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н. А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время газотурбинные двигатели находят всё более широкое применение в качестве силовых установок в энергетике, нефтяной и газовой промышленности, то есть происходит процесс конвертирования авиационных газотурбинных двигателей, в том числе отработавших свой летный ресурс, в газотурбинные установки наземного применения.

На базе авиационных двигателей достаточно выгодно создавать ГТУ, так как в этом случае осуществляется экономия дорогостоящих материалов, используемых при их создании, что позволяет сохранить примерно 70-75 % основных узлов и деталей базового двигателя. К тому же, конвертирование именно авиационных двигателей связано с географией размещения природных ресурсов на территории Российской Федерации, которые сосредоточены в основном в восточных районах Западной и Восточной Сибири, при том, что основные потребители энергии находятся в Европейской части страны и на Урале. В этом случае осуществляется возможность организации транспортировки энергоносителей с востока на запад дешевыми, транспортабельными силовыми установками оптимальной мощности с высоким уровнем автоматизации.

Увеличение количества снимаемых ежегодно с крыла самолета двигателей и рост потребного количества приводов для различных отраслей народного хозяйства позволяет обеспечить парк приводов на базе авиадвигателей.

В настоящее время, в целях осуществления политики экологической безопасности, к ГТУ предъявляются все более жесткие требования на уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ от сжигания топлива, в виде окиси углерода СО и окислов азота NOx, поэтому проблема снижения выбросов токсичных веществ является актуальной.

В Российской Федерации ГОСТом 28775-90 для ГПА с газотурбинным приводом допустимый уровень содержания токсичных веществ ограничивается: NOx < 150 мг/м3; СО <300 мг/м3 (в отработанных газах при 0 °С и 0,1013 МПа и условной концентрации кислорода 15%).

Выбросы токсичных веществ в первую очередь зависят от процессов происходящих в камере сгорания (КС). Камеры, конструкция которых наследуется, в процессе конвертирования летного двигателя в наземные установки, принято называть традиционными. В них заложены технические решения, позволяющие реализовать однозонное диффузионное горение. Поэтому модернизация конструкции таких камер является актуальной задачей, так как в Российской Федерации насчитывается большой парк ГТУ, выбросы вредных веществ которых, имеют высокий уровень, а заменить находящиеся в эксплуатации традиционные камеры на дорогостоящие малотоксичные невозможно в короткий срок.

К тому же, модернизация конструкции традиционных камер сгорания, в отличие от создания принципиально новых схем организации малоэмиссионного горения, включает в себя определенные преимущества, такие как: простота, надежность, десятилетиями отработанная технология проектирования, изготовления и эксплуатации, одноконтурная система подачи топлива и однозначность управления на основных режимах.

В моторостроительных КБ, работы по модернизации серийных камер сгорания часто выполняются на основе имеющегося прототипа, путем анализа накопленных опытных данных, или же с использованием современных расчетных комплексов, которые требуют наличия мощных компьютеров и высокой квалификации расчетчиков. В этом случае имеет место использование простых для практического применения, физически обоснованных расчетных методик и моделей, имеющих привязку к конкретной модернизируемой конструкции.

Объектом исследования в настоящей работе является серийная кольцевая камера сгорания авиационного конвертированного ГТД НК-16СТ, используемого в качестве силового привода газоперекачивающего агрегата.

Цель диссертационной работы:

Модернизация камеры сгорания конвертированного авиационного ГТД, на основе установленных закономерностей изменения экологических характеристик, с целью снижения выбросов токсичных веществ.

Задачи диссертационной работы:

1. Проведение комплекса экспериментальных исследований по влиянию изменения элементов конструкции жаровой трубы на выбросы токсичных веществ и основные параметры КС.

2. Создание методики расчета выделения оксидов азота, на основе термического механизма Я.Б. Зельдовича и одномерной модели камеры сгорания.

3. Разработка теоретических основ и конструктивных методов модернизации традиционных камер сгорания ГТД, позволяющие снизить выбросы токсичных веществ и уменьшить объем экспериментальной доводки.

Научная новизна работы:

1. Новые экспериментальные данные по влиянию изменения конструкции камеры сгорания на формирование эмиссионных показателей токсичных веществ, таких как оксиды азота МОх и окислы углерода СО.

2. Представлен анализ и обобщены результаты теоретического и экспериментального исследования рабочего процесса КС ГТД НК-16СТ, в конструкции которой, реализован комплекс технических решений.

3. На основе «термического» механизма Я.Б. Зельдовича образования N0, разработана методика определения эмиссионных характеристик КС в процессе доводки.

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и метрологической проверкой используемых приборов, обобщением и сравнением полученных результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной их согласованностью.

Научная и практическая значимость

1. На основе термического механизма Я.Б. Зельдовича и использования одномерной модели КС, разработана методика расчета образования оксидов азота, которая позволяет оценить влияние режимных и конструктивных параметров камеры на выбросы токсичных веществ и наметить мероприятия по снижению выброса NOx.

2. Разработана методика расчета параметров в факеле закрученной струи, которая позволяет объяснить влияние конструктивных особенностей горелоч-ного устройства на основные характеристики горения в закрученном потоке.

Личный вклад автора в работу

Создание метода модернизации КС, основанного на совершенствовании горелочного устройства, жаровой трубы и перераспределении воздуха по её длине, получение аналитических решений. Разработка конструкции. Разработка методики расчета образования NOx в камере сгорания. Проведение экспериментальных исследований, обработка результатов расчета, проведение их анализа и формулирование выводов диссертации выполнены лично автором.

Использование результатов. Результаты работы могут быть использованы в организациях занимающихся проектированием авиационных ГТД, при модернизации камер сгорания, направленной на улучшение экологических показателей конвертируемых авиационных ГТД. В настоящее время результаты работы использованы в ОАО «КМПО», при создании низкоэмиссионной камеры сгорания, а также в научных исследованиях и учебном процессе кафедры авиационных двигателей и энергетических установок КНИТУ им. А.Н Туполева-КАИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на Международной молодежной научной конференции «XVI, XVII Туполевские чтения», Казань, 2008, 2009; Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения», Казань, 2008, 2010; III Научно-техническом межведомственном семинаре «Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ», Москва, ЦИАМ-ВТИ, 2008; XXI, XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика. Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2009, 2010; Международной научно-технической конференции,

посвященной памяти Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2009, 2011; V Всероссийской, VI Международной научно - технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09», «АНТЭ-2011», Казань, 2009, 2011; VII Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", Самара, 2011; XV, XVI Международном конгрессе двигателестроителей, Харьков Рыбачье-Украина, 2010, 2011, а так же на научных семинарах кафедры АДЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 3 - в рекомендованных ВАК изданиях, 2- в зарубежном издании, 7- в материалах международных и всероссийских конференций, 6 - тезисы докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы, включающего 68 наименований. Объем диссертационной работы - 140 страниц. Количество таблиц - 7; иллюстраций -70.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность работы, формулируются цели, задачи, научная новизна и практическая значимость работы. Показываются особенности конвертирования авиадвигателей в наземные ГТУ.

В первой главе показано, что задача экологической модернизации камер сгорания серийного ГТД, принципиально отличается от задачи создания новых малотоксичных ГТУ.

Во-первых, для того, чтобы экологическая модернизация была экономически оправдана, затраты на ее проведение должны быть минимальными. Практически это означает, что нельзя вносить существенного изменения в:

- конструкцию силового корпуса,

- систему подвода и распределения топлива,

- систему автоматического регулирования,

- систему управления и контроля.

Во-вторых, при модернизации не должны ухудшаться эксплуатационные свойства ГТД, т.е. основные характеристики модернизированной камеры сгорания:

- полнота сгорания топлива,

- гидравлическое сопротивление,

- неравномерность температурного поля газов за камерой,

- максимальная температура металла горячих элементов,

- надежность зажигания топливо-воздушной смеси при пуске,

- границы "бедного" и "богатого" срывов факела, должны быть близки к характеристикам серийной камеры сгорания.

В связи с этим проведен обзор работ, посвященных модернизации конструкции камер сгорания конвертированных ГТД.

Вопросам исследования низкоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгорания ГТД, посвящены работы ряда специалистов и ученых, таких как - А. Lefebvre., N.A. Chigier., Цыбизов Ю.И., Лавров В.Н., Постников A.M., Куцен-ко Ю.Г., Бакиров Ф.Г., Тумановский А. Г., Кашапов P.C., Мингазов Б.Г., Ве-дешкин Г.К., и др

Представлен ряд предприятий авиадвигателестроительной отрасли, которые ведут работы по модернизации конструкции камер сгорания традиционных схем, в целях улучшения экологических показателей стационарных ГТД. В СНТК им. Н.Д. Кузнецова г. Самара, был проведен большой комплекс работ по оптимизации конструкции традиционной камеры сгорания высокоэффективного ГТУ НК-36СТ. ОАО КПП «Авиамотор» г. Казань, вел работы по снижению токсичных веществ путем перераспределения отверстий по длине жаровой трубы двигателя НК-18СТ. ФГУП «НПП Мотор», г. Уфа модернизировал камеру сгорания двигателя Р13-300, используемого в качестве газотурбинного привода энергетической установки ГТЭ-10/95. Метод локального дозирования вдува воздуха в высокотемпературные зоны камеры сгорания успешно внедрен фирмой "ЭСТ" (С.-Петербург) для экологической модернизации установок ГТК-10, ГТК-760-6, KWV VR-438, MS-3002. В ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», также проводились стендовые исследования модификаций авиационных камер сгорания для ГТД наземного применения.

Проведенный анализ приемов модернизации камер в целях снижения выбросов токсичных веществ, показал, что многие фирмы, часто прибегают к перераспределению отверстий по длине жаровой трубы. Еще один способ достичь пониженного уровня выбросов - изменение конструкции горелочного устройства. Все эти мероприятия направлены на снижение температуры в зоне горения.

Во второй главе исследуется влияние конструктивных изменений на характеристики камеры сгорания ГТД НК-16СТ (рис.1), к которым относятся: неравномерность температурного поля, полнота сгорания топлива и эмиссия токсичных веществ. В ней приведены: схема и описание экспериментальной установки; схемы модернизации камеры сгора-

Рис.1. Варианты конструктивных доработок камеры сгорания двигателя НК-16СТ

ния; порядок проведения экспериментов; расчетные методики, используемые при обработке замеров основных характеристик камеры; результаты обработки и их анализ. Конструктивные изменения, вносимые в КС и процесс их исследования, проводились в три этапа:

1. Изменение конструкции горелочного устройства (Рис.1, Компоновка №1,2).

2. Перераспределение отверстий подвода воздуха по длине жаровой трубы (Рис.1, Компоновка №3);

3. Сокращение размеров жаровой трубы (Рис.1, Компоновка №4)

В конструкции фронтового устройства серийной - кольцевой КС, вихревые газовые горелки (рис.2) уста-

ры сгорания за сопловым насадком Рис.2. Схема горелочных устройств. 4, каждой из вихревых горелок

формируются потоки топливовоздушной смеси, имеющие приосевые циркуляционные области. Наличие таких областей обеспечивает циркуляцию горячих продуктов сгорания и активных центров из зоны горения к корню факела свежей смеси, что создает условия для устойчивого воспламенения и стабилизации пламени.

На первом этапе изучалось влияние формы насадка горелочного устройства (рис. 2. А, Б), на рабочий процесс КС при постоянном законе подвода

Рис. 3. Схема стенда испытаний КС 1-нагнетатель, 2-отбор воздуха,3-регулируемая заслонка,4-трубопровод, 5-расходомерное устройство, 6-гребенка термопар, 7-газоотборный зонд, 8-камера сгорания, 9-канал, 10- газоанализирующее оборудование

навливаются равномерно по окружности между внутренним и наружным кожухами жаровой трубы (ЖТ). Топливо, подаваемое газовыми форсунками / вдоль оси каждой из горелок, перемешивается в камере смешения 3 с закрученным в завихрителе 2 потоком воздуха. В результате в первичной зоне каме-

6

I5

1 4

О

2

и -7 Ь

/

-¿¿к*

воздуха по длине ЖТ. Серийная камера имеет диффузорный насадок, камера с конфузорным насадкам - компоновка №1.

Каждый из вариантов камеры испытывался на установке, схема которой представлена на рис.3. Во время испытаний, параметры стенда соответствовали номинальному режиму работы КС: температура и скорость воздуха на входе в мерный участок соответственно: Тк*= 500 К, Свх-115м/с, давление Рк*= 0,1 МПа. Замеры эмиссии СО и Юх проводились при аг = 3...7 •

Измерения поля температуры (рис.4) показали, что на выходе из КС компоновка №1 в районе термопары №5 наблюдается увеличение температуры по сравнению с серийным вариантом. Это позволяет считать, что конфузорный насадок горелочного устройства формирует в зоне горения более горячее ядро потока. Процесс объясняется смыканием вихревого слоя и уменьшением поперечных размеров зоны рециркуляции, что привело к локализации высокотемпературных масс газа в приосевой области горелки. Поэтому, для эффективного уменьшения поверхностей пламени со стехиометрическим составом

было реализовано техническое решение, основанное на локальном обеднении смеси в горячей приосевой зоне (рис.2, вариант II) - компоновка №2. Данное решение, заключается в доработке горелочного устройства, путем организации между форсункой и завихрителем кольцевого канала. В результате чего, была обеспечена на -15% большая площадь проходного сечения горелочного устройства, чем в исходном серийном варианте. Это мероприятие позволило снизить температуру ядра потока и привести радиальную эпюру в соответствие с нормами ТУ.

Второй этап основан на доработке жаровой трубы, путем перераспределен отверстий по её длине (компоновка №3), где в зону горения, было подведено большее количество воздуха по сравнению с серийной камерой, что осуществлялось за счет уменьшения проходных сечений патрубков смесителей, расположенных в зоне смешения и организацией дополнительного ряда отверстий в зоне горения. Данное мероприятие не ухудшило температурную неравномерность.

Рис.4. Профили радиальной температурной неравномерности на выходе из КС 0 - серийная компоновка; х- Компоновка №1; • - Компоновка №2; А- Компоновка №3; п - Компоновка №4. о - норма ТУ

На третьем этапе (рис.5), сохранив закон подвода воздуха по длине жаровой трубы и горелочное устройство, как в компоновке №3, жаровая труба была укорочена на =40%, с 0,575 до 0,347м (компоновка №4).

Ькг =0,575м

2 «г о* с

-Г*

J.....

-J

Р

г J

J

г

1X0 г = 0,347м

f— о Г" о —J. "С. £ - ^^

i i— --!—f=4

1

—i-U

г1 —tt __L <_

U *Л « М М L

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ОД О,« i.

Рис. 5. Схема жаровой трубы серийной и укороченной КС и распределение относительных площадей отверстий по их длине.

На рис.6 (а, б), представлены графики зависимости приведенных концентраций С'с50 и Сд50 от суммарного коэффициента избытка воздуха аг для пяти вариантов камеры сгорания. Из графиков видно, что для всех модифицированных вариантов камеры характерно снижение ууо, > которое на номинальном режиме работы (at= 5) составило 10-40% от величины эмиссии серийной

КС и снижение СО в среднем на 12-75%.

Уменьшение уровня выбросов оксидов азота по сравнению с базовым вариантом наблюдается в камере сгорания - компоновка №1 на 10% , что связано с изменением геометрии сопла горелки. Дальнейшие мероприятия по модернизации КС приводили к поэтапному снижению оксидов азота. В результате, наилучший результат достигнут у варианта - компоновка №4.

Что касается выбросов СО, то у варианта компоновка Xsl наблюдается максимальное снижение по сравнению с серийной КС, составившее =75%. При этом каждое мероприятие, по раскрытию ЖТ (компоновка №2, 3) приводило к закономерному увеличению СО по сравнению с компоновкой №1, но не превысило значений серийной КС.

На рис.7 представлен график зависимости полноты сгорания топлива ^ от общего коэффициента избытка воздуха ос.

Минимальное значение наблюдается в серийной КС. Мероприятия, внедренные в КС - компоновка №1 позволили поднять полноту сгорания на 1,8%, дальнейшие мероприятия приводили к снижению полноты сгорания. Компоновка № 4 имеет наиболее приближенные значения полноты сгорания к показаниям серийной КС.

Рис.7. Характеристики полноты сгорания топлива на выходе из КС □- серийная компоновка; х- компоновка №1; Д- компоновка №2; О- компоновка №3; о- компоновка №4.

На рис.8, представлена зависимость коэффициента избытка воздуха^, который соответствует срыву пламени при обеднении топливовоздушной смеси от скорости воздуха на входе в камеру. Здесь произведено сравнение «срывных» характеристик КС имеющей самые низкие показатели по выбросам но - компоновка №4, с серийной КС. Откуда видно, что происходит ухудшение устойчивости горения относительно «бедного» срыва пламени по сравнению с серийной КС, что объясняется внесенными изменениями в конструкции ЖТ и обеднением зоны горения.

Рис.6 Экспериментальная зависимость приведенной концентрации окислов углерода (а) и окислов азота (б) от суммарного коэффициента избытка воздуха в КС.

серийный вариант; ■сборка №1; А-сборка №2; сборка №3; *-сборка №4.

Для подтверждения выявленых зависимостей по выбросам токсичных веществ, дальнейшие работы по исследованию КС были проведены в составе полноразмерного двигателя НК-16СТ: от-

работаны запуск, выход на режимы частичной и полной мощности, в шахте выхлопа замерена концентрация выбросов токсичных веществ.

На рис.9, представлены концентрации выбросов СО и N0.,. для всех компоновок КС, на номинальном режиме работы двигателя Ые=16МВт. Данные свидетельствуют, что стендовые испытания выявили качественную картину изменения выбросов токсичных веществ на выходе из ГТД. К тому же, испытания камер в составе двигателя показали, что ухудшение характеристик «бедного»

Ск,

м V \

\

А \ д

Л V

\ Ч \

20

25

Рис.8. Характеристики «бедного» срыва пламени КС. □-серийная КС; Д-компоновка№4;

срыва пламени, не отразились на запуске и работе камер по всем режимам работы двигателя.

В результате проведенных исследований камер сгорания различного конструктивного исполнения, установлены закономерности изменения экологических показателей ГТД.

В третей главе, для объяснения полученных экспериментальных результатов по выбросам оксидов азота в камерах с разными вариантами го-

релочных устройств (серийная КС и компоновка №1), на основе данных Мин-газова Б.Г по эжекционной способности свободной закрученной струи топли-вовоздушной смеси, разработана методика расчета параметров в факеле закрученного потока. На начальном этапе, в исследованиях применяется коэффициент смешения т, представляющий собой отношение расхода эжектиро-ванного окружающего воздуха оэ к расходу эжектирующей струи , протекающей через завихритель: _ Оэ . Данный коэффициент позволяет оцени-

Серийная I этап Пэтап Ш этап

Рис.9. Концентрация СО и N0* (приведены к условному содержанию кислорода в выхлопных газах, равному 15%): 1 - серийная компоновка; 2 - компоновка №1; 3 - компоновка №2; 4 - компоновка №3; 5 - компоновка №4.

вать интенсивность смешения в закрученном потоке за горелочным устроист-

вом, конструктивные характеристики которого задаются параметром крутки пк - согласно Померанцеву.

На основе анализа и обобщения экспериментальных данных по эжекци-онной способности закрученной струи, получена эмпирическая зависимость для определения доли эжектированного воздуха в зоне обратных токов (ЗОТ) закрученной струи с горением:

0,2—(л*+1)+0,04л, А.

(1)

где X - расстояние от среза смесительной камеры горелочного устройства по оси струи

£> - наружный диаметр горелочного устройства;

Т - температура окружающего (эжекционного) воздуха;

•р - начальная температура воздуха перед горелочным устройством;

д _ "[г_ - степень подогрева за счет горения; Т

1э

Т - температура в зоне горения.

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений т, показало их удовлетворительную сходимость, что указывает на возможность применения найденного уравнения при расчете местных составов смеси в закрученной струе.

На основе уравнения теплового баланса, с учетом коэффициента смешения, произведен расчет температуры горения в ЗОТ,

Оси =вэ+вг+вг Здесь д - тепло внесенное эжек-

тируемым воздухом в ЗОТ, д№ - тепло внесенное воздухом эжектирую-щей струи, <2Г - тепло подведенное к газу в ЗОТ за счет сгорания топлива.

при аЮТ > 1:

тТэ + Т„ т +1

Рис.10. Схема подвода тепла в зону горения на выходе из горелочного устройства

ЧН. (2)

Срг

■(1 + аЗОТЬ0)

где Н - теплотворная способность топлива; г) - полнота сгорания топлива; ¿0- стехиометрический коэффициент; азот- коэффициент избытка воздуха ЗОТ;

Ср -средняя теплоемкость продуктов сгорания;

т -коэффициент смешения в ЗОТ.

В дальнейшем, используя известную зависимость, полученную на основе обобщения результатов исследований по смешению струи с потоком:

/ . \

йэлт — о:и' * т

1 + -

1

<х№Ь0

(3)

где а1У - состав смеси в струе за го-

релочным устройством.

С её помощью определяется состав смеси в зоне обратных токов, которые играют существенную роль, в частности, в процессах стабилизации пламени в закрученной струе.

Для нахождения выбросов оксида азота в ЗОТ используется упрощенная зависимость, полученная на основе термического механизма Я.Б.Зельдовича:

N0 „ =3,7-10й е

(4)

где Рк - давление воздуха на входе в горелочное устройство; ТТ - температура газа в зоне горения; т - время пребывания газов в зоне горения.

£ (5)

г = -

0„

Рис.11 Расчетное изменение

а) параметра крутки

б) коэффициента избытка воздуха в

зоне обратных токов

в) концентрации оксидов азота от коэффициента смешения.

т =450К; а№ =0,7; 0,07кг/с

Здесь, для определения объема ЗОТ, необходимо знать её длину, для чего используется эмпирическая зависимость, предложенная Б.Г. Мингазовым:

На основе построенной методики, были выявлены закономерности влияния смешения и параметра крутки, на основные характеристики горения в закрученном потоке. Такие, как температура, выбросы оксидов азота.

Как видно из графика рис. 11.а, увеличение параметра крутки^, вызванное изменением геометрии горелочного устройства, приводит к повышению коэффициента смешения т . Из выражения (1) выявлено, что уменьшение наружного диаметра горелочного устройства^, приводит к увеличению

коэффициента т, т.е к интенсивному смешению по длине закрученной струи, что обеспечивает низкотемпературное горение пламени. Рис.11.6 демонстрирует, как с увеличением коэффициента т меняется процесс смешения в ЗОТ, в результате чего уменьшается температура и как следствие, выбросы N0, (Рис.11.в). Этим и объясняется снижение концентрации N0X в компоновке №1 по сравнению с серийной КС, (точки 2 и 1 соответственно). Таким образом, использование основных законов распространения закрученной струи, позволяет объяснить влияние конструктивных мероприятий по модернизации фронтового устройства.

В четвертой главе, за основу взята одномерная модель камеры сгорания, разработанная Мингазовым Б.Г, которая предполагает разделение камеры по длине на ряд зон и допущение, что в пределах каждой зоны приближенно происходит реагирование части топлива в виде однородной смеси паров топлива с воздухом, поступившим в каждую зону из предыдущего участка и воздуха из боковых отверстий жаровой трубы. Такой подход позволяет применить основы теории турбулентного распространения пламени в пределах одной зоны для определения характеристик по длине ЖТ.

Используя данный подход для определения концентрации оксидов азота в камере сгорания ГТД. Предполагая, что весь объем жаровой трубы состоит из п зон, в каждой зоне формируется состав непрореагировавшей смеси топлива и воздуха, а также продуктов сгорания, поступивших из предыдущей зоны. Следовательно, концентрация ANOH в каждой зоне определяется выделившимися в конкретной зоне и поступившими из предыдущей зоны оксидами азота. Для нахождения ДШЯ используется дифференциальная зависимость, полученная на основе механизма Я.Б. Зельдовича, для определения термического окисления азота кислородом, которая представлена в виде:

<¿N0 5-10" -= . ■ехр

dr V°2

86000^ " RTr ,

л лг 64 f 43Ш)

ОЛуехр -—J

-(NO)2

(7)

Здесь Гг- температура в зоне горения, Л'0,Л'2,02 - мгновенные концентрации компонентов газовой смеси, определяются на основе закономерности выгора-

ния топлива полученной в результате расчета по модели турбулентного горения. г - длительность реакции.

В модели, исходя из геометрии жаровой трубы и уравнений баланса воздуха, топлива и продуктов сгорания, определяется распределение местных составов смеси:

а, = Св/(ОА). (Ю

Средняя температура газа в г-м сечении находится из уравнения теплового баланса, в котором учитывается тепло д , принесенное газом из предыдущей зоны; ()ъЬ внесенное воздухом, поступающим в зону горения из боковых отверстий; 2Г„ подведенное к газу за счет сгорания части топлива в г-й зоне схеме на рис. 12:

Отсюда получим:

Т =

ртм гм

г, а +т-сТАО +Автг]Ни

(9)

где срП срв - теплоемкость газа и воздуха в соответствующих сечениях; Тк - температура воздуха на входе; Т - температура газа в г-м сечении; СГ - расход

топлива; А(7 , - расход воздуха и газа в г-м сечении; Як - теплотвор-

В; Г/

ная способность топлива; г| - полнота сгорания; т - коэффициент смешения в ЗОТ.

С целью выявления основных закономерностей внутрикамерных процессов были проведены расчеты с помощью предложенной методики, для каждого модернизированного варианта.

В примере, расчетные характеристики представлены для серийной и укороченной КС.

Из рис.13 (б) видно, что при работе укороченной КС, основное горение происходит в её головной части с небольшой Рис'12- Схема П0Дв°Да тепла в 30НУ Г0Рения протяженностью высокотемпературной зоны горения, поэтому выделение N0* меньше чем в серийной камере, где

протяженность высокотемпературной зоны более продолжительная, в результате чего увеличивается выделение ЫОх, что наблюдается из графика рис. 13 (а).

К тому же большой вклад в снижение оксидов азота вносит сокращение времени пребывания гпр продуктов сгорания в камере: 11мс - базовая КС, 7 мс -укороченная КС, что доказывают расчеты и эксперименты проведенные в данной работе.

Рис.13. Распределение параметров по длине жаровой трубы а)- серийная КС;

б)- укороченная КС; Тк*= 500 К, Рк*= 0,1 МПа, «^=5.

На основе рассмотренной модели были проведены расчеты, которые, позволили получить сравнительные графики изменения полноты сгорания, выделения N0,, СО от коэффициента избытка воздуха в зоне горения азг (рис.14). В данном примере рассматриваются характеристики укороченной камеры сгорания.

При рассмотрении приведенных графиков, можно выделить три характерные области: А, В и С. Первая область А характерна тем, что полнота сгорания имеет низкий уровень и соответственно высокие значения выделения окиси углерода и углеводородов, в то же время выделение окислов азота незначительно. В области В достигаются максимальные значения полноты сгорания и соответственно максимальное выделение ЫОх, в то же время выход СО имеет низкий уровень. В области С происходит уменьшение выброса N0* при относительно низких значениях уровня выделения СО и высокой полноте сгорания топлива.

Исходя из сказанного можно сделать вывод, что режиму работы исследованной серийной камеры сгорания соответствует область Б, где имеет место горение «богатой» тошшвовоздушной смеси при а3.г = 0,8-1,2. Проведенные

СЖХч мг/м3 25- V 0,9-

20- 0,8

15- 0,7

10- 0,6

5 - 0,5

0 - 1 0,4

Тг,К

-2300

-2100

"1900

1700

•1500

0,9 1,2 1,5 1,8 1,5 2,1 а ¡.г Рис.14. Расчетно-экспериментальное изменение параметров газа на выходе из КС по коэффициенту избытка воздуха в зоне горения. Тк*= 500 К, Рк*= 0,1 МП а о,О- эксперимент;--расчет

конструктивные мероприятия, рассмотренные в данной работе - изменение геометрии горелочного устройства, раскрытие фронтового устройства, перераспределение воздуха в головную часть жаровой трубы, уменьшение времени пребывания путем сокращения размеров жаровой трубы, все это приводило к снижению показателей эмиссии N0*, и некоторому увеличению СО, в результате

смещения рабочего режима в область С, соответствующую бедной зоне горения.

Таким образом, предложенный метод позволяет оперативно прогнозировать влияние изменения, как режимных, так и конструктивных параметров камеры на образование оксидов азота. Это существенно уменьшает объем экспериментально-доводочных работ, в процессе экологической модернизации КС. Метод является простым по сравнению с современными пакетами прикладных газодинамических программ и более доступной при модернизации и доводке камер сгорания ГТД.

Основные результаты и выводы

1. На основе результатов экспериментальных исследований в стендовых

условиях полноразмерных камер сгорания различного конструктив-

ного исполнения, установлено, что изменение конструкции горелочного устройства, и закона подвода воздуха по длине жаровой трубы являются эффективными средствами управления процессом сжигания газообразного топлива.

2. Снижение времени пребывания путем уменьшения объемов жаровой трубы позволяет на 40% снизить выбросы NOr по сравнению с базовым вариантом камеры сгорания.

3. На основе разработанной методики, показано влияние характеристик закрученной струи на эмиссию NOr.

4. Создана расчетная методика образования оксидов азота в КС ГТД, на основе термического механизма Я.Б. Зельдовича и одномерной модели камеры сгорания.

5. Представленный комплексный подход по снижению токсичных веществ, позволил модернизировать серийную камеру сгорания, существенно улучшив экологические характеристики ГТД.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Бакланов A.B. Организация низкоэмиссионного горения в кольцевой камере сгорания ГТД. / Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов A.B.// Изв. вузов. Авиационная техника, № 3, 2009, с. 70-72.

2. Бакланов A.B. Технические решения по снижению NOx в традиционной камере сгорания ГТД НК-16СТ. / Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов A.B.// Вестник СГАУ им. С.П. Королева. №3(19),Часть 1,2009, с 291-297.

3. Бакланов A.B. Усовершенствование конструкции камер сгорания традиционных схем в целях улучшения экологических показателей ГТД / Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов A.B.// Изв. вузов. Авиационная техника, № 1,2010, с. 41-44.

Статьи, опубликованные в зарубежных изданиях:

4. Бакланов A.B. Снижение токсичности выхлопных газов в конвертированном авиадвигателе путем модернизации конструкции камеры сгорания. / Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бакланов A.B. //Вестник двигателе-строения, Запорожье, №2,2010, с. 136-140.

5. Бакланов A.B. Этапы модернизации камеры сгорания ГТД со ступенчатым подводом воздуха по длине жаровой трубы. / Маркушин А.Н., Бакланов A.B. //Вестник двигателестроения, Запорожье, №2,2011, с. 79-82.

Работы, опубликованные в материалах международных и всероссийских конференций:

6. Бакланов A.B. Математическая модель образования NOx в камерах сгорания ГТД, /Бакланов A.B., Мингазов Б.Г.// Материалы Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое

звено в возрождении отечественного авиастроения», - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. Т.1, 2008, с.267 - 270.

7. Батанов A.B. Одномерная модель горения с учетом автотурбули-зации в камерах сгорания ГТД. /Мингазов Б.Г., Бакланов A.B.// Материалы V Всероссийской научно- технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-09». - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. Т.1, 2009, с.264 - 299.

8. Бакланов A.B. Метод локального дозированного вдува воздуха в высокотемпературные зоны, как способ подавления NOx в камерах сгорания ГТД. / Мингазов Б.Г., Бакланов A.B.// Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-09». - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. Т.1, 2009, с.ЗОО - 304.

9. Бакланов A.B. Технические решения по снижению NOx в традиционной камере сгорания ГТД НК-16СТ./ Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бы-шин В.М., Бакланов A.B.// Материалы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». - Самара, СГАУ, 2009. 4.2. с. 200 — 201.

10. Бакланов A.B. Технология низкоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгорания ГТД. / Бакланов А.В, Мингазов Б.Г..// Сборник докладов международной научно-практической конференции «Современные технологии и материалы ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». - Казань, изд-во «Вертолет». Т.1, 2010, с.363 - 371.

11. Бакланов A.B. Внедрение программы одномерного моделирования процессов горения в этап проектирования камер сгорания ГТД. /Мингазов Б.Г., Бакланов A.B., Ахмадеев Э.Э., Шарафутдинов Р.И// Материалы VI Международной научно - технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011». - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. Т.1,2011, с.464 - 470.

12. Бакланов A.B. Влияние формы горелочного устройства на параметр смешения в закрученной струе /Мингазов Б.Г., Бакланов A.B.// Материалы VI Международной научно - технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2011». - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. Т.1,2011, с.471 - 477.

Тезисы докладов 13. Бакланов A.B. К вопросу о моделировании образования токсичных веществ в традиционной камере сгорания. // Сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струй-

ная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий". Часть 2. КВАКУ. Казань,-2009. -с. 32-34.

14. Бакланов A.B. Влияние перераспределения подвода воздуха по поясам отверстий на экологические характеристики камеры сгорания ГТД. // Сборник материалов XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутренние процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий". Часть 2. КВАКУ. Казань,-2010. -с. 45-47.

15. Бакланов А. В. Одномерная модель горения в камере сгорания малоразмерного ГТД // XVI Туполевские чтения. Международная молодежная научная конференция. Труды конференции. Том I. КГТУ (КАИ). Казань,-2008. -с. 276-277.

16. Бакланов А. В. Эмпирический и численный способы прогнозирования выбросов NOx в камерах сгорания ГТД. // XVII Туполевские чтения. Международная молодежная научная конференция. Труды конференции. Том I. КГТУ (КАИ). Казань,-2009. -с. 274-276.

17. Бакланов А. В. Влияние автотурбулизации на параметры турбулентного потока в камерах сгорания ГТД. // XVIII Туполевские чтения. Международная молодежная научная конференция. Материалы конференции. Том 2. КГТУ (КАИ). Казань,-2010. -с. 17-18.

18. Бакланов А. В. Влияние конструкции горелочного устройства на характеристики камеры сгорания ГТУ, работающей на газообразном топливе/ Маркушин А.Н., Бакланов A.B. Цыганов Н.Е// Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Материалы докладов междунар. науч.-техн. конф.- Самара: СГАУ, 2011.-В 24.4.2.-е. 9-10

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-год.л. 1,0.

_Тираж 120. Заказ 01 ЗУ._

Типография Казанского государственного технического университета

420111, Казань, К. Маркса, 10

Условные обозначения

Индексы

Условные сокращения

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Анализ современных подходов к малотоксичному сжиганию топлива в камерах сгорания ГТД

1.1 Основные загрязняющие вещества

1.2 Теоретические основы снижения уровня оксидов азота в камерах сгорания ГТД

1.3 Особенности организации процессов в традиционных камерах сгорания

1.4 Современные работы по экологической модернизации существующих камер сгорания

1.5 Современные концепции малоэмиссионного сжигания топлива в камерах сгорания ГТД

Глава 2 Экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров жаровой трубы на основные характеристики камеры сгорания

2.1 Цели и задачи исследования

2.2 Камера сгорания двигателя НК-16СТ. Конструктивные особенности

2.3 Принципы организации и особенности процессов в камере сгорания НК-16СТ

2.4 Методика и результаты экспериментального исследования рабочего процесса камер сгорания

2.5 Методика обработки результатов замера эмиссии токсичных веществ СО и ЫОх при испытании камеры сгорания на стенде

2.6 Методика обработки параметров температурного поля на выходе камеры сгорания

2.7 Методика расчета полнотных характеристик камеры сгорания

2.8 Описание этапов конструктивной модернизации и испытания камер сгорания НК-16СТ

2.8.1 Этап модернизации №

2.8.2 Этап модернизации №

2.8.3 Этап модернизации'№

2.9 Методика экспериментального исследования рабочего процесса камер сгорания в составе двигателя

2.10 Анализ и сравнение выбросов ЫОх ГТУ с традиционными камерами сгорания

Глава 3 Исследование влияния горелочного устройства на характеристики факела закрученной струи

3.1 Описание экспериментальной установки и объекта исследования

3.2 Влияние конструктивных параметров горелочного устройства на газодинамическую структуру течения

3.3 Выбор и определение параметра крутки

3.4 Изучение процесса смешения в закрученной струе

3.5 Расчет температуры горения в ЗОТ

3.6 Методика определения влияния формы горелочного устройства на параметры в закрученной струе

Глава 4 Моделирование процесса образования оксидов азота в камере сгорания ГТД

4.1 Термический механизм Я.Б. Зельдовича

4.2 Одномерная модель камеры сгорания

4.3 Определение закономерностей выгорания топлива

4.4 Расчет параметров газового потока в каждой зоне

4.5 Определение температуры

4.6 Методика расчета >Юх в камере сгорания ГТД

4.6.1 Определение концентраций компонентов конечной газовой смеси

4.7 Результаты расчета

4.8 Анализ работы камер сгорания на основе одномерной модели 130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134 Список литературы

Условные обозначения

С - концентрация, Стах - максимальная концентрация;

СН - несгоревшие углеводороды в составе продуктов сгорания;

СО - окись углерода в составе продуктов сгорания;

Ср - удельная теплоемкость, Дж/кгК;

Э - наружный диаметр; с1 - внутренний диаметр;

От - коэффициент турбулентной диффузии;

Е1 - индекс эмиссии; е - число Непера, ехр;

Б - площадь сечения, м2;

Т - относительная площадь; в - расход, кг/с;

0 - относительный расход; g - свободного падения;

Ни - низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг; / - номер пояса отверстий, номер термопары при замере температуры;

1 - энтальпия, Дж/кг; к - показатель адиабаты; Ь - длина, м; - масштаб турбулетности, м;

Ьо - стехиометрический коэффициент, кг воздуха/кг топлива; М - масса, кг; т - коэффициент эжекции, коэффициент смешения, молярная масса вещества, математическое ожидание;

N - мощность, Вт; п - количество отверстий в поясе;

1чЮх - окислы азота в продуктах сгорания;

Ог - кислород в продуктах сгорания; р - статическое давление, Па; р* - полное давление, Па;

3 - теплота, кДж/кг; ц - скоростной напор, Па;

Ц - относительный скоростной напор;

Кзот - радиус зоны обратных токов, м; ^ - температура статическая и заторможенная, °С, время, с;

Т, Т* - температура статическая и заторможенная, К;

Т - относительная температура;

Те1а - параметр температурной неравномерности;

ЦНС - несгоревшие углеводороды в продуктах сгорания; ито - распространения пламени по молю в начальный момент времени; и„б - скорость нормального распространения пламени, м/с; и - скорость, м/с;

- пульсационная скорость, м/с; х - текущая координата длины камеры сгорания, м/с; & р - перепад статического давления, Па;

0 - параметр, характеризующий температурную неравномерность на выходе КС; д3 - температурная неравномерность на выходе КС по эксперементальным данным; а - коэффициент избытка воздуха; - интенсивность турбулентности; г| - коэффициент полноты сгорания топлива; р - угол закрутки потока, град; у - угол подачи струи в сносящий поток, град;

X - приведенная скорость; ц - коэффициент расхода, мольная доля вещества; р - плотность, кг/м3; т - характерное время, с;

7 - коэффициент сохранения полного давления в камере, среднеквадратическое отклонение; тг* - степень повышения давления.

Индексы - означает, что параметры взяты по статистическим данным;

0 - начальное значение;

1 - пояса отверстий, термопары в гребенке термопар, компоненты сгорания, номер временного участка; к - количество рядов основных отверстий; max, макс - максимальное значение; ср, сред - среднее значение; в - воздух; вн - внутренний; вх, вход - вход; вьгх - выход;

Г, г- газ (смесь воздуха и продуктов сгорания), топливный газ; зг - зона горения; к - компрессор; кс - камера сгорания; н - наружный; м - местное значение; Т,т- топливо; о, отв - отверстие; пс - продукты сгорания; ч - "чистые" продукты; э - экспериментальное значение; фр - фронтовое устройство; - суммарное значение.

Условные сокращения

БКС - блок камеры сгорания;

МКС-малоэмиссионная камера сгорания;

ГПА - газоперекачивающий агрегат;

ГПУ - газоперекачивающая установка;

ГТД - газотурбинный двигатель;

ГТУ - газотурбинная установка;

ЖТ - жаровая труба;

ЗОТ - зона обратных токов;

КС - камера сгорания;

TBC- топливовоздушная смесь.

ТУ - технические условия;

ХА - хромель - алюмель.

Актуальность темы. В настоящее время газотурбинные двигатели находят всё более широкое применение в качестве силовых установок в энергетике, нефтяной и газовой промышленности, то есть происходит процесс конвертирования авиационных газотурбинных двигателей, отработавших свой летный ресурс, в газотурбинные установки наземного применения.

На базе авиационных двигателей достаточно выгодно создавать ГТУ, так как в этом случае осуществляется экономия дорогостоящих материалов, используемых при их создании, что позволяет сохранить примерно 70-75 % основных узлов и деталей базового двигателя. К тому же, конвертирование именно авиационных двигателей связано с географией размещения природных ресурсов на территории Российской Федерации, которые сосредоточены в основном в восточных районах Западной и Восточной Сибири, при том, что основные потребители энергии находятся в Европейской части страны и на Урале. В этом случае осуществляется возможность организации транспортировки энергоносителей с востока на запад дешевыми, транспортабельными силовыми установками оптимальной мощности с высоким уровнем автоматизации.

Увеличение количества снимаемых ежегодно с крыла самолета двигателей и рост потребного количества приводов для различных отраслей народного хозяйства позволяет обеспечить парк приводов на базе авиадвигателей.

В настоящее время, в целях осуществления политики экологической безопасности, к ГТУ предъявляются все более жесткие требования на уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ от сжигания топлива, в виде окиси углерода СО и окислов азота МОх, поэтому проблема снижения выбросов токсичных веществ является актуальной.

В Российской Федерации ГОСТом 28775-90 для ГПА с газотурбинным приводом допустимый уровень содержания токсичных веществ ограничивается: М)х <150 мг/м3; СО <300 мг/м3 (в отработанных газах при 0 °С и 0,1013 МПа и условной концентрации кислорода 15%), однако в ближайшем будущем, планируется ужесточение требований на выбросы токсичных веществ.

В настоящее, время порядка 40% установленной мощности всех газоперикачивающих агрегатов а ОАО «ГАЗПРОМ» составляют ГПА-Ц-16. В качестве силового привода установки используется конвертированный авиационный двигатель НК-16СТ, поэтому есть необходимость в улучшении экологических характеристик данного ГТУ.

Выбросы токсичных веществ в первую очередь зависят от процессов происходящих в камере сгорания (КС). Камеры, конструкция которых наследуется, в процессе конвертирования летного двигателя в наземные установки, принято называть традиционными. В них-заложены технические решения, позволяющие реализовать однозонное диффузионное горение. Поэтому модернизация конструкции таких камер является актуальной задачей, так как в Российской Федерации насчитывается большой парк ГТУ, выбросы вредных веществ которых, имеют высокий уровень, а заменить находящиеся в эксплуатации традиционные камеры на дорогостоящие малотоксичные невозможно в короткий срок.

К тому же, модернизация конструкции традиционных камер сгорания, в отличие от создания принципиально новых схем организации малоэмиссионного горения, включает в себя определенные преимущества, такие как: простота, надежность, десятилетиями отработанная технология проектирования, изготовления и эксплуатации, одноконтурная система подачи топлива и однозначность управления на основных режимах.

В моторостроительных КБ, работы по модернизации серийных камер сгорания часто выполняются на основе имеющегося прототипа, путем анализа накопленных опытных данных, или же с использованием современных расчетных комплексов, которые требуют наличия мощных компьютеров и высокой квалификации расчетчиков. В этом случае имеет место использование простых для практического применения, физически обоснованных расчетных методик и моделей, имеющих привязку к конкретной модернизируемой конструкции.

Объектом исследования в настоящей работе является серийная кольцевая камера сгорания авиационного конвертированного ГТД НК-16СТ, используемого в качестве силового привода газоперекачивающего агрегата.

Цель диссертационной работы:

Модернизация камеры сгорания конвертированного авиационного ГТД, на основе установленных закономерностей изменения экологических характеристик, с целью снижения выбросов токсичных веществ.

Задачи диссертационной работы:

1. Проведение комплекса экспериментальных исследований по влиянию изменения элементов конструкции жаровой трубы на выбросы токсичных веществ и основные параметры КС.

2. Создание методики расчета выделения оксидов азота, на основе термического механизма Я.Б. Зельдовича и одномерной модели камеры сгорания.

3. Разработка теоретических основ и конструктивных методов модернизации традиционных камер сгорания ГТД, позволяющие снизить выбросы токсичных веществ и уменьшить объем экспериментальной доводки.

Научная новизна работы:

1. Новые экспериментальные данные по влиянию изменения конструкции камеры сгорания на формирование эмиссионных показателей токсичных веществ, таких как оксиды азота МЭХ и окислы углерода СО.

2. Представлен анализ и обобщены результаты теоретического и экспериментального исследования рабочего процесса КС ГТД НК-16СТ, в конструкции которой, реализован комплекс технических решений.

3. На основе «термического» механизма Я.Б. Зельдовича образования N0, разработана методика определения эмиссионных характеристик КС в процессе доводки.

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и метрологической проверкой используемых приборов, обобщением и сравнением полученных результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной их согласованностью.

Научная и практическая значимость

1. На основе термического механизма Я.Б. Зельдовича и использования одномерной модели КС, разработана методика расчета образования оксидов азота, которая позволяет оценить влияние режимных и конструктивных параметров камеры на выбросы токсичных веществ и наметить мероприятия по снижению выброса Ы0Х.

2. Разработана методика расчета параметров в факеле закрученной струи, которая позволяет объяснить влияние конструктивных особенностей горелочного устройства на основные характеристики горения в закрученном потоке.

Личный вклад автора в работу

Создание метода модернизации КС, основанного на совершенствовании горелочного устройства, жаровой трубы и перераспределении воздуха по её длине, получение аналитических решений. Разработка конструкции. Разработка методики расчета образования Ы0Х в камере сгорания. Проведение экспериментальных исследований, обработка результатов расчета, проведение их анализа и формулирование выводов диссертации выполнены лично автором.

Использование результатов. Результаты работы могут быть использованы в организациях занимающихся проектированием авиационных

ГТД, при модернизации камер сгорания, направленной на улучшение экологических показателей конвертируемых авиационных ГТД. В настоящее время результаты работы использованы в ОАО «КМПО», при создании низкоэмиссионной камеры сгорания, а также в научных исследованиях и учебном процессе кафедры авиационных двигателей и энергетических установок КНИТУ им. А.Н Туполева-КАИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на Международной молодежной научной конференции «XVI, XVII Туполевские чтения», Казань, 2008, 2009; Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения», Казань, 2008, 2010; III Научно-техническом межведомственном семинаре «Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ», Москва, ЦИАМ-ВТИ, 2008; XXI, XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика. Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2009, 2010; Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2009, 2011; V Всероссийской, VI Международной научно -технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09», «АНТЭ-2011», Казань, 2009, 2011; VII Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", Самара, 2011; XV, XVI Международном конгрессе двигателестроителей, Харьков Рыбачье-Украина, 2010, 2011, а так же на научных семинарах кафедры АДЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 3 - в рекомендованных ВАК изданиях, 2- в зарубежном издании, 7- в материалах международных и всероссийских конференций, 6 - тезисы докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы, включающего 68 наименований. Объем диссертационной работы - 140 страниц. Количество таблиц - 7; иллюстраций -70.

Выводы:

Анализ полученных расчетных зависимостей показывает, что эмиссия N0* зависит от местных значений температуры газа и состава смеси. Наибольшее выделение N0^ наблюдается при высоких температурах и составах смеси при а, >1,0.

При формировании в первичной зоне камеры сгорания «богатых» смесей 0Сз.г. = 0,6-0,8 протяженность высокотемпературной зоны возрастает, соответственно увеличивается и выделение N0*. В это время с обеднением смеси до ак = 1,3 основное горение происходит в головной части камеры с небольшой протяженностью высокотемпературной зоны горения, поэтому выделение N0* уменьшается.

К тому же большой вклад в снижение оксидов азота вносит сокращение времени пребывания тпр продуктов сгорания в камере, путем уменьшения размеров жаровой трубы. Данное мероприятие позволяет значительно снизить выбросы N0*

При рассмотрении расчетной зависимости концентрации N0* от коэффициента избытка воздуха ак (рис. 4.12) можно заметить, что эта кривая изменяется с максимумом. Появление экстремального значения Ы0Л связано с тем, что в области "бедных" смесей эмиссия N0* снижается благодаря уменьшению протяженности высокотемпературной зоны горения, а с обогащением смеси в зоне горения происходит уменьшение концентрации свободного кислорода.

Из сравнения с результатами экспериментальных измерений следует, что расчетные данные отражают основную концепцию изменения выхода N0^ по ак.

В отличие от традиционных способов модернизации серийных камер сгорания, укороченная камера сгорания (компоновка №4) включила в себя все теоретически возможные способы подавления оксидов азота, которые были рассмотрены в главе № 1.

1. Обеспечен процесс выгорания топлива, при котором распределение температуры газов по длине жаровой трубы имеет минимальные значения местных температур газа. Это достигнуто за счет увеличения коэффициента избытка воздуха в зоне горения, путем организации третьего пояса отверстий.

2. Снижено время пребывания тпр продуктов сгорания в КС. Что достигнуто путем установки во фронтовом устройстве горелок с конфузорным насадком. В этом случае градиент поперечной скорости истекающей смеси максимален, что обеспечивает полное выгорание топлива на малой длине, в результате чего конструктивно реализовано сокращение размеры камеры сгорания.

3. Произведено обеднение топливовоздушной смеси и интенсификация смешения топлива и воздуха в первичной зоне, что осуществляется путем раскрытия жаровой трубы в зоне горения (кольцевой канал в горелочном устройстве).

4. Осуществлено частичное предварительное смешение топлива с воздухом, за счет постановки горелок с конфузорным насадком.

Что доказывает возможность применения комплексного подхода в процессе модернизации камер сгорания с целью снижения выбросов токсичных веществ.

Заключение

1. На основе результатов экспериментальных исследований в стендовых условиях полноразмерных камер сгорания различного конструктивного исполнения, установлено, что изменение конструкции горелочного устройства, и закона подвода воздуха по длине жаровой трубы являются эффективными средствами управления процессом сжигания газообразного топлива.

2. Снижение времени пребывания путем уменьшения объемов жаровой трубы позволяет на 40% снизить выбросы N0^ по сравнению с базовым вариантом камеры сгорания.

3. На основе разработанной методики, показано влияние характеристик закрученной струи на эмиссию N0^ .

4. Создана расчетная методика образования оксидов азота в КС ГТД, на основе термического механизма Я.Б. Зельдовича и одномерной модели камеры сгорания.

5. Представленный комплексный подход по снижению токсичных веществ, позволил модернизировать серийную камеру сгорания, существенно улучшив экологические характеристики ГТД.

1. Беляев В.В. Повышение экологической безопасности ГТУ путем организации малоэмиссионного горения в камерах сгорания ГТД. Диссертация. Самара. 2006г.

2. Бортников М.Т. Стабилизация процесса горения в камерах сгорания. Труды ЦИАМ, № 613, 1976, 63с.

3. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 352с.

4. Волков С.А. Исследование модификаций авиационной камеры сгорания для ГТД наземного применения // Вестник СГАУ. Сер. Процессы горения теплообмена и экологии тепловых двигателей. Вып.З. Самара, 2000, с.20-24.

5. Вукалович М.П., Кириллин В.А., Ремизов С.А., Силецкий B.C., Тимофеев В.Н. Термодинамические свойства газов. М.: Машгиз, 1953. 373 .: ил.

6. Горбунов Г.М. Выбор параметров и расчет основных камер сгорания ГТД. М.:МАИ, 1972, 229с

7. Горелочные устройства промышленных печей и топок./А.А. Винтовкин, М.Г. Ладыгичев., В. Л. Гусовский., Т.В. Калинова.-М.: «Интернет Инжиниринг», 1999. 560с.

8. Горение и течение в агрегатах энергоустановок / В.Г. Крюков., В.И. Наумов., A.B. Демин., А.Л. Абдуллин., Т.В. Тринос.- М.: «Янус-К», 1997, 304с.

9. ГОСТ 28775-90 "Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия". Издательство стандартов, М., 1991.

10. ГОСТ 29328-92 "Установки газотурбинные для привода турбогенераторов. Общие технические условия". Издательство стандартов, М., 1991.

11. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев C.B., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. Самара: СНЦ РАН, 2004. -266с

12. Гупта А, Лили Д., Сайдер Н. Закрученные потоки. Перевод с английского. Под ред.С.Ю.Крашенникова.-М.:Мир,1987-588с.

13. Дубовкин Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктам сгорания. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. 288 с: ил.

14. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. "Окисление азота при горении". АН СССР, М. 1947.

15. Зуев B.C. Скубачевский Л.С. Камеры сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Оборонгиз, 1958. 212с.

16. Ивах А.Ф., Гребенюк Г.П., Ишбулатов М.Н., Арефин В.И., Фокин Н.И. Особенности конвертирования форсированной по скорости камеры сгорания при работе на природном газе. Вестник СГАУ №2(2). Самара, 2002, с.21-26

17. Ильяшенко С.М., Талантов A.B. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. 306 с.

18. Иссерлин A.C. Основы сжигания газового топлива: Справочное пособие. Л.: Недра, 1987. 336с.

19. Канило П.М., Подгорный А.Н., Христич В. А. Энергетические и экологические характеристики ГТД при использовании углеводородных топлив и водорода. -Киев: Наук, думка, 1987. 224 с.

20. Кныш Ю.А. Методы снижения токсичности выхлопа воздушно-реактивных двигателей. Куйбышев. 1979. 80с.

21. Кныш Ю.А. О физической модели стабилизации пламени в закрученном потоке. Горение в потоке. Межвузовский сборник, 1982, с.27-31.

22. Конструкция и рабочий процесс камер сгорания авиационныхгазотурбинных двигателей / И.Ф. Кравченко, В.Е. Костюк, Ю.А. Гусев, В.Н. Гусев. Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм, ун-т «ХАИ», 2007. - 89 с.

23. Куценко Ю.Г. Численные методы оценки эмиссионных характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей. Екатеринбург -Пермь: УРО РАН, 2006. 140с.

24. Ланский A.M. Исследование процесса горения природного газа в камерах сгорания авиационного ГТД// Вестник СГАУ. Сер. Процессы горения теплообмена и экологии тепловых двигателей. Вып. 1. Самара, 1998, с.228-240.

25. Ланский А.М, Лукачев С.В, Матвеев С.Г. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД. Самара: СНЦ РАН, 2009. -335с

26. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / Пер. с англ. М: Мир, 1986, 566 с.

27. Маркушин А.Н., Постников A.M., Савченко В.П. Опыт отработки камер сгорания традиционных схем для высокоэффективных ГТУ // Вестник СГАУ. Сер. Процессы горения теплообмена и экологии тепловых двигателей. Вып.1. Самара, 1998, с.257-263

28. Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов A.B. Организация низкоэмиссионного горения в кольцевой камере сгорания ГТД. Изв. вузов. Авиационная техника, № 3, 2009, с. 70-72.

29. Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов A.B. Технические решения по снижению NOx в традиционной камере сгорания ГТД НК-16СТ. Вестник СГАУ им. С.П. Королева. №3(19),Часть 1, 2009, с 291-297.

30. Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бышин В.М., Бакланов A.B. Усовершенствование конструкции камер сгорания традиционных схем в целях улучшения экологических показателей ГТД // Изв. вузов. Авиационная техника, № 1, 2010, с. 41-44.

31. Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2004. 220 с.

32. Мингазов Б.Г., Щукин В.А., Талантов A.B., Дятлов И.Н. О механизме стабилизации пламени в потоке двухфазной топливовоздушной смеси. -ИВУЗ, Авиационная техника, 1978,№3.

33. Мингазов Б.Г., Варфоломеев B.C., Морозов С.И., Щукин В.А. Исследование процесса смешения в затопленной закрученной струе. Горение в потоке. Казань. 1982. с. 23-27.

34. Мингазов Б.Г., Хаблусс А. Роль автотурбулизации в процессе распространения пламени в турбулентном потоке. Изв. Вузов. Авиационная техника. 2006. №4.С 73-74.

35. Михайлов А.И., Горбунов Г.М. и др. Рабочий процесс и расчет камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Оборонгиз, 1959. 285 с.

36. Морозов С.И., Мингазов Б.Г., Варфоломеев B.C. Влияние интенсивности крутки на характер течения закрученной струи.- В кн.: Горение в потоке. Вып.2. Казань, 1978.С. 52-56.

37. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / Под ред. H.A. Чигир. М.: Машиностроение, 1981. 407 с.

38. Померанцев В.В., Арефьев K.M., Ахмедов Д.Б. Основы практической теории горения. Д.: Энергоатомиздат. 1986. 312с.

39. Постников А. М. Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ. Самара. Изд-во Самарского научного центра РАН; 2002. 286с.

40. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей / В.П. Данильченко, C.B. Лукачев, Ю.Л. Ковылов A.M. Постников, Д.Г. Федорченко, Ю.И. Цыбизов. Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 620 е.: ил.

41. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. 392с.

42. Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 525 с.

43. Сигал И.Я. "Защита воздушного бассейна при сжигании топлива". Недра. Л. 1988.

44. СТО ГАЗПРОМ 2-3.5-038-2005 «Инструкция по проведению контрольных измерений вредных выбросов газотурбинных установок на компрессорных станциях»

45. Сторожук Я.П. Камеры сгорания стационарных газотурбинных и паротурбинных установок. Ленинград.: Машиностроение, 1978. 232с.

46. Сударев A.B., Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Интенсификация горения. Л.: Недра, 1990. -274с.

47. Сударев A.B. и др. Экологическая модернизация ГПА и компрессорных станций Рургаза. Вестник СГАУ, Сер. Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Вып.З.Самара, 2000, с.266-278.

48. Талантов А.В. Основы теории горения. Казань: Изд-во Казан, авиац. института, 1975. 252 с.

49. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. T.l/Под редакцией . В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1971. 266с.

50. Урывский А.Ф. Гидравлический расчет вихревых горелок. Горение в потоке. Межвузовский сборник, 1982, с.91-97.

51. Хзмасян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства, М.Энергия, 1976, 488с.

52. Христич В.А., Тумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды. Киев: Техшка,1983. 144с.

53. Цыганов A.M. Влияние вихривых горелок на характеристики камер сгорания газотурбинных двигателей. Вестник СГАУ, №2(13), с 191-195.

54. Янковский В.М., Шалаев Г.И., Сыченков А.В. Основы автоматизированного проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей: КАИ. Казань, 1989. 80с.

55. Alan, S., Michael. "Performance of a Reduced NOx Diffusion Flame Combustor for the MS5002 Gas Turbine", ASME Vol. 122, №2, p. 301-306.

56. Disel & Gas Turbine Worldwide, January-February 1977,Vol. XXIX, no.l.

57. DLE combustion system advanced at Cooper Rolls //Compressor Tech Two, March-April 2000.-p.36.

58. Fulton K. Dry Low emission design based on series vs. parallel fuel staging// Gas Turbine World: January-February 1996. -p.26-28.

59. Maughan, J. R., Luts, A., and Bautista, P. J., 1999, "A Dry Low NOx, Combustor for the MS3002 Regenerative Gas Turbine," ASME Paper 94-QT-252.

60. Odgers. Modeling of combustion chambers in gas turbine engines. AIAA-Pap, 1977 №52, p 10.