автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов



На правах рукописи

Куценко Юрий Геннадьевич

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

05.07.05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 1 ОКТ ?0Ю

Пермь-2010

004611171

Работа выполнена в ОАО «Авиадвигатель»

Официальные оппоненты: д.т.п., профессор Мингазов Б.Г.

д.т.п., профессор Рутовский В.Б.

д.т.н., профессор, Амарантов Г.Н.

Ведущая организация: ОАО «Самарский научно-технический

комплекс им. Н.Д. Кузнецова»

Защита состоится «. ноября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.06 в Пермском государственном техническом университете (614^0, г. Пермь, Комсомольский проспект, 2$, ауд. 423).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан « сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, В.И. Свирщев

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Главной проблемой создания малоэмиссионных (с низким содержанием оксидов азота в выхлопных газах) камер сгорания ГТД является обеспечение их надежной и эффективной работы в составе энергетических установок. Для снижения уровня эмиссии оксида азота камерами сгорания ГТД отечественными и зарубежными разработчиками применяются четыре основные технологии организации малоэмиссионного горения:

1. «Богато-бедное» горение;

2. Сжигание «бедной» гомогенной топливо-воздушной смеси;

3. «Мокрые» методы снижения МОх - подача в камеру сгорания топлива или окислителя, смешанного с водяным паром ;

4. Сжигание низкокалорийного топлива - синтез-газа, полученного путем каталитического разложения природного газа.

Само по себе достижение низкого уровня эмиссии оксидов азота может быть получено «обеднением» топливовоздушной смеси или снижением температуры пламени. Но необходимость одновременного выполнения эксплуатационных и энергетических требований существенно усложняет эту задачу, так как любая технология снижения эмиссии оксидов азота сопровождается снижением надежности системы в целом. Например, к числу важнейших недопустимых явлений, сопровождающих процессы в малоэмиссионных камерах сгорания с «бедным» фронтом (генеральное направление в мире) и являющихся их постоянными «спутниками», относятся низкая полнота сгорания, термоакустические пульсации, «бедный» срыв пламени и проскок пламени в зону подготовки топливовоздушной смеси. Чтобы спроектировать современную малоэмиссионную камеру сгорания, необходимо пройти по узкой грани между выполнением требований по уровню эмиссии оксидов азота и запасами по отношению к вышеперечисленным явлениям, то есть знать или оценивать величину диапазона по составу смеси. Следовательно, при проведении расчетно-экспериментальных работ по проектированию малоэмиссионной камеры сгорания возникает потребность в оценке следующих ее важнейших характеристик:

1. Уровня эмиссии загрязняющих веществ: 1ЧОх, СО;

2. Полноты сгорания топлива;

3. Пределов стабилизации пламени в гомогенной и диффузионной зонах горения.

Для улучшения качества проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей необходима разработка методологии проектирования на основе математических моделей физико-химических процессов. При создании методологии проектирования в первую очередь необходимо:

1. Уточнить существующие математические модели для расчета уровня эмиссии оксида азота;

2. Разработать математическую модель для расчета уровня эмиссии оксида углерода;

3. Разработать математическую модель для оценки пределов стабилизации фронта пламени.

Успешное решение этих проблем позволит перейти к нахождению параметрического компромисса, то есть собственно и определить основные проектные параметры надежно работающей малоэмиссионной камеры сгорания в зависимости от конкретных условий, в том числе с учетом геометрических (конструктивных) ограничений. Или, иначе, разработать методологию проектирования реальных малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей.

Однако, на пути к решению поставленной задачи необходимо не только выбрать (то есть идентифицировать с экспериментом) модели турбулентности и кинетических механизмов окисления углеводородного топлива из уже имеющегося набора, но и, что значительно сложнее, разработать способ пространственной идентификации типов пламени (гомогенное и диффузионное) в трехмерном реагирующем пространстве сильно закрученного потока, обладающего свойствами нелинейности, если говорить о его математическом описании. Необходимость этой идентификации обусловлена тем обстоятельством, что в настоящее время отсутсвуют математические модели смешанного фронта пламени (диффузионного и гомогенного). А реальный фронт пламени в современной камере сгорания, как правило, смешанный.

Как уже отмечалось, невозможно спроектировать малоэмиссионную камеру сгорания без оценок запасов по стабилизации фронта пламени и концентрации оксида углерода. Если в оценке оксидов азота с помощью математических моделей в мире наработан большой опыт, то в части моделирования бедного срыва и, соответственно, розжига камер сгорания ситуация значительно хуже. Доступные в настоящее время математические модели горения не могут предоставить возможность для выполнения комплексного расчета основных характеристик проектируемой камеры сгорания.

Таким образом, создание методологии проектирования на основе математических моделей физико-химических процессов и ее применение для выбора технологий малоэмиссионного горения являются актуальными задачами, имеющими важное научное и практическое значение. Цель работы состоит в создании методологии проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов и ее применении для анализа и выбора технологий малоэмиссионного горения. Задачи исследования:

1. Создание методологии проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов;

2. Настройка математической модели для расчета уровня эмиссии оксида азота;

3. Разработка математической модели для расчета уровня эмиссии оксида углерода;

4. Разработка математической модели для описания процесса дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени;

5. Проведение моделирования физико-химических процессов в камере сгорания и оценка их влияния на уровень эмиссии оксида азота;

6. Проведение сравнительного анализа конструктивных схем камер сгорания ГТД, в которых реализованы технологии малоэмиссионного сжигания топлива с использованием разработанной методологии.

На защиту выносятся:

1. Разработанная методология математического моделирования физико-химических процессов в камере сгорания ГТД для оценки уровня эмиссии оксида азота, оксида углерода и пределов стабилизации фронта пламени;

2. Результаты численного исследования взаимного влияния физико-химических процессов в камере сгорания и оценка их влияния на расчетный уровень эмиссии оксида азота;

3. Разработанные «гибридные» модели турбулентного горения, позволяющие оценить уровень эмиссии оксида углерода, оксида азота;

4. Разработанные «комбинированные» модели турбулентного горения, описывающие структуру фронта пламени и позволяющие смоделировать процесс дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени, оценить уровни эмиссии оксидов углерода и азота, полноту сгорания топливовоздушной смеси.

5. Результаты применения методологии проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов для сравнительного анализа конструктивных схем камер сгорания ГТД, в которых реализована технология малоэмиссионного горения.

Научная новизна:

1. Уточнена математическая модель генерации оксидов азота при диффузионном горении углеводородного топлива с учетом радиационного излучения пламени, являющегося существенным фактором при оценке эмиссии.

2. Впервые разработана математическая модель описания генерации оксидов азота для смешанных (диффузионного и гомогенного) фронтов пламени в камере сгорания.

3. Создана «гибридная» математическая модель горения РЬМ-ЕБС для расчета уровня эмиссии оксида углерода при сгорании углеводородного топлива.

4. Впервые разработана «комбинированная» математическая модель «бедного» срыва фронта пламени и розжига камеры сгорания в нестационарной постановке. На ее основе сформирована математическая модель для расчета полноты сгорания топлива, являющейся одним из основных проектных параметров камеры сгорания. Достоверность:

1. Разработанные и уточненные математические модели физических процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей идентифицированы по экспериментальным данным модельных и натурных экспериментов камер сгорания различных типов в части интегральных оценок эмиссии и границы срыва пламени.

2. Применяемые в расчетах математические модели турбулентности для описания сильно закрученных трехмерных течений в камерах сгорания идентифицированы по имеющимся экспериментальным данным распределений компонент скорости (дифференциальная оценка).

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанная методология позволяет учесть при проектировании камер сгорания процессы, происходящие при горении топлива, оценить эмиссионные характеристики, пределы стабилизации фронта пламени и совершенствовать конструкцию камер сгорания еще на ранних стадиях проектирования;

2. Результаты проведенного в работе сравнительного анализа технологий малоэмиссиионного сжигания топлива использованы для выработки практических рекомендаций по выбору конструктивных схем камер сгорания.

3. Созданы программы, применяющиеся для:

3.1.расчета уровня эмиссии оксида углерода на основе предложенной двухзонной модели турбулентного горения;

3.2.расчета скорости распространения фронта пламени;

3.3.расчета радиационных свойств среды;

3.4.моделирования процесса сажеобразования;

3.5. расчета концентраций компонентов топливо-воздушной смеси в зависимости от восстановленной массовой доли топлива и характеристик турбулентности.

Внедрение результатов. Разработанная методология проектирования камер сгорания ГТД на основе математических моделей физико-химических процессов и созданный комплекс программ применяются в ОАО «Авиадвигатель» для выбора и совершенствования конструкций малоэмиссионных камер сгорания.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 32 печатных работах, из них: 1 монография; 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 8 статей в зарубежных журналах и трудах зарубежных конференций,. Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на: IV всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения,

теплообмена и экология тепловых двигателей» (СГАУ, г. Самара, 9-10 октября 2002 г.); V всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (СГАУ, г. Самара, 5-7 октября 2004 г.); 49-й научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (г. Москва, 10-12 сентября 2002 г); 50-й научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (г. Санкт-Петербург, 17-18 июня 2003 г); 49-й международной конференции ASME Turbo Expo 2004 (Австрия, г.Вена, 14-16 июня 2004 г); I научно-техническом семинаре по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ (ЦИАМ, г. Москва, 14-16 декабря 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей» (КГТУ, г. Казань, 23-27 мая 2005 г); II международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (г. Москва, ЦИАМ 6-9 декабря 2005 г); 51-й международной конференции ASME Turbo Expo 2006 (Испания, г. Барселона, 7-11 мая 2006 г); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, СГАУ, 21-23 июня 2006 г.); VI всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (СГАУ, г. Самара, 10-11 октября 2007 г.); 53-й международной конференции ASME Turbo Expo 2008 (Германия, г. Берлин, 913 июня 2008 г).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована концепция и основные положения диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору технологий малоэмиссионного горения, применяемых для снижения уровня выбросов оксида азота газотурбинными двигателями. Приводятся международные нормы выбросов вредных веществ для гражданской авиации, установленные Международной Организацией Гражданской Авиации (1САО) и действующие с 2004 года. Также приводятся нормы выбросов загрязняющих атмосферу веществ для наземных газотурбинных установок (ГТУ), которые определяются заказчиком и различаются для ГТУ, применяемых в энергетике и для перекачки газа. Нормируются выбросы следующих веществ: NOx (NO, N02 ), угарного газа СО и несгоревших углеводородов UHC.

Рассмотрены основные факторы, влияющие на образование оксида азота в камерах сгорания и методы снижения уровня эмиссии. Отмечается, что скорость образования NO изменяется экспоненциально с изменением температуры пламени, поэтому ключевой момент в уменьшении концентрации NOx - уменьшение температуры пламени. Физико-химические процессы, приводящие к образованию NOx обуславливают следующие практические методы для снижения выбросов NOx в камерах сгорания ГТД: создание «бедной» первичной зоны; создание «богатой» первичной зоны; гомогенизация горения; уменьшенное время пребывания.

Применение этих методов на практике приводит к следующим технологиям снижения уровня эмиссии N0*:

1. сжигание обедненных предварительно перемешанных топливовоздушных смесей (схема сжигания LPP -Lean Premixed Prevaporized)\

2. сжигание по схеме «богатое горение - разбавление - бедное горение» (схема сжигания RQL — Rich /Quench/ Lean)',

3. впрыск в камеру сгорания воды или пара;

4. применение каталитических нейтрализаторов для очистки выхлопных газов;

5. каталитическое горение.

Вторая глава посвящена математическим моделям, применяемым для моделирования физико-химических процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Отмечается, что процессы, происходящие в камерах сгорания, не протекают отдельно, а взаимодействуют друг с другом. Поэтому для проведения расчетов, достаточно точно описывающих физику явлений, происходящих в камерах сгорания ГТД, необходимо моделировать все упомянутые выше процессы и взаимодействие между ними. Для полного описания физико-химических процессов, происходящих в камере сгорания, ГТД должны быть использованы следующие математические модели:

1. Модель турбулентного течения смеси газов.

2. Модель распространения и испарения капель топлива.

3. Модель турбулентного горения газообразного топлива.

4. Модель образования N0X.

5. Модель радиационного теплообмена в излучающей среде.

6. Модель радиационного теплообмена между поверхностями (в отсутствии излучающей среды).

7. Модель для расчета конвективных тепловых потоков.

8. Модель процесса теплопроводности.

9. Модель процесса сажеобразования.

Разработка и настройка перечисленных выше моделей является очень большой по объему работой, сопряженной с определенными трудностями теоретического и экспериментального характера.

Далее в разделе 2.3 рассматриваются математические модели, применяемые для моделирования турбулентного течения газа камерах сгорания:

1. Уравнения Навье-Стокса;

2. Модели турбулентности, необходимые для замыкания системы уравнений Навье-Стокса при осреднении ее по Фавру, основанные на гипотезе о турбулентной вязкости Буссинеска: k-e , к-Е RNG, к-Е ASM, к-со, к-со SST. Также была использована модель рейнольдсовых напряжений k-e RSM, не использующая гипотезу о турбулентной вязкости.

3. Для моделирования теплового состояния стенки жаровой трубы камеры сгорания решается задача совместного теплообмена путем решения уравнений энергии для реагирующего газа и теплопроводности для стенки (раздел 2.4).

Движение капель топлива в потоке газа описывается с использованием лагранжевой модели, описание которой дано в разделе 2.5.

Моделирование процесса окисления топлива (раздел 2.6) проводилось с использованием детальных кинетических механизмов для метана и керосина. Для моделирования процесса окисления метана использовались 3 механизма:

1. Механизм КЕЕ для окисления метана. 18 компонентов смеси и 58 обратимых реакций;

2. Механизм БМООКЕ, включающий в себя 16 компонентов смеси и 46 реакций;

3. вШ-МЕСН 3.0 - 53 компонента смеси и 325 химических реакций.

Для описания процесса горения авиационного керосина использовалась модель суррогатного топлива. Суррогатное топливо состоит из одного или нескольких компонентов, представляющих керосин. В качестве «молекулы» керосина в данной работе применялся С^Нгз- Кинетический механизм для С12Н23 включает в себя две стадии распада топлива и делает акцент на более стабильные промежуточные компоненты второй стадии, в которой реагируют более простые углеводороды:

СгНп + 6>2 -> 5С2//4 + С2//3 + Ог, СпНп+ОН -^6С2Н4+0, С2Н, + Н ->С2Я3 + Я2. На третьей стадии доминируют реакции рекомбинации и превращения СО в С02- Кинетический механизм состоит из 26 реакций и 18 компонентов смеси, участвующих в этих реакциях.

В качестве альтернативного подхода, для описания горения керосина использовались следующие механизмы окисления п-гептана:

1. Механизм окисления п-гептана, состоящий из 20 компонентов и 42 обратимых реакций;

2. Детальный механизм окисления «-гептана: 41 компонент и 175 обратимых реакций.

Выбор п-гептана в качестве углеводорода заменяющего авиационный керосин оправдывается тем, что хотя он и является более легким (молекулярный вес С7Н16 равен 100,198 против 167,315 у «молекулы» керосина), стехиометрический коэффициент и-гептана равный 15,4 близок к керосину - 14,8.

Основными критериями выбора механизмов для расчета камер сгорания в данной работе являлись:

1. Корректное предсказание тепловыделения вследствие горения или средней температуры на выходе из камеры сгорания;

2. Корректное предсказание концентрации свободного кислорода в зоне горения, участвующего в реакции образования оксида азота.

Моделирование процесса сажеобразования, проводилось для учета радиационных свойств при сжигании углеводородного топлива. Механизм образования прекурсоров сажи состоит из серии элементарных реакций,

приводящих к образованию из ацетилена и водорода ароматического кольца А,:

Д. + Н Д* + Нг, Д* + С2Я2 -> Д'СгН1, А'СгН2 + Н Д'С2Н + Нг, А^СгН + С2Я2 ДЧ1.

Механизм образования прекурсоров сажи ограничивается описанием образования А4. Образование сажи происходит через процесс «графитизации»: А„ *4l6C(S) + 5H2

В разделе 2.7 дано описание математических моделей, применяемых для моделирования турбулентного горения. Для описания процесса турбулентного горения применялись модели тонкого фронта пламени для диффузионного горения (Flamelet) и горения частично перемешанной смеси (Flamefront или Flamelet-BVM). В общем виде система уравнений модели тонкого фронта пламени имеет вид:

+ V{pvZ) - V(pDVZ) = 0, (1)

от

+ (2) at i>c

x = c±z'\ (3)

£

~ + VCVG = 5T |VG|, (4)

где 2- массовая доля восстановленного топлива - параметр, характеризующий термохимическое состояние смеси, % - скорость ее диссипации, Z"2- вариация 2. Уравнение (4) используется в модели горения частично перемешанной смеси. Скаляр G определяет местоположение фронта пламени.

Для расчета скорости распространения фронта турбулентного пламени в частично перемешанной (с зонами диффузионного и гомогенного горения) топливовоздушной смеси применялись следующие зависимости S, = sr(s, ,v'): Талантова, Петерса, Зимонта, Гюлдера, Лю-Циглера-Ленце. Скорость распространения фронта ламинарного пламени S, определялась численным путем.

Также в разделе 2.7 дано описание других моделей, применяемых для моделирования процесса турбулентного горения: модели Зимонта, разновидности класса моделей Flamelet-BVM, модели распада турбулентного вихря (Eddy Dissipation Model) и ее развития - модели Eddy Dissipation Concept. В разделе 2.8 приведено описание моделей радиационного теплообмена, применяемых в данной работе - диффузионной и метода дискретных ординат. Радиационные свойства среды рассчитываются с использованием экспоненциальной модели широкой полосы.

Вопросы, касающиеся моделирования процесса образования оксида азота рассматриваются в разделе 2.9. Механизм Зельдовича - основной источник оксида азота при протекании процесса горения с температурой выше 1800 К. N0 формируется вследствие комбинации атомов О и N, которые образуются при высоких температурах. Основными реакциями, приводящими к

образованию «термических» N0 из атмосферного азота являются цепные неразветвленные реакции:

1. 0 + Ы2<*Ы + Ы0

2. ЛГ + 02 оО + М?

В условиях близких стехиометрическим и в умеренно богатых топливно-воздушных смесях определенный вклад в образование N0 вносит реакция:

3. Ы+ОН <г>Н + ИО

Рассматриваются методы расчета концентрации О и ОН с использованием допущений о равновесности или частичном равновесии реакций их образования. Дан обзор механизма образования «быстрых» N0, которые формируются в значительном количестве при низких температурах в богатой топливо-воздушной смеси посредством реакций: СН + Ы2 о НСЫ + Ы', N +02<^ N0 + 0', НСЫ + ОН СЫ + Н20

СМ + 02<г*Ы0 + С0\ СП2 + Ы2 о ПСЫ + N11

Рассмотрен механизм «дожигания» N0 - реакции, посредством которых N0 реагирует с углеводородами:

СН + ЫО^> НСЫ + О-, СНг + №^>НСЫ + ОН\ СЯ,+М)->ЯСЛГ + Н20.

Основными реакциями, определяющими концентрацию диоксида азота N02, являются:

N0 + Н02 Ы02 + ОН ; + N0 + 02,

скорость которых относительно высока при низких температурах. Очевидно, что N02 является вторичным компонентом, зависящим от концентрации N0.

Для расчета пространственного распределения концентрации оксида азота в камере сгорания и учета турбулентных пульсаций температуры используется система уравнений переноса для скаляра N0 и вариации температуры. Для определения осредненной скорости реакции образования N0 применяется осреднение мгновенной скорости реакции с использованием Р-функции плотности распределения вероятности.

В третьей главе приведены результаты верификации математических моделей физико-химических процессов, протекающих в камере сгорания ГТД.

В разделе 3.1 описываются результаты моделирования структуры потока в горелочном модуле с использованием моделей турбулентности к-е, к-е ЯИС, к-а>, к-со В8Ь, к-а> алгебраической модель рейнольдсовых напряжений основанная на к- со ВБЬ модели (АБМ модель). Получено, что наилучшее совпадение с данными эксперимента по уровню максимальной осевой скорости, углу раскрытия потока и продольному размеру возвратной зоны (основные критерии сильнозакрученных потоков) дает АБМ модель, к-е /?М7 модель турбулентности предсказывает несколько меньший угол раскрытия потока, но также хорошо соответствует эксперименту по уровню максимальной осевой скорости и продольному размеру возвратной зоны.

В разделе 3.2 описываются результаты моделирования структуры потока турбулентного газа в камере сгорания. Для проведения расчетов был выбран сектор камеры сгорания авиационного двигателя в 30°. Расчетная область включала в себя диффузор, завихритель, жаровую трубу, внутренние и внешние кольцевые каналы, газосборник (рис. 1) Размер расчетной сетки составил 2,5 млн. узлов. Газодинамические расчеты были проведены на 5 режимах, соответствующих условиям испытаний полноразмерной камеры сгорания (ПКС). При проведении расчетов выдерживалось значение приведенной скорости А на входе в камеру сгорания в соответствии с данными эксперимента. Расчет дает значение потерь полного давления в камере сгорания близкое к данными эксперимента - превышение составляет от 13% при Лрас,,=0,3489 до 15% при Лрасч=0,2307 от общего уровня потерь полного давления. Получено хорошее соответствие с данными эксперимента по структуре потока внутри камеры сгорания - осевой составляющей скорости на выходе из диффузора и внутри жаровой трубы.

В разделе 3.3 приведены результаты расчетов камеры сгорания с учетом процесса турбулентного горения. Отмечается, что при горении топлива структура потока характеризуется более высокими скоростями и перестройкой первичной зоны. Зона обратных токов становится более компактной, в отличие от «холодного» расчета. Уменьшение зоны обратных токов вызвано повышением перепада давления на стенке жаровой трубы, что приводит к увеличению скорости струй, исходящих из основных отверстий жаровой трубы. Суммарные потери полного давления возрастают на 0,726% по сравнению с «холодным» расчетом. Несмотря на различия в структуре потока внутри жаровой трубы в «холодном» и «горячем» вариантах расчета существенного перераспределения расходов воздуха через завихритель, основные отверстия и систему охлаждения не наблюдается. Полученное максимальное значения коэффициента температурной неравномерности на выходе из газосборника 0Ю„=1,361 хорошо согласуются с экспериментальным значением 1,318. Определяющим фактором, влияющим на профиль температуры на выходе из камеры сгорания, является организация процесса смешения горячего и холодного воздуха в зоне основных отверстий второго ряда жаровой трубы камеры.

В главе 4 описывается методология моделирования физико-химических процессов в камере сгорания для расчета уровня эмиссии оксида азота.

В разделах 4.1, 4.2 приводится описание методологии моделирования физико-химических процессов в камере сгорания для расчета уровня эмиссии оксида азота. Рассматривается проблема выбора математических моделей. Методология расчета состоит из 2 основных шагов: препроцессирования и непосредственно расчета в газодинамическом пакете. Общая схема методологии проведения расчетов представлена на рис. 2.

Необходимым фактором для проведения расчетов является наличие детального кинетического механизма для процедуры препроцессирования. Кинетический механизм должен достаточно точно описывать процесс

окисления топлива для получения корректных уровней температуры и концентрации атомарного кислорода, необходимых для моделирования процесса образования оксида азота. При моделировании процесса горения керосина механизм должен быть дополнен реакциями образования сажи. Расчет концентрации сажи необходим для определения радиационных свойств среды.

На этапе препроцессирования используются дополнительные программы, специально разработанные для:

1. Решения задачи о распространении фронта пламени и нахождения зависимости скорости распространения фронта пламени в ламинарном потоке от массовой доли восстановленного топлива £¿=£¿(2) при определенных значениях начальной температуры смеси и давления -«флеймфронт» библиотеки.

2. Генерации «флеймлет»-библиотеки с учетом радиационного теплообмена и получении таблиц зависимостей массовых долей компонентов смеси от массовой доли восстановленного топлива и параметров турбулентности: У, =у{2,2"\х)-

3. Моделирования процесса сажеобразования и получения зависимостей объемной доли сажи от массовой доли восстановленного топлива: су.,оо, = при определенном значении давления.

4. Расчет коэффициента поглощения среды с учетом давления, термохимического состава смеси и представление его в виде зависимости: Кс = Ка(2).

Данные, полученные на этапе препроцессирования, используются на

этапе расчета пакетом программ СРХ-ТАБСАоуу посредством:

1. Файлов с «флеймлет» и «флеймфронт» библиотеками;

2. Модифицированных подпрограмм для расчета радиационных свойств среды.

На втором этапе проводится расчет в пакете СРХ-ТАБСАош с использованием математических моделей физико-химических процессов.

Рекомендации по использованию математических моделей выработаны путем сравнения результатов расчетов с экспериментом. В итоге после прохождения всех этапов данной методики может быть получена информация о поле течения, температуре, зонах образования и уровне эмиссии оксида азота для рассматриваемой камеры сгорания.

В разделе 4.3 приводится описание этапа расчета в пакете CFX-TASCflow. Для тестирования математических моделей в рамках рассматриваемой методики использовались модели камер сгорания авиационных двигателей (№№ 1, 2) и камеры сгорания двигателя ГТУ (№ 3) Даны граничные условия и результаты расчетов уровня эмиссии оксида азота. Уровень эмиссии N0 достаточно точно определен для камеры сгорания № 1 и для режимов работы

камеры сгорания № 2, характеризующихся высокими значениями давления на входе - больше или равным 17 атм. и коэффициентом избытка воздуха а=3. Разница между расчетными и экспериментальными данными не превышает 10%. Однако, с уменьшением давления и увеличением коэффициента избытка воздуха а расчетов снижается.

В разделе 4.3.2 проведен анализ вклада механизмов образования оксида азота в общий уровень эмиссии. Проведена оценка влияния выбора модели турбулентности на скорость образования N0.

«Быстрые» N0 образуются в первичной зоне камеры сгорания посредством реакций N2 с углеводородными радикалами. При анализе результатов расчетов было выявлено, что доля «быстрых» N0, образующихся в камерах сгорания ГТД незначительна и составляет от 0,1 до 0,2 %. Также невелико влияние на общий уровень выбросов оксида азота механизма «дожигания» - изменение в концентрации N0 не превышает 0,2%

Образование «термических» N0 происходит вблизи поверхности стехиометрии - в зоне высоких температур при наличии достаточного количества атомарного кислорода. Вклад реакции 3 механизма Зельдовича -образования оксида азота с участием радикала ОН невелик и составляет от 0,59 до 3,17% от общего выхода N0 в зависимости от режима работы камеры сгорания № 3.

Представлены результаты расчетов уровня эмиссии N0 при использовании допущений о химическом равновесии атомарного кислорода, частичном равновесии реакции диссоциации-рекомбинации О2 и с использованием концентрации, рассчитанной по Flamelet модели. Наиболее хорошее совпадение с экспериментальными данными наблюдается при использовании в расчете значения концентрации атомарного кислорода, полученной в рамках Flamelet модели горения - от 93,3% до 99,0% (эксперимент -100%). Расчет уровня эмиссии NO с использованием равновесной концентрации О и допущения о частичном равновесии реакции диссоциации-рекомбинации Ог дает превышение экспериментального уровня в 2-4 раза (рис. 3). Расчет без осреднения скорости реакции по температуре с использованием /^-функции плотности распределения вероятности приводит к получению почти в 2 раза заниженных концентраций оксида азота на выходе из камеры сгорания.

Уровень эмиссии N0 камеры сгорания № 2 при горении бедных смесей (коэффициент избытка воздуха камеры сгорания а=6,07) на низких давлениях р'к= 490480 Па наиболее хорошо предсказывается с использованием к-е RSM модели турбулентности. На этом режиме важно правильно предсказать турбулентные пульсации, вызванные нестабильностью горения бедной TBC.

На рис. 4 и 5 представлено сравнение данных эксперимента с результатами расчетов, проведенных для камер сгорания № 3 и № 1 с использованием к-е RNG, к-е RSM и к-со SST моделей турбулентности. На «высоких» режимах наблюдается хорошее совпадение - отличие не превышает 8% для всех моделей турбулентности. В случае камеры сгорания № 1 наилучшее совпадение дает к-е

RNG модель турбулентности - погрешность не превышает 9% для всех режимов работы двигателя.

В разделе 4.3.3 дано обоснование выбора модели тонкого пламени (Flamelet или Flamefront) для описания процесса горения в камере сгорания. Причины выбора этой модели обусловлены тем, что вследствие учета детальной кинетики реакций достаточно точно предсказываются:

1. уровень температуры в околостехиометрической зоне горения;

2. концентрации радикалов О, ОН, образующихся на ранних стадиях

процесса горения.

Ограничения Flamelet модели горения не позволяют смоделировать процесс горения заранее перемешанной смеси, поэтому для этих целей следует применять Flamefront модель горения. Она может быть использована для описания горения полностью и частично перемешанной TBC. Flamefront модель была применена для моделирования диффузионного горения (в камере сгорания № 3), а также смешанного - диффузионного и гомогенного режима горения в двухзонной камере сгорания.

Получено, что при моделировании диффузионного процесса горения с использованием Flamefront модели и зависимостей Sr = sr(s,,v) наблюдается дестабилизация фронта пламени в первичной зоне камеры сгорания № 3 на «низком» режиме: Я,'=7,81 атм., Г,* =553 К, а=4,96 и в зоне разбавления на «высоком»: /^=19,43 атм., 7^=720 К, а=2,51. Это приводит к пониженному расчетному уровню N0 на высоких режимах и заниженному значению температуры на выходе из камеры сгорания на низких режимах. Очевидно, данные несоответствия связаны с ограничениями Flamefront модели. Внутри первичной зоны и зоны разбавления скорость распространения фронта ламинарного пламени близка к нулю. Внутри этих зон механизм стабилизации пламени не может быть смоделирован с использованием Flamefront модели и зависимостей. Результаты расчетов показали, что Flamefront модель с использованием формулы Лю-Циглера-Ленце может быть применена для расчета уровня эмиссии N0 двухзонной камеры сгорания (точность от 1% до 25% в зависимости от а первичной зоны.

В разделе 4.3.4 приведена оценка влияния модели радиационного теплообмена на предсказание уровня эмиссии оксида азота. Отсутствие учета радиационного теплообмена приводит к превышению экспериментальных данных для режима испытаний камеры сгорания № 3 с Рк=20 атм. почти на 75% (рис. 6). Для моделирования радиационного теплообмена предпочтительней использовать метод дискретных ординат. Процесс радиационного теплообмена влияет на эмиссию N0 путем уменьшения температуры стехиометрических зон и изменения состава продуктов сгорания из-за оттока тепла из зоны горения. Причем изменение состава продуктов сгорания оказывает наибольшее влияние на уровень эмиссии оксида азота. Также заметное влияние на уровень эмиссии N0 при использовании в качестве

топлива керосина оказывает излучение сажи, образующейся в богатой первичной зоне. Вследствие излучения и поглощения сажи происходит перераспределение радиационных тепловых потоков и понижение температуры околостехиометрических зон камеры сгорания. Так, при расчете камеры сгорания № 1, отсутствие учета теплообмена при наличии сажи приводит к получению уровня эмиссии N0, завышенному в 2 раза по сравнению с экспериментом.

В разделе 4.3.5 рассматривается проблема выбора кинетических механизмов для предсказания уровня эмиссии оксида азота. Для моделирования процесса окисления метана в данной работе использовались следующие кинетические механизмы:

1. Механизм К ЕЕ'. 18 компонентов и 58 реакций;

2. Механизм SMOOKE: 16 компонентов и 46 реакций;

3. GRI-MECH 3.0: 53 компонента и 325 реакций.

Наилучшее совпадение с экспериментальными данными получено при использовании кинетического механизма КЕЕ с учетом радиации (рис. 7). Механизмы SMOOKE и GR1-MECH показывают примерно одинаковые результаты. Разница между расчетными и экспериментальными данными для этих механизмов достигает 30% для режима с 20 атм. Снижение количества образующегося оксида азота происходит за счет уменьшения концентрации свободного кислорода, а также небольшого изменения температуры околостехиометрических зон.

На рис. 8 показаны результаты расчетов камеры сгорания № 1, полученные при использовании кинетических механизмов окисления n-гептана и условной «молекулы» керосина:

1. С7Н16 «малый» - механизм окисления п-гептана; 20 компонентов и 42 реакции;

2. С7Н16 «детальный» - детальный механизм окисления п-гептана; 41 компонент и 175 реакций.

3. С12Н23 - механизм окисления «молекулы керосина»; 18 компонентов и 26 реакций.

Наилучшее совпадение результатов расчета с данными эксперимента получено при использовании кинетического механизма С7Н16 «детальный» с учетом процесса радиационного теплообмена. Несоответствие между данными расчета и эксперимента не превышает 10%.

- ^

Рис. 1 - Модель сектора камеры сгорания № 1.

.: ПРЕПРОЦЕССИРОВАНИЕ

расчет в cfx.tascfi.ow

Программа-генератор ЗЗатеЕгоМ библиотек

Файл с

ПатеГгог^

библиотекой

Программа-генератор р]ате1е{ библиотек

Программа для моделирования процесса сажеобразования

Файл с Р1ате1е1 1 Ч библиотекой

1 ур-т

Модиф ицированная процедура расчета

Модиф нцнроваяная процедура расчета

Программа расчета ; ___ч^п__с«. -

радиационных свойств | к^ффициеяга

СРСДВ ! поглощения К,=К,(2)

Рис. 2 - Общая схема методологии проведения расчетов.

450.0

* 400.0 О

к 350.0 з

5. зоо.о -£

250.0

" 200.0 Я

5 150.0

5

5 100.0

о

? 50.0 о

0.0

408.7

359.7

186.2

99.0

I

В8

режим 1

режим 3

режим 5

□ расчет по Р!ате1е1 модели Правновесная концентрация О О частичное равновесие ]

Рис. 3 - Уровень эмиссии N0 в процентах от экспериментальных данных.

Рк, атм

Рис. 4 - Сравнение предсказанного уровня эмиссии N0 при использовании различных моделей турбулентности с экспериментально замеренным для камеры сгорания № 3.

800

о. 700 а.

Q 600

f 500 с;

о 400

§ 300

g 100 о

Рис. 5 - Сравнение предсказанного уровня эмиссии N0, при использовании различных моделей турбулентности, с экспериментально замеренным для камеры сгорания № 1.

4.5 17.0 31.0

Рк, атм

15 Рк, атм

■ эксперимент

О без рад.теплообмена

Щ диффузионная модель

Ш метод дискретных ординат_

Рис. 6 - Предсказанные и замеренные экспериментально уровни эмиссии N0 для камеры

сгорания № 3.

а 2оо о"

Z

к 150

Ч

й ТОО

□ QRI-MECH

QGRI-MECH +рад. L

теплообмен □SMOOKE

□SMOOKE + рад, теплообмен^

гьодни

15 Рк, атм

20

Рис. 7 - Изменение уровня эмиссии оксида азота в зависимости от применяемого кинетического механизма окисления метана.

е

§•2000

0

1 1500 с;

о

4

5 1000

□ С7Н16 "детальный" ' 0С7Н16 "детальный" + рад. теплообмен

□ С7Н16 "малый" I— - -

□ С7Н16 "малый" + рад. теплообмен 0С12Н23

□ эксперимент

гъГи

5.00

30.00

Рк, атм

Рис. 8 - Изменение уровня эмиссии оксида азота в зависимости от применяемого кинетического механизма окисления керосина.

В главе 5 представлены разработанные автором два класса моделей турбулентного горения - «гибридные» и «комбинированные». Дано их сравнение со «стандартными» - разработанными ранее и широко применяющимися моделями горения. В разделе 5.1 дана классификация моделей турбулентного горения и приведены их характеристики:

1. «Стандартные» модели: Flamelet (FLM) - модель тонкого фронта пламени для диффузионного горения; Flamelet-BVM (FLM-BVM) - flamelet модель с дополнительным уравнением для учета расположения фронта пламени при гомогенном режиме горения; EDM-FRC - модель распада турбулентного вихря с учетом скоростей химических реакций; EDC - усовершенствованная модель распада турбулентного вихря.

2. «Гибридные» модели: Flamelet-BVM-EDC (FLM-EDC) - двухзонная модель, разработанная для оценки уровня эмиссии СО; Flamelet-EDM (FLM-EDM) -гибрид EDM, применяемой для оценки расположения фронта пламени, и расчета уровня эмиссии NO или сажи во фронте с помощью соотношений Flamelet модели; Flamelet-Transpot Equations (FLM-TE) - для оценки

расположения фронта пламени и источниковых членов с помощью уравнений Flamelet модели и расчета распределения концентраций с использованием уравнений переноса.

3. «Комбинированные» модели: комбинированная модель (СМ) - модификация модели Flamelet-BVM с измененными соотношениями для скорости распространения фронта пламени для моделирования бедного срыва; двухфронтовая модель с незамкнутой системой уравнений переноса (TFM-US) - модификация СМ с раздельным моделированием процесса образования продуктов сгорания в диффузионном и гомогенном фронтах пламени; двухфронтовая модель с замкнутой системой уравнений переноса (TFM-CS) - модификация СМ модели для более точного расчета состава продуктов сгорания и полноты сгорания топлива.

В таблице 1 приведена информация о возможностях трех классов моделей горения: DC - диффузионное горение; НС - гомогенное горение; DHC -смешанный режим гомогенного и диффузионного горения; DBO - бедный срыв диффузионного фронта пламени ; НВО - бедный срыв гомогенного фронта пламени; N0 - количественная оценка уровня эмиссии NO; CO-QL -качественная оценка уровня эмиссии СО; CO-QN - количественная оценка уровня эмиссии СО; CT - оценка полноты сгорания по температуре продуктов сгорания.

Таблица 1 - Возможности моделей горения.

Функция стандартные гибридные комбинированные

FLM FLM-BVM EDM-FRC EDC FLM-EDC FLM-EDM FLM-TE CM TFM-US TFM-CS

DC + - + + + + + + + +

НС - + + + + - - + + +

DHC - - + + + - - + + -

DBO - - - - - - - + - +

НВО - - - - - - - + + +

N0 + - - - - + + + + +

CO-QL - - - - - - + - + +

CO-QN - - - - + - - - - -

CT - - - - - - - + + +

В разделе 5.2 приведено описание разработанных «гибридных» моделей горения. Суть двухзонной модели горения Р1ате1ег-ВУМ-ЕОС (раздел 5.2.1) состоит в разделении расчетной области на 2 зоны:

1. околостехиометрическую - зону, в которой существует фронт пламени. В ней решаются уравнения модели тонкого фронта пламени (1)-(4);

2. постпламенную, в которой не происходит активного тепловыделения, а имеет место доокисление продуктов сгорания. В ней решаются уравнения переноса для каждого компонента смеси, источниковый член рассчитывается с использованием ЕОС модели горения.

Теоретическим критерием разделения на зоны является число Карловитца. Для типичной «диффузионной» камеры сгорания ГТД распределенные зоны реакции находятся в газосборнике и в центре первичной зоны, где 0, следовательно Ка —> °°. С использованием двухзонной модели проведены расчеты камер сгорания с диффузионным и смешанным режимами горения. Использование двухзонной модели позволило предсказать уровень эмиссии СО с точностью до 8% для диффузионного режима и 22,5% для смешанного.

В разделе 5.2.2 описывается модель Р1ате1е1-ТЕ. Модель горения РЬ-ТЕ основана на выделении п основных компонентов, для которых решаются уравнения переноса. Минимальный набор компонентов для расчета уровней эмиссии N0 и СО следующий: СИ,, 02, СО, С02, Н20, N0. Система уравнений переноса имеет вид:

д[ дх] Эх;

■5сг дх] J

О-ЛьДг.г.г,/^) (5)

Также решается дополнительное уравнение для массовой доли восстановленного топлива (2). Источниковые члены ,,м)

рассчитываются посредством процедуры генерации флеймлет-библиотек. Действие источниковых членов ограничено зоной диффузионного фронта пламени, которая определяется с использованием произведения функций-ограничителей :

Источниковый член для уравнений переноса СО и С02 в постпламенной зоне вычисляется с использованием глобального механизма окисления СО.

В разделе 5.2.3 приведено описание модели горения РЬМ-ЕБМ. Аналогично модели РЬМ-ТЕ выбираются п компонентов смеси СН4, 02, С02, Н20, N0. Выбор данных компонентов обусловлен необходимостью расчета уровня эмиссии N0 и описания процесса горения посредством глобальной одноступенчатой реакции: CH^ +Ог^> СОг + НгО. Для каждого выбранного компонента смеси решается уравнение переноса. Для уравнения переноса N0 источниковый член рассчитывается посредством генерации флеймлет-библиотек, и определен в зоне фронта пламени. Для основных компонентов смеси источниковый член рассчитывается исходя из соотношений модели горения ЕБМ, то есть обратно пропорционален характеристическому времени турбулентного вихря.

В разделе 5.2.4 приведены результаты тестирования моделей БОЛ-ТЕ и БЕМ-ЕОМ по уровням эмиссии N0, СО и коэффициенту неравномерности поля температуры на выходе из камеры сгорания.

В разделе 5.3 дано описание «комбинированных» фронтовых моделей горения. В разделе 5.3.1 представлена разработанная автором комбинированная модель турбулентного горения (СМ) для описания структуры и процесса дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени. Предложены следующие соотношения для скорости распространения фронта пламени в заранее перемешанной смеси:

^ (г, г, с)=5;. (г, т)гогр (гу^ (г,т,с)*сг(г,с )скр (г, с) (7)

7Т-функция С-функция

и фиктивной скорости распространения диффузионного пламени:

= (8)

а также модифицированная формула Зимонта:

5Г = Л £ Ои,зм5/'Ч""Ч1М (9)

В табл. 2 приведена информация по функциям, введенным для описания распространения фронта пламени и пределов его существования.

Таблица 2 - Физический смысл функций.

Функция Член Физический смысл

гт Ф.Т) Влияние состава и температуры смеси на скорость распространения фронта пламени

Пределы воспламенения смеси: концентрация топлива (богатый и бедный)

Пределы воспламенения смеси: температура воспламенения

с с ¿г,с) Уменьшение скорости распространения фронта пламени вследствие присутствия продуктов сгорания

Пределы существования фронта пламени вследствие задержки воспламенения и высокой концентрации продуктов сгорания

Е Разрушение фронта пламени вследствие влияния мелкомасштабных турбулентных вихрей

№ Разрушение диффузионного фронта пламени вследствие высокой скорости турбулентной диффузии

Выражения (7,8) используются для определения скорости распространения фронта турбулентного пламени в модифицированной формуле Зимонта (9) в рамках модели горения Пате^-ВУМ, основанной на решении уравнения для степени завершенности реакции С:

Эг дх) I етс дх

При разработке комбинированной модели турбулентного горения было проведено численное исследование:

1. Процесса бедного срыва гомогенного фронта пламени при горении за стабилизатором - плохообтекаемым треугольным телом. Получено хорошее совпадение с данными эксперимента и общая картина процесса бедного срыва (рис. 9). Проведен анализ причин дестабилизации фронта пламени;

2. Анализ процесса бедного срыва гомогенного фронта пламени в камере сгорания ГТД с последовательным расположением диффузионной (дежурной) и гомогенной зон. Получено хорошее совпадение с экспериментом по величинам коэффициента избытка воздуха в диффузионной зоне а, при котором происходит срыв фронта пламени в гомогенной зоне (табл. 3);

3. Анализ процесса бедного срыва диффузионного фронта пламени в камере сгорания ГТД. Получено точное совпадение с экспериментом по величине а, при котором происходит срыв пламени;

Рис. 9 - Формирование локальных разрывов поверхности фронта пламени (градиент С). Таблица 3 - Результаты расчета а бедного срыва гомогенного фронта пламени.

а гомогенной зоны 2,23 2,06 1,86

а дежурной зоны, эксперимент 3,18...3,54 3,60...4,17 4,25... 5,27

а дежурной зоны, расчет 3,03... 3,24 3,73... 4,04 4,85...5,39

В разделе 5.3.2 описываются двухфронтовые модели с незамкнутой (ТРМ-Ш) и замкнутой (ТБМ-С8) системой уравнений переноса. Для разделения зон диффузионного и гомогенного фронтов пламени используется следующий критерий: /^ОХ = УУтуУокислитаь. Диффузионное пламя характеризуется

отрицательными значениями РЬОХ из-за различных знаков градиентов массовых долей топлива и окислителя внутри фронта пламени. Для гомогенного фронта пламени эти значения положительные. В дополнение к уравнениям БктекьВУМ модели для Ъ, 2"2,С решаются уравнения переноса. Для ТРМ-Ш модели обязательными являются скаляры для топлива и окислителя. Для ТРМ-СБ модели система уравнений составляется для основных компонентов, определяющих термохимическое состояние смеси. Применение разделения фронтов позволяет использовать различные источниковые члены в уравнениях компонентов смеси для диффузионного фронта: - результат решения системы уравнений Петерса и для

гомогенного фронта: - результат решения задачи об определении

скорости распространения фронта пламени.

В главе 6 проведен анализ технологий малоэмиссионного горения. В разделе 6.1 рассматривается технология «богато-бедного» горения. В рамках данной технологии топливо и воздух поступают в первичную зону камеры сгорания, где формируют «богатую» топливовоздушную смесь - коэффициент избытка воздуха меньше 1. Из-за недостатка кислорода окисление топлива происходит не полностью, поэтому уровень средней температуры в «богатой» зоне относительно низок. Также низка концентрация атомарного кислорода. Затем продукты сгорания «богатой» смеси проступают в зону разбавления или зону «замораживания» химических реакций, где происходит быстрое смешение их с воздухом. В дальнейшем смесь продуктов сгорания попадает в зону «бедного» горения (а >1), где догорает при низких температурах. Применение технологии «богато-бедного» горения приводит к тому, что скорость реакции образования оксида азота в обеих зонах относительно невелика и, как следствие, можно достичь низкого уровня эмиссии N0.

При проведении серии расчетов варьировалась величина коэффициента избытка воздуха в «богатой» первичной зоны камеры сгорания аЛг10ИЫ. Результаты расчетов, проведенных для режима с параметрами рЦ = 20,07 кгс/см2, Т* =720 К, а=2,51, показывают, что при изменении а6,с 0,6 до 0,4 можно достичь снижения эмиссии оксида азота почти в 2,5 раза.

Однако необходимо отметить, что при значениях а^^ = 0,4 зона возвратных токов в камере сгорания практически не формируется из-за небольшого расхода через завихритель - порядка 9% от общего расхода воздуха через камеру. При а&, 1оны = 0,4 зона горения удлиняется по направлению к выходу из камеры сгорания, продукты реакции полностью не сгорают, что приводит к уменьшению температуры на выходе из камеры сгорания.

При проведении численного исследования с применением вместо отверстий зоны разбавления абстрактного «идеального» смесителя (распределенного источника воздуха в зоне смешения) выявлено, что эффективность смешения воздуха с продуктами сгорания в зоне разбавления не

оказывает существенного влияния на уровень эмиссии оксида азота, так как его образование происходит в основном в зоне «богатого» горения. Образование оксида азота в зоне «богатого» горения обусловлено возникновением стехиометрических зон при перемешивании топлива и воздуха, подаваемого через завихритель и систему охлаждения. Применение конвективной системы охлаждения (без сброса воздуха) в зоне «богатого» горения позволяет снизить уровень эмиссии N0 в 2 раза.

В разделе 6.2 рассматривается технология малоэмиссионного горения, основанная на подаче водяного пара в камеру сгорания. Для исследования потенциала технологии впрыска по снижению уровня эмиссии N0 были проведены расчеты с изменением объемной доли пара С„г0 на входе в камеру сгорания. С увеличением СНг0 уровень эмиссии N0 непрерывно падает, достигая значения 5,75 ррш при С„о=0,07. Снижение скорости реакции образования оксида азота обусловлено снижением температуры в камере сгорания. Изменение химического состава продуктов сгорания, вследствие присутствия воды, влияет на уровень эмиссии оксида азота в меньшей степени. При увеличении Сщо, вследствие низких температур, происходит растяжение зоны реакции по длине камере сгорания. Поэтому не хватает времени пребывания для завершения реакции преобразования СО в СОг, что приводит к увеличению уровня эмиссии оксида углерода.

Тенденция снижения уровня эмиссии N0 при использовании жидкого топлива иная, чем для метана. Например, при С„1О=0,01 снижение эмиссии составляет 24,08% против 30,87% для метана. Эта тенденция также сохраняется и при увеличении Сн о. Уменьшение концентрации оксида азота достигается за счет изменения уровня температуры - максимальная температура уменьшилась с 2608 до 2540 К для С,/;0= 0.

В разделе 6.3 описывается технология малоэмиссионного горения с использованием в качестве топлива синтез-газа. Катализатор применяется для получения синтез-газа путем разложения исходного топлива - природного газа СН4. Основными составляющими синтез-газа являются моноксид углерода СО и водород Н2, в качестве инертной добавки присутствует азот N2 . Также в состав синтез-газа может входить метан, доля которого меняется в зависимости от степени конверсии. Принцип работы системы малоэмиссионного каталитического горения, рассматриваемый в данной работе, состоит в следующем: воздух хорошо перемешивается с топливом для получения однородной смеси на входе в катализатор. Подача воздуха осуществляется таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха а изменялся в пределах от 0,23 до 0,28. Данные пределы обусловлены тем, что обогащение смеси приводит к прекращению каталитической реакции, а обеднение к ее более быстрому протеканию и разогреву катализатора. Полученный синтез-газ подается в камеру сгорания, где сгорает в смеси с воздухом, подающимся непосредственно из компрессора.

В результате проведенных расчетов получено, что технология, основанная на применении синтез-газа, позволяет достичь снижения уровня эмиссии N0 на 37,7%. Необходимо отметить, что при проведении расчета, камеры сгорания, использующей в качестве топлива метан, производилась раздельная подача топлива и окислителя, то есть имело место диффузионное горение в первичной зоне. Поэтому снижение уровня эмиссии оксида азота скорее всего связано с подачей на вход завихрителя гомогенного состава синтез-газа и снижения при этом объема зон, ответственных за образование N0. При применении комбинированной технологии, основанной на подаче в камеру сгорания синтез-газа и водяного пара при С,//;=0,01 можно достичь снижения уровня эмиссии N0 до 28,3% от «сухого» варианта.

В разделе 6.4 рассматривается применение технологии «бедного» малоэмиссионного горения. Суть технологии «бедного» малоэмиссионного горения состоит в организации процесса сжигания топлива при поддержании значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне ап1ря ъот < 1. В данной работе рассматриваются методы, основанные на диффузионном горении, а также на организации горения заранее перемешанной топливовоздушной «бедной» смеси {ЬРР). Моделирование процесса горения заранее перемешанной смеси было произведено с использованием модели тонкого фронта пламени в приближении горения частично перемешанной смеси {Р1ате/гоМ).

Применение технологии «бедного» диффузионного горения дает значительное снижение уровня эмиссии оксида азота (в 3 раза) по сравнению с исходным вариантом камеры сгорания. При этом обеспечивается необходимая полнота сгорания топлива. Основным источником образования оксида азота в данной камере сгорания, как и во всех камерах сгорания диффузионного типа, является околостехиометрическая зона.

Также была исследована камера сгорания, использующая комбинированную технологию «бедного» горения и впрыска водяного пара. Для режима с «„^,.„,„=1.50 производилась подача водяного пара вместе с воздухом. Объемная доля водяного пара С„г0 составляла 0,03. Полученные результаты показывают, что за счет снижения температуры в зоне горения падает скорость реакции образования оксида азота, что приводит к снижению объемной доли N0 на выходе из камеры сгорания в 1,5 раза.

Было проведено исследование процесса образования оксида азота в камере сгорания, работающей по принципу технологии «бедного» горения заранее перемешанной топливовоздушной смеси. Снижение концентрации N0 в продуктах сгорания достигается путем уменьшения температуры горения заранее перемешанной смеси при увеличении значения коэффициента избытка воздуха. Также получено, что на режимах, характеризующихся «ге^ „„„<1,50, наблюдается стабилизация пламени в зоне смешения завихрителя. При работе камеры сгорания на «низких» режимах наблюдается дестабилизация пламени.

Была рассмотрена возможность применения синтез-газа для стабилизации пламени на «низких» режимах работы камеры сгорания. Получено, что на режиме работы с Р'=8,07 кгс/см2 наблюдается дестабилизация пламени. При этом возрастает величина пульсаций температуры в первичной зоне по сравнению с камерой сгорания, в которой используется метано-воздушная смесь.

Рассмотрена схема двухзонной организации процесса горения, применяемая для стабилизации горения «бедных» топливовоздушных смесей. В камере сгорания организуется диффузионная «дежурная» зона, поддерживающая процесс горения в гомогенной «бедной» зоне. Через основные отверстия подается заранее перемешанная TBC и в газосборнике формируется зона «бедного» горения.

Для решения проблемы стабилизации пламени на «низких» режимах был предложен алгоритм распределения топлива по зонам в зависимости от режима работы двигателя В разделе 6.5 проведено сравнение исследованных технологий малоэмиссионного горения по достижимому уровню эмиссии оксида азота (табл. 4).

Таблица 4 - Сравнение технологий малоэмиссионного горения.

№ Описание технологии малоэмиссионного горения Достижимое снижение уровня эмиссии N0 в % от эмиссии «исходной» камеры сгорания Особенности практической реализации

1 «Богато-бедное» («исходная» камера) 100,00 «„,„,„»«= 0.55

2 «Богато-бедное» 38,98 Требуется конвективная система охлаждения стенки жаровой трубы

3 Подача водяного пара в камеру сгорания 52,61 Необходима дистиллированная вода для получения пара

4 Преобразование топлива в синтез-газ 62,23 Необходима установка для получения синтез-газа

5 Преобразование топлива в синтез-газ + подача водяного пара в камеру сгорания 17,61 Необходима дистиллированная вода для получения пара Необходима установка для получения синтез-газа

6 Диффузионное «бедное» 33,30 Возможны проблемы с розжигом и стабильностью процесса горения

7 Диффузионное «бедное» + подача водяного пара в камеру сгорания 19,74 Возможны проблемы с розжигом и стабильностью процесса горения. Необходима дистиллированная вода для получения пара

8 «Бедное» горение заранее перемешанной смеси 13,87 а =15 пере.зоны ' Необходима организация «дежурной» зоны для поддержания процесса горения на низких режимах

9 «Бедное» горение заранее перемешанной смеси с последовательным расположением зон 12,18 Необходимо отработать алгоритм распределения расхода топлива по зонам при изменении режима работы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для решения задачи расчета уровня эмиссии оксида азота диффузионной камерой сгорания газотурбинного двигателя разработана методология расчета. Методология позволяет определить уровень эмиссии оксида азота для камер сгорания, использующих газообразное топливо - метан или жидкое - керосин. Методология включает в себя рекомендации по использованию моделей турбулентности, горения, радиационного теплообмена и образования оксида азота, а также разработанных в рамках данной работы дополнительных программ, позволяющих рассчитать уровень эмиссии оксида азота с высокой точностью независимо от типа камеры сгорания и режима работы.

2. Выполнено комплексное исследование процесса образования оксида азота в камере сгорания газотурбинного двигателя. Исследовано влияние механизмов образования оксида азота, моделей горения, турбулентности, радиационного теплообмена, кинетических механизмов на расчетный уровень эмиссии оксида азота.

3. Для улучшения характеристик известных «стандартных» моделей турбулентного горения в плане расчета уровней эмиссии N0, СО и поля температуры на выходе из камеры сгорания создан класс «гибридных» моделей горения.

4. Для моделирования структуры диффузионного и гомогенного фронтов пламени и их дестабилизации создан класс «комбинированных» моделей турбулентного горения, которые основываются на модифицированных выражениях для расчета скорости распространения фронта пламени. Эти модели были применены для моделирования процесса дестабилизации гомогенного фронта пламени за плохообтекаемым телом, а также гомогенного и диффузионного фронтов пламени в двухзонной камере сгорания. Получено хорошее согласование с данными эксперимента по величине коэффициента избытка воздуха, при которой происходит бедный срыв для диффузионного и гомогенного фронтов. Также удалось улучшить количественное предсказание концентраций продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания.

5. Разработанная методология проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов применена для оценки потенциала снижения уровня эмиссии N0 при использовании технологий «богато-бедного» горения, подачи водяного пара, использования в качестве топлива синтез-газа, диффузионного «бедного» горения, «бедного» горения заранее перемешанной топливовоздушной смеси, а также их комбинаций. По результатам исследования выявлено, что наибольшим потенциалом по снижению уровня эмиссии оксида обладает технология «бедного» горения заранее перемешанной смеси с последовательным расположением зон. Эту технологию можно рекомендовать для реализации в камерах сгорания наземных газотурбинных установок. Для камер сгорания авиационного типа рекомендуется использовать технологии «богато-бедного» и «бедного» диффузионного горения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Куценко Ю.Г. Влияние состава продуктов сгорания на радиационное охлаждение зоны горения в камере сгорания ГТД при сжигании метана / Куценко Ю.Г. И журнал Авиационная техника, Известия высших учебных заведений. - Казань: КГТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2000. -. № 3 - С. 3844.

2. Куценко Ю.Г. Математическое моделирование процесса радиационного теплообмена в камерах сгорания газотурбинных двигателей / Куценко Ю.Г. // Труды всероссийской научной конференции «Физико-химические проблемы сжигания углеводородных топлив» - Москва: ЦИАМ, 1998. -С.58-59.

3. Куценко Ю.Г. Применение методов вычислительной газовой динамики для моделирования процессов течения многокомпонентного потока газа, горения и теплообмена в камере сгорания газотурбинного двигателя / Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. // Труды IV всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» - Самара: СГАУ, 2002. - С. 91-93.

4. Куценко Ю.Г. Математическое моделирование процесса образования оксида азота в камерах сгорания авиационных двигателей и энергоустановок / Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. И Труды V всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» - Самара: СГАУ, 2004. - С. 82-93.

5. Куценко Ю.Г. Оптимизация камеры сгорания газотурбинного двигателя для снижения выбросов оксида азота с использованием методов вычислительной газовой динамики / Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. II Труды V всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» - Самара: СГАУ, 2004,- С. 94-104.

6. Куценко Ю.Г. Математическое моделирование малоэмиссионных камер сгорания. / Августинович В.Г., Куценко Ю.Г., Сипатов A.M., Усанин М.В.// Сборник тезисов 49 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин - Москва: ЦИАМ, 17-18 июня 2003.

7. Куценко Ю.Г. Применение методов вычислительной газовой динамики для расчета и оптимизации камер сгорания / Онегин С.Ф., Сипатов A.M., Усанин М.В., Гомзиков Л.Ю. // Сборник тезисов 50 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин - Санкт-Петербург: ЛМЗ, 17-18 июня 2003.

8. Куценко Ю.Г. Применение методов вычислительной газовой динамики для моделирования процессов течения многокомпонентного потока газа, горения и теплообмена в камере сгорания газотурбинного двигателя / Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. // журнал Вестник самарского государственного аэрокосмического университета, 2002. -№ 2. - С. 60-64.

9. Koutsenko I.G. Application of CFD-based analysis technique for design and optimization of gas turbine combustors / Koutsenko I.G., Onegin S.F., Sipatov A.M.. И Труды конференции ASME Turbo Expo 2004, Вена, 14-16 июня 2004 - статья № GT-2004-53398, 8 С.

10.Koutsenko I.G. Application of CFD-based analysis tool to the PS-90A/A2 combustors to achieve low NO emission level / Koutsenko I.G., Onegin S.F., Sipatov A.M.. // Труды конференции 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Fort Lauderdaly, Florida, 11-14 июля 2004 - статья № AIAA-2004-3878, 8 С.

11.Куценко Ю.Г. Применение методов вычислительной газовой динамики для оценки эффективности технологии подавления образования оксида азота путем подачи водяного пара в камеру сгорания / Куценко Ю.Г. // Сборник тезисов международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей» - Казань: КГТУ , 23-27 мая 2005.-С. 17-18.

12.Куценко Ю.Г. Применение методов вычислительной газовой динамики для исследования потенциальных возможностей технологии «богато-бедного» горения по снижению уровня эмиссии оксида азота / Куценко Ю.Г. // Сборник тезисов международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей» - Казань: КГТУ, 23-27 мая 2005. - С. 19-20.

13.Куценко Ю.Г. Применение численных методов газовой динамики для анализа процесса образования оксида азота и выбора конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя / Андрюков H.A., Медведев A.B., Гомзиков Л.Ю., Куценко Ю.Г. // Сборник тезисов международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей - Казань: КГТУ, 23-27 мая 2005. - С. 21-22.

14.Гомзиков Л.Ю. Решение задачи расчета скорости распространения фронта ламинарного пламени / Гомзиков Л.Ю., Куценко Ю.Г. // Сборник тезисов международной научно-технической конференции «Рабочие

процессы и технология двигателей - Казань: КГТУ, 23-27 мая 2005. - С. 23-24.

15.Куценко Ю.Г. Применение методов вычислительной газовой динамики для анализа процесса образования оксида азота и оптимизации конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя / Куценко Ю.Г., Андрюков H.A. // Сборник трудов I научно-технического семинара по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ - Москва: ЦИАМ, 14-16 декабря 2004.- С. 22.

16.Куценко Ю.Г. Численное исследование технологий малоэмиссионного горения для снижения уровня выбросов оксида азота газотурбинной установкой / Куценко Ю.Г. // Сборник трудов всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2005» - Пермь: ПГТУ, 22-24 июня 2005 - С. 90.

17.Куценко Ю.Г. Применение численных методов газовой динамики для расчета камеры сгорания газотурбинного двигателя ПС-90А / Куценко Ю.Г. // журнал Авиационная техника, Известия высших учебных заведений. - Казань: КГТУ-КАИ им. А.Н. Туполева,, 2004 - № 3., С. 6771.

18.Куценко Ю.Г. Численное исследование факторов, влияющих на образование оксида азота в камерах сгорания газотурбинных двигателей / Куценко Ю.Г. // Журнал Авиационная техника, Известия высших учебных заведений. - Казань: КГТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2004 - № 4., С. 68-70.

19.Koutsenko Yu. G. Simulation of nitric oxide formation in gas turbine combustor / Koutsenko Yu. G. // Сборник трудов Второго Международного Симпозиума по неравновесным процессам, горению и атмосферным явлениям - Сочи, 2005 - С. 156-165.

20.Куценко Ю. Г. Сравнительный анализ технологий малоэмиссионного сжигания топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя. / Куценко Ю.Г. // Сборник трудов II международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» - Москва: ЦИАМ, 2005 - Том 2, С. 22.

21.Kutsenko Yu.G. Development and application of CFD-based analysis methodology to evaluate efficiency of low NOx combustion technologies, / Kutsenko Yu.G., Onegin S.F. // Труды конференции ASME Turbo Expo 2006 - Барселона, 2006 - статья GT-2006-90530., 8 С.

22.Куценко Ю.Г. Численные исследования предельно достижимых уровней эмиссии оксида азота при использовании технологии богато-бедного горения в камере сгорания ГТД. / Куценко Ю.Г. // Журнал Авиационная техника, Известия высших учебных заведений. - Казань: КГТУ-КАИ им. А.Н.Туполева, 2006-№ 1, стр. 1-3.

23.Гомзиков Л.Ю. Разработка программы для определения скорости распространения фронта ламинарного пламени и состава продуктов сгорания / Гомзиков Л.Ю., Куценко Ю.Г.// Сборник тезисов международной научно-технической конференции «Проблемы и

перспективы развития двигателестроения» - Самара: СГАУ, 21-23 июня 2006. - С. 76-77.

24.Куценко Ю.Г. Разработка комбинированной модели турбулентного горения и ее применение для моделирования процесса образования оксида углерода / Куценко Ю.Г. // Сборник тезисов к докладам на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», - Самара: СГАУ, 21-23 июня 2006. - С. 77-78.

25.Куценко Ю.Г. Моделирование процесса образования оксида углерода с использованием комбинированной модели турбулентного горения. / Куценко Ю.Г.// Журнал Вестник Ижевского ГТУ - Ижевск: ИжГТУ,

2006-№ 3 (31), С. 23-26.

26.Куценко Ю.Г., Онегин С.Ф. Применение методов вычислительной газовой динамики для выбора конструкции камеры сгорания с наименьшим уровнем эмиссии оксида азота / Куценко Ю.Г. //, Вестник СГАУ, 2006 -№ 1 (9), С. 106-121.

27.Куценко Ю.Г. Численные методы оценки эмиссионных характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей / Куценко Ю.Г.//, изд-во УрО РАН, Екатеринбург-Пермь, 2006, ISBN 5-7691-1770-2 - 140 С.

28.Kutsenko Yu.G. Modeling approach for lean blowout phenomenon /Kutsenko Yu.G., Onegin S.F., Gomzikov L.Y., A. Belokon', V. Zakharov // Труды конференции ASME Turbo Expo 2007 Монреаль, 2007 - статья № GT-

2007-27699, С. 7.

29. Kutsenko Yu.G. Modeling of turbulent combustion process and lean blow out using combined approach /Kutsenko Yu.G. , Onegin S.F., Gomzikov L.Y.// Труды конференции ASME Turbo Expo 2008, Берлин, 2008 -статья № GT-

2008-50289, С. 12.

30.Kutsenko Yu. G. A combined turbulent combustion model in studying a lean flameout process /Kutsenko Yu.G.// Журнал «Russian Aeronautics»,2009 -том 52, №2, C. 208-213.

31.Куценко Ю.Г. Комбинированная модель турбулентного горения в исследовании процесса бедного срыва пламени / Куценко Ю.Г.// Журнал Авиационная техника, Известия высших учебных заведений. - Казань: КГТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2009 - № 2, С. 50-53.

32.Kutsenko Yu.G. Modeling of turbulent combustion process and lean blowout using combined approach. / Kutsenko Yu.G., Inozemtsev A.A., Gomzikov L.Y.// Труды конференции ASME Turbo Expo 2009, Орландо, 2009 -статья № GT2009-60131, С. 14.

Подписано в печать 5.09.2010. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 2. Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Заказ № 729/2010.

Отпечатано в типографии ИД "Пресстайм" Адрес: 614025, г. Пермь, ул. Героев Хасана, 105

ОАО «АВИДВИГАТЕЛЬ»

На правах рукописи

05201150300 КУЦЕНКО ЮРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор АВГУСТИНОВИЧ В.Г.

Пермь 2010

Содержание работы

Введение 7

Глава 1 Обзор технологий, применяемых для снижения уровня

выбросов оксида азота газотурбинными двигателями 17

1.1 Проблема загрязнения атмосферы при сжигании углеводородных

топлив 17

1.2 Нормирование выбросов вредных веществ для авиационных газотурбинных двигателей и стационарных газотурбинных установок 18

1.3 Концепции снижения выбросов вредных веществ газотурбинными двигателями 20

1.3.1 Факторы, влияющие на образование вредных веществ 20

1.3.2 Технология малоэмиссионного горения «бедной» заранее перемешанной топливовоздушной смеси 23

1.3.3 Технология «богато-бедного» малоэмиссионного горения 24

1.3.4 Технология впрыска водяного пара 26

1.3.5 Применение каталитических нейтрализаторов 27

1.3.6 Технология каталитического горения 28 Глава 2. Математические модели, применяемые для описания физико-химических процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей 30

2.1 Введение 30

2.2 Классификация физико-химических процессов и их математические модели 31

2.3 Модель турбулентного течения газа 33

2.3.1 Основные уравнения 33

2.3.2 Методы моделирования турбулентных течений 34

2.3.3 Уравнения Рейнольдса 35

2.3.4 Классификация моделей турбулентности 36

2.3.5 Модели, основанные на гипотезе о турбулентной вязкости 37

2.3.6 Модель напряжений Рейнольдса 40

2.4 Совместный теплообмен 43

2.5 Моделирование процесса распространения и испарения капель 44

2.6 Кинетика химических реакций 45

2.6.1 Основные соотношения 45

2.6.2 Состав топлива, используемого ГТУ. Кинетические механизмы, используемые для описания процесса окисления метана 49

2.6.3 Состав авиационного керосина. Кинетические механизмы, применяемые для описания процесса горения керосина 50

2.6.4 Моделирование процесса сажеобразования 55

2.7 Моделирование процесса турбулентного горения 58

2.7.1 Обзор моделей турбулентного горения 58

2.7.2 Приближение диффузионного горения 60

2.7.3 Приближение гомогенного горения 62

2.7.4 Модель тонкого фронта пламени 63

2.7.4.1 Модель тонкого фронта пламени в приближении диффузионного горения 66

2.7.4.2 Модель тонкого фронта пламени в приближении горения заранее перемешанной смеси 68

2.7.4.3 Модель тонкого фронта пламени в приближении горения частично перемешанной смеси (Flamefront модель) 69

2.7.4.4 Модель взаимодействия процесса горения с процессом турбулентности 70

2.7.4.5 Библиотеки концентраций компонентов смеси для модели фронта тонкого пламени 72

2.7.4.6 Расчет скорости распространения фронта пламени в турбулентном потоке 73

2.7.5 Модель Зимонта для моделирования горения перемешанной или частично перемешанной топливовоздушной смеси 75

2.7.6 Модели горения, учитывающие индивидуальный перенос

компонентов смеси 77

2.7.6.1 Моделирование процесса переноса 77

2.7.6.2 Модель распада турбулентного вихря / модель химической

кинетики 77

2.7.6.3 Eddy Dissipation Concept модель 79

2.8 Процесс радиационного теплообмена 79

2.8.1 Обзор методов расчета радиационных тепловых потоков 79

2.8.2 Диффузионная модель радиационного теплообмена 81

2.8.3 Метод дискретных ординат 82

2.8.4 Расчет радиационных свойств среды в объеме 85

2.8.4.1 Расчет коэффициента поглощения смеси газов 85

2.8.4.2 Расчет коэффициента поглощения облака частиц 92

2.8.4.3 Расчет средних коэффициентов поглощения 93 2.9 Процесс образования оксида азота 94

2.9.1 Модели процесса образования NOx 94

2.9.2 Механизмы образования N0 95

2.9.2.1 «Термический» механизм 95

2.9.2.2 «Быстрый» механизм 97

2.9.2.3 Механизм «дожигания» N0 99

2.9.2.4 Образование двуокиси азота 100

2.9.2.5 Расчет пространственного распределения концентрации оксида

азота 100

Глава 3. Верификация математических моделей физико-химических

процессов, протекающих в камере сгорания ГТД 102

3.1 Моделирование структуры потока в горел очном модуле 102

3.2 Математическое моделирование структуры потока турбулентного газа 108 и расчет потерь полного давления в камере сгорания

3.2.1 Расчетная модель. Граничные условия 108

3.2.2 Анализ структуры течения в камере сгорания 109

3.2.3 Анализ распределения потерь полного давления 109

3.2.4 Анализ структуры течения на выходе из диффузора и в жаровой

трубе 111

3.3 Предсказание структуры потока в камере сгорания с учетом процесса горения 118

3.3.1 Методика проведения расчетов 118

3.3.2 Анализ структуры течения в камере сгорания 118

3.3.3 Анализ неравномерности поля температуры на выходе из камеры сгорания 120

3.4 Выводы 122

Глава 4. Методология моделирования физико-химических процессов

в камере сгорания с диффузионным факелом для расчета уровня 126 эмиссии оксида азота

4.1 Описание методологии 126

4.2 Описание этапа препроцессирования 128

4.2.1 Программа для генерации «флеймлет» библиотек 128

4.2.2 Программа для генерации «флеймфронт» библиотек 132

4.2.3 Программа для моделирования процесса сажеобразования 135

4.2.4 Программа для расчета коэффициента поглощения смеси газов и 136 сажи

4.3 Описание этапа расчета в пакете CFX-TASCflow 138

4.3.1 Расчетные модели. Граничные условия и результаты расчетов 138

4.3.2 Анализ вклада механизмов образования оксида азота в общий уровень эмиссии. Влияние моделей турбулентности. ' 140

4.3.3 Влияние выбора модели горения на расчет уровня эмиссии оксида

азота 143

4.3.4 Анализ влияния модели радиационного теплообмена 145

4.3.5 Анализ влияния кинетических механизмов 147

4.4 Выводы 166

Глава 5. Разработка «гибридных» и «комбинированных» моделей 168 турбулентного горения

5.1 Классификация моделей турбулентного горения 168

5.2 «Гибридные» модели турбулентного горения 169

5.2.1 Двухзонная модель горения Flamelet-BVM-EDC для предсказания 170 уровня эмиссии оксида углерода

5.2.1.1 Основные принципы модели 170

5.2.1.2 Комплекс программ для расчета концентраций компонентов с 173 использованием двухзонной модели горения

5.2.1.3 Верификация двухзонной модели турбулентного горения 178

5.2.2 «Гибридная» модель горения Flamelet-Transport Equations 186

5.2.3 «Гибридная» модель горения Flamelet-EDM 188

5.2.4 Тестирование «гибридных» моделей Flamelet-EDM и Flamelet-

Transport Equations 190

5.3 «Комбинированные» модели турбулентного горения 196

5.3.1 Основные принципы комбинированной модели турбулентного 196 горения

5.3.1.1 Модель гомогенного фронта пламени 198

5.3.1.2 Модель диффузионного фронта пламени 207

5.3.1.3 Модель объемного горения 210

5.3.1.4 Определение временных масштабов прохождения реакции и

расчет тепловыделения во фронте пламени 211

5.3.1.5 Метод расчета уровня эмиссии N0 в рамках комбинированной модели турбулентного горения 213

5.3.1.6 Тестирование комбинированной модели турбулентного горения 214

5.3.2 Двухфронтовые модели турбулентного горения 225

5.3.3 Выводы 230 Глава 6. Анализ технологий малоэмиссионного горения 231

6.1 Технология «богато-бедного» горения 231

6.2 Технология малоэмиссионного горения, основанная на подаче

водяного пара в камеру сгорания 245

6.3 Технология малоэмиссионного горения, основанная на использовании

в качестве топлива синтез-газа 256

6.4 Технология «бедного» горения 263

6.5 Выводы 285 Основные результаты и выводы 288 Список литературы 290

Введение

Актуальность данной работы обусловлена повысившимися в последнее время требованиями* по снижению неблагоприятного »влияния газотурбинных двигателей (ГТД) на окружающую среду, а так же-обострившейся конкуренцией среди отечественных^ и зарубежных производителей ГТД. Так, в федеральной целевой программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года», утвержденной постановлением Правительства РФ № 728 особое место отведено работам, направленным на экологическую чистоту авиационных двигателей. Кроме того, в соответствии с поручением Правительства РФ № ИК-П7-20696 от 06.12.2001 г. разработана и утверждена специальная межведомственная «Комплексная программа работ на период 2002-2010 гг. по проблеме снижения шума, эмиссии вредных веществ и повышения точности навигации отечественных самолетов и вертолетов в обеспечение требований 1САО (Международная организация гражданской авиации) и Европейского Союза (ЕС)».

В соответствии с международным и национальным стандартами на вредные выбросы авиационных ГТД и, создаваемых на их базе энергетических установок (ГТУ), в настоящее время нормируется эмиссия несгоревших углеводородов (ЦНС), оксида углерода (СО), оксидов азота (Ж)х), дыма (БЫ).

Впервые международный стандарт 1САО на эмиссию авиационных ГТД был принят в 1981 году. С 1996 по 2004 год действовали более жесткие (на 20%), по сравнению с первоначальными, нормы на эмиссию ЫОх. С 2004 года они были еще ужесточены (примерно на 16%) для новых двигателей и модификаций существующих, созданных после 31 декабря 2003 года. В рамках СНГ этот вопрос регулируется Авиационными правилами АП-34 «Охрана окружающей среды. Нормы эмиссии для авиационных двигателей», в которых нормы эмиссии практически соответствуют международным требованиям. Ориентировочно в 2008 году 1САО предполагает ввести запрет на производство двигателей, не соответствующих нормам на эмиссию вредных веществ. Страны ЕС проводят еще более жесткую, чем 1САО, политику по защите окружающей среды от воздействия авиации.

Современные тенденции развития газотурбинных двигателей обуславливают разработку двигателей с высокими параметрами термодинамического цикла. Повышение параметров термодинамического цикла подразумевает увеличение температуры и давления воздуха на выходе из компрессора, что приводит к увеличению скорости

образования N0* в камере сгорания. Как правило, при эксплуатации ГТУ и авиационных двигателей преобладают, высокие режимы работы, при которых снижается • концентрация^ СО и 1ШС в выхлопных газах и повышается концентрация ЛМХЭх. Кроме того;-необходимо* отметить, что содержание: N0^ в выхлопных газах. ГТД на 90% — 95% определяет токсичность выхлопа. ,

Для; снижения уровня эмиссии оксида азота камерами сгорания ГТД отечественными и зарубежными разработчиками применяются четыре основные технологии организации малоэмиссионного горения: .

1. «Богато-бедное» горение;

2. Сжигание «бедной» гомогенной топливо-воздушной смеси;

3. «Мокрые» методы снижения МОх — подача, в камеру сгорания топлива или окислителя, смешанного с водяным паром ;

4. Сжигание низкокалорийного топлива — синтез-газа, полученного путем каталитического разложения природного газа.

При?разработке новой?камеры: сгорания всегда встает вопрос, о выборе технологии малоэмиссионного горения; Проектирование и доводка камер: сгорания - сложный; процесс, который включает в себя большой объем конструкторской и экспериментальной работы. Применение методов вычислительной газовой динамики позволяет выбрать схему организации процесса , малоэмиссионного > горения, снизить объем экспериментальных: работ по доводке камер сгорания и внести; изменения в конструкцию; камер сгорания на ранних стадиях проектирования. При проведении расчетно-экспериментальных работ по проектированию малоэмиссионной камеры сгорания возникает потребность в оценке следующих ее важнейших характеристик:

1. Уровня эмиссии загрязняющих веществ: >ТОХ, СО, сажи.

2. Полноты сгорания топлива;

3. Пределов стабилизации пламени в гомогенной и диффузионной зонах горения.

Для проведения параметрических расчетов камер сгорания необходима разработка методологии математического моделирования физико-химических процессов, включающая в себя рекомендации по? использованию математических моделей и анализу полученных: результатов. Кроме того, доступные в настоящее время математические ^ модели горения не могут предоставить возможность для- выполнения комплексного расчета основных характеристик проектируемой камеры сгорания.

Таким образом, разработка методологии математического моделирования физико-химических процессов и ее применение для анализа технологий малоэмиссиионного

горения являются актуальными задачами, имеющими важное научное и практическое значение.

Цель работы состоит в разработке универсальной методологии математического моделирования физико-химических процессов в камере сгорания ГТД для расчета уровней эмиссии оксида азота, оксида углерода, оценки пределов стабилизации фронта пламени и ее применение для анализа и выбора технологий малоэмиссионного горения. Задачи исследования:

1. Создание методологии проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов;

2. Настройка математической модели для расчета уровня эмиссии оксида азота;

3. Разработка математической модели для расчета уровня эмиссии оксида углерода;

4. Разработка математической модели для описания процесса дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени;

5. Проведение моделирования' физико-химических процессов в камере сгорания и оценка их влияния на уровень эмиссии оксида азота;

6. Проведение сравнительного анализа конструктивных схем камер сгорания ГТД, в которых реализованы технологии малоэмиссионного сжигания топлива с использованием разработанной методологии.

На защиту выносятся:

1. Разработанная методология математического моделирования физико-химических процессов в камере сгорания ГТД для оценки уровня эмиссии оксида азота, оксида углерода и пределов стабилизации фронта пламени;

2. Результаты численного исследования взаимного влияния физико-химических процессов в камере сгорания и оценка их влияния на расчетный уровень эмиссии оксида азота;

3. Разработанные «гибридные» модели турбулентного горения, позволяющие оценить уровень эмиссии оксида углерода, оксида азота;

4. Разработанные «комбинированные» модели турбулентного горения, описывающие структуру фронта пламени и позволяющие смоделировать процесс дестабилизации гомогенного и диффузионного фронтов пламени, оценить уровни эмиссии оксидов углерода и азота, полноту сгорания топливовоздушной смеси.

5. Результаты сравнительного анализа конструктивных схем камер сгорания ГТД, в которых реализована технология малоэмиссионного горения.

Научная новизна:

1. Уточнена математическая модель генерации оксидов азота при диффузионном -горении углеводородного топлива с учетом радиационного излучения пламени, являющегося существенным фактором при оценке эмиссии.

2. Впервые разработана математическая модель описания генерации оксидов азота для смешанных (диффузионного и гомогенного) фронтов пламени в камере сгорания.

3. Создана «гибридная» математическая модель горения РЬМ-ЕБС для расчета уровня эмиссии оксида углерода при сгорании углеводородного топлива.

4. Впервые разработана «комбинированная» математическая модель «бедного» срыва фронта пламени и розжига камеры сгорания в нестационарной постановке. На ее основе сформирована математическая модель для расчета полноты сгорания топлива, являющейся одним из основных проектных параметров камеры сгорания.

Достоверность:

1. Разработанные и уточненные математические модели физических процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей идентифицированы по экспериментальным данным модельных и натурных экспериментов камер сгорания различных типов в части интегральных оценок эмиссии и границы срыва пламени.

2. Применяемые в расчетах математические модели турбулентности для описания сильно закрученных трехмерных течений в камерах сгорания идентифицированы по имеющимся экспериментальным данным распределений компонент скорости (дифференциальная оценка).

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанная методология позволяет учесть при проектировании камер сгорания

?

процессы, происходящие при горении топлива, оценить эмиссионные характеристики, пределы стабилизации фронта пламени и совершенствовать конструкцию камер сгорания еще на ранних стадиях проектирования;

2. Результаты проведенного в работе сравнительного анализа технологий малоэмиссиионного сжигания топлива использованы для выработки практических рекомендаций по выбору конструктивных схем камер сгорания.

3. Созданы программы, применяющиеся для:

3.1. расчета уровня эмиссии оксида углерода на основе предложенной ( двухзонной модели турбулентного горения;

3.2. расчета скорости распространения фронта пламени;

3.3. расчета радиационных свойств среды;

3.4. моделирования процесса сажеобразования;

3.5. расчета концентраций компонентов топливо-воздушной смеси в зависимости от восстановленной массовой доли топлива и характеристик турбулентности.

Внедрение результатов

Разработанная мет�