автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка топливосжигающих устройств с микрофакельным горением и методики их расчета

УДК 662.61:621.438:621.43.056:662.95 На правах рукописи

РГо од

Достияров Абай Мухамедиярович

РАЗРАБОТКА ТОПЛИВОСЖИ ГАЮЩИХ

УСТРОЙСТВ С МИКРОФАКЕЛЬНЫМ ГОРЕНИЕМ И МЕТОДИКИ ИХ РАСЧЕТА

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Республика Казахстан Алматы 2000

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина.

Научный консультант - член-корр. HAH PK, д.т.н., профессор Алияров Б.К.

Официальные оппоненты: член-корр. HAH PK, д.т.н., профессор Ершин Ш.А.

д.т.н., профессор Тумановский А.Г. д.т.н., профессор Мухиддинов Д.Н.

Ведущая организация - Алматинский институт энергетики и связи

Защита состоится " 06 " 9 2000г. в часов на заседани:

диссертационного совета Д 53.0601 по присуждению ученой степени доктор наук при Казахском научно-исследовательском институте энергетики имен академика Ш.Ч.Чокина по адресу: 480012, Республика Казахстан, г.Алмать ул. Байтурсынова, 85.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНИИ Энергетик имени академика Ш.Ч.Чокина.

Автореферат разослан " ¿3" 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 53.06.01, к.т.н. Е.Баеков

ЧЬА. * - DlJff - DJ SО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В нефтяной и газовой промышленности, энергетике, стройиндустрии и транспортной технике широко применяются топли-восжигающие устройства (ТСУ), от совершенства конструкции и эффективности их эксплуатации зависят рациональность использования жидких и газообразных энергоресурсов и экологичность многочисленных технологий и, соответственно, окружающей среды.

Газовые турбины прочно заняли позиции в авиации, системах газоперекачивающих станций магистральных газопроводов и энергетики для покрытия пиковых нагрузок. Успешное внедрение газотурбинных двигателей (ГТД) идет на водном транспорте и отмечается перспективность применения их в колесных и гусеничных машинах. Интерес к транспортным ГТД возрос с новыми требованиями к двигателям: повышение габаритной мощности, возможности использования все ухудшающихся видов топлива, уменьшение трудоемкости обслуживания, выполнения ужесточающихся норм по токсичности выбросов и др.

Камера сгорания, является одним из основных узлов ГТД и ее экономичность, надежность, токсичность и многотопливность практически полностью определяют аналогичные показатели двигателя.

Традиционные камеры сгорания ГТД с центробежными форсунками подошли к пределу своего совершенствования и жестко накладываемые современные требования к камерам привели к поиску новых принципов организации сжигания топлива и отказу от дальнейшего повышения температуры в зоне горения с целью увеличения теплонапряженности рабочего объема камеры.

Вместе с тем, использованию камер сгорания ГТД, разработанных на эснове новых схем организации горения жидкого топлива препятствуют :ерьезные трудности:

- каталитические камеры имеют малый ресурс, увеличенные осевые га-Зариты камеры сгорания чувствительны к составу топлива и перед запуском необходим прогрев каталитической решетки до температуры активации;

- гомогенные камеры имеют узкий диапазон устойчивой работы и опас-юсть теплового разрушения топливоиспарительных трубок, так как они на-содятся в зоне горения;

- двухступенчатые камеры сгорания увеличивают габаритные размеры хвигателя;

- многофорсуночные камеры имеют сложный подвод топлива и повы-ненные гидравлические потери.

Серьезные проблемы возникли в нефтяной промышленности РК, например, только на месторождениях "Кумколь" и "Прорва" ежегодно в атмосферу (ыбрасываются (в тоннах): 15.000 - СО, 200 -Кт0х, более 3000 - СпНга и 17 -Ю2, так как в известных факельных горелках не обеспечивается организо-

ванное сжигание попутных нефтяных газов (ПНГ), т.к. они нестабильны н по расходу, ни по компонентному составу. Создание факельных горело! обеспечивающих стабильное горение в условиях воздействия ветра, пере менных расходах и колебаниях состава попутных нефтяных газов с понр женными вредными выбросами, потребовали также пересмотра традициог ных схем.

Решение вышеперечисленных проблем возможно достижением прс дольно-поперечного секционирования зоны горения, что позволит создат стабильные условия для осуществления процесса в широком диапазоне и: менения производительности по жидкому и газообразному топливу при зш чительном колебании его состава.

Ранее известные топливосжигающие устройства на газообразном тоши ве с микрофакельными горелками показали значительные их преимуществ: низкие гидравлические потери, пониженную неравномерность температурнс го поля на выходе, увеличение ресурса камеры, уменьшение габаритов каме сгорания и удобной их компановки, возможность стабильной работы при пе ременных значениях коэффициента избытка воздуха, низкая токсичност продуктов сгорания при высоких форсировках огневой зоны.

Поэтому исследование научных основ и принципов реализации микрс факельного горения в конкретных технических устройствах, использующи жидкие топлива или ПНГ открывают новые возможности улучшения техш ко-экономических и экологических показателей топливосжигающих уст ройств в различных отраслях хозяйства и определяет актуальность работы.

Цель работы. Разработка научно-обоснованной методологии создани новых и совершенствование действующих топливосжигающих устройств н основе организации микрофакельного горения с улучшенными технике экономическими и экологическими показателями, стабильно работающих широком диапазоне изменения производительности и состава жидкого и ге зообразного топлива, методов их расчета и проектирования, а также опытне промышленная апробация и реализация эффективных конструкций в прс мышленность.

В соответствии с поставленной целью, достижение которой связано изучением сложных процессов химического превращения, теплообмена, а; родинамических явлений решались следующие задачи:

- разработать и исследовать конструктивные схемы эффективных мик рофакельных систем для камер сгорания ГТД на различных видах топлива;

- провести экспериментальные исследования камер сгорания с микрофа кельными фронтовыми устройствами (МФФУ) и изучить особенности изме нения характеристик камер сгорания от режимных параметров;- исследовать конструктивные и аэродинамические режимные парамет

ры на стабилизацию процесса горения за микрофакельными устройствами обеспечением минимизации гидравлических потерь;

- разработать методологию выбора конструкции микрофакельного уст ройства (МФУ), обеспечивающих эффективное сжигание различного вид топлива;

- разработать методику расчета камеры сгорания ГТД с микрофакель-шми фронтовыми устройствами;

- разработать и исследовать конструктивные схемы микрофакельных го-зелок для сжигания нефтяных попутных газов;

- определить влияние геометрических и аэродинамических параметров 'орелки на эффективность сжигания ПНГ в микрофакелыюй горелке.

Основная идея и внутреннее единство работы. Основополагающей вдеей диссертационной работы является разработка топливосжигающих уст-гайств с микрофакельным горением с улучшенными технико-жономическими и экологическими параметрами, стабильно работающих в ыироком диапазоне изменения производительности и значительных колеба-шях состава жидкого и газообразного топлива.

Полученные в работе научные результаты по гидро- и аэродинамике, те-то- и массообмену, распределению температуры в зоне горения за микро-закельными устройствами, механизму образованию токсичных газов и дру-ие явились основой для обоснования выбора рациональных режимных и инструктивных параметров, разработки методики расчета, практических ре-омендаций по проектированию и эксплуатации промышленных топливос-сигающих устройств с микрофакельными горением.

Научная новизна. На основе научных и экспериментальных исследова-ий создана методология разработки и расчета конструкций высокоэффек-ивных микрофакельных систем сжигания жидкого и газообразного топлива выбора рациональных режимных параметров эксплуатации топливосжи-ающих устройств.

При этом впервые:

- показано, что комплексное использование явлений самоорганизации и жекции, принципа продольно-поперечного секционирования для осуществ-ения процесса горения позволит прогнозировать разработку нового класса икрофакельных топливосжигающих устройств с широким диапазоном эф-ективной работы;

- раскрыта физическая картина образования гомогенной системы, дви-ения ее по каналам лопаток и сопел, на основе которой выявлены условия пя автономности работы дискретно расположенных источников горения и ша оценка равномерности подачи топливовоздушной смеси (TBC), позволите определить оптимальные радиальные шаги размещения микрофаке-зв;

- выявлены закономерности стабилизации факела горения и формирова-1Я наружного профиля пламени, исходя из которых аналитически получено завнение для расчета степени загроможденности сечения топливосжигаю-их устройств;

- введен коэффициент микрофакельности горения, устанавливающий аимосвязь между уровнями полноты сгорания топлива, степени неравно-;рности температурного поля на выходе из камеры сгорания и выброса ток-[чных оксидов азота, и позволяющее оценить совершенство конструкции пливосжигающих устройств;

- определено регулируемое температурное поле на выходе из камеры сгорания, позволившее получить апроксимирующие зависимости его от состава топливовоздушной смеси и конструктивных параметров двухярусной форсунки;

- разработана теоретическая модель микрофакельного сжигания попутного нефтяного газа, на основании решения которой определены поля скоростей, температуры и концентрации газов вокруг осесиметрично расположенных факел;

- разработаны новые конструктивные схемы микрофакельных топли-восжигающих устройств для сжигания жидкого топлива и попутных нефтяных газов.

Новизна решений, вытекающих из научных положений работы, подтверждены 17 авторскими свидетельствами СССР и патентами Республики Казахстан.

Достоверность результатов работы.

Результаты обладают необходимой степенью достоверности, так ка* основные результаты исследований получены на объектах изготовленны> один к одному:

- в исследованиях камер сгорания ГТД на стендах использовались на туральные топлива, которые применяются при эксплуатации двигателей;

- экспериментальные результаты основных характеристик камер его рания удовлетворительно согласовываются с известными данными зарубеж ных авторов;

- результаты исследования факельных горелок нефтяных месторожде ний подтверждаются сходимостью расчетных экспериментальных данных,; также с результатами промышленных испытаний горелки.

Достоверность полученных экспериментальных результатов такж подтверждается комплексным подходом к исследованиям, дублирование! некоторых измерений, соответствующей точностью системы измерений кон тролируемых параметров и оценкой погрешности измерений и актами н внедрение результатов исследований.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики расче та конструктивных и режимных параметров микрофакельных топливоежк гающих устройств, которые позволяют принимать рациональные констру» тивные решения и режимные параметры при создании малогабаритных, мне готопливных камер сгорания ГТД и факельных горелок для сжигания ПНГ улучшенными технико-экономическими и экологическими характеристик ми.

Применение микрофакельного сжигания жидкого топлива в камера сгорания ГТД значительно улучшило ее характеристики и на одну треть сс кратило длину камеры.

Показана эффективность микрофакельного горения ПНГ, организавд которого на нефтепромыслах не требует больших затрат.

Разработанную научно-обоснованную методологию совершенствован! действующих и создание новых камер сгорания ГТД и факельных горелок

микрофакельным горением можно использовать при разработке ТСУ различного назначения и областей применения.

Автор защищает:

1 .Методологию организации микрофакельного горения жидкого топлива в камере сгорания ГТД и обоснование возможностей улучшения характеристик камеры: увеличение объемной теплонапряженности, повышение полноты сгорания, гидравлических потерь, неравномерности температурного поля на выходе из камеры и уменьшение образования оксидов азота.

2.Методику расчета основных элементов микрофакельных устройств и основных характеристик топливосжигающих устройств.

3.Технические решения, конструкции их реализации по созданию малотоксичных эффективных камер сгорания, чмикрофакельных устройств для ГТД на жидком топливе и факельных горелок для сжигания ПНГ.

Диссертационная работа является результатом многолетнего труда автора. Материалы, использованные в диссертации, получены самостоятельно и в соавторстве с сотрудниками и аспирантами кафедры "Газотурбинные и комбинированные двигатели" Ml ТУ имени Н.Э.Баумана и Каз НИИ Энергетики имени Ш.Ч.Чокина.

Личный вклад автора состоит в:

- постановке исследований и экспериментальном решении поставленных задач;

- в планировании, организации, проведении экспериментальных исследований, обработке и обобщении результатов исследований, в расчетно-теоретическом обосновании возможностей создания микрофакельных камер сгорания и факельных горелок;

- в технической идее создания конструкций микрофакельных устройств для камер сгорания транспортных двигателей и факельных горелок.

Материалы, включенные в диссертацию, получены автором самостоятельно, либо под его научным руководством.

Реализация работы: Результаты расчетных и экспериментальных исследований микрофакельных устройств камер сгорания ГГД использованы на предприятиях оборонной промышленности (п.я.А-1877, М5641, ПО ГАЗ) при создании перспективных транспортных двигателей. Методика расчета камеры сгорания с МФУ использованы при проектировании камеры двигателя Стерлинга Атрауского института нефти и газа. Результаты разработки и исследования микрофакельной горелки для сжигания ПНГ внедрены на месторождениях НГДУ "Доссорнефть", "Жаикнефть".

Материалы диссертации используются в учебном процессе МГТУ имени Н.Э.Баумана (Москва), Казахской академии транспорта и коммуникаций (Алматы), Южно-Казахстанского государственного университета им.М. Ау-езова (Шымкент), Института нефти и газа (Атырау).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: МГТУ имени Н.Э.Баумана (г.Москва), Институт газа АН Украины (г.Киев), Алматинский институт энергетики и связи, Казгосагроуниверситет, Казахская академия транспорта и

коммуникаций, КазНГУ имени Аль-Фараби, КЖГУ им.М.Ауезова, Институ! нефти и газа (Атырау), Актауский университет им.Ш.Е.Есенова.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию автором опубликовано 54 печатных работ, из них 27 авторских свидетель«] на изобретения и патенты, написаны 10 научно-исследовательских отчетов I под руководством автора защищены 2 кандидатские диссертации.

Объем и структура. Диссертация содержит введение, 6 глав, заключе ние, список литературы, приложения. Диссертация изложена на 237 страни цах, включая рисунки и таблицы, список литературы из 206 наименований I приложении на 29 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научно технической проблемы, основные исходные данные для разработки темь показана актуальность и новизна работы, обозначена цель исследования, ука зана структура и объем диссертации.

В первой главе диссертации представлен обзор и анализ состояния вс проса в области развития транспортных двигателей, особенности процесс горения, принципы конструирования камер сгорания ГТД, причины образе вания токсичных компонентов в их камере сгорания и других топливосж} гающих устройствах. Согласно поставленной цели сформулированы задач исследования.

Дальнейшее повышение габаритной мощности двигателей, улучшени тяговой характеристики, возможность работы на ухудшающихся видах тог лива, снижение токсичности отработавших газов, уменьшение трудоемкост обслуживания и другие проблемы, решение которых затруднено при испол] зовании только двигателей внутреннего сгорания, требуют интенсивное! научных исследований по разработке и внедрению перспективных двигат( лей для машин наземного транспорта, к которым можно отнести: газоту] бинный двигатель ГТД и двигатель Стерлинга, т.е. двигатель с внешни подводом тепла (ДВПТ).

Основные показатели этих двигателей: экономичность, надежность, до: говечность, многотопливность, токсичность прежде всего определяются а вершенством конструкции и работы топливосжигающего устройства, т.е. к меры сгорания (КС).

Организация горения топлива в топливосжигающих устройствах оказ! вает существенное влияние на выполнение основных показателей, предъя ляемые к камерам сгорания транспортных двигателей: коэффициент полнот сгорания (г|г), потери полноты давления на выходе (ст*), неравномерное температурного поля (5); предел устойчивости горения; уровень токсичное: продуктов сгорания (Сщх> СсО> Сснт); многотопливность и др.

В теорию горения значительный вклад внесли Н.Н.Семенс Я.Б.Зельдович, А.С.Предводителев, Д.А.Франк-Каменецкий, Л.Н.Хитри Г.Ф.Кнорре, Е.С.Щетинков, Д.Б.Сполдинг, Ф.А.Вильямс, Г.Хоттел, В. Пом

шцев и др., а также ученые Казахстана: Л.А.Вулис, Б.П.Устименко, ].А.Ершин, Л.П.Ярин и др.

Глубокий анализ процесса горения топлива в топливосжигающих уст-эйствах дали в своих трудах Н.В.Кузнецов, A.B. Талантов, Д.Н.Вырубов, ХЛ.Маршак, Ю.М.Пчелкин, В.А. Христич, Г.Н.Любчик, А.Лефевр, ж.Хейвуд, Н.В.Лавров, В.П.Михеев и др., а в Казахстане: А.Б.Резняков, З.Б. акипов, Б.К.Алияров и др.

Значительные исследования прикладных возможностей микрофакельно-> горения в камерах сгорания ГТД проводятся под руководством следуго-их ученых: А.В.Талантова, В.А.Христича, Ю.М.Пчелкина, В.А.Сударева, .Г.Тумановского.

Вопрос создания высокоэкономичных двигателей тесно связан прежде :его с вопросом совершенствования процесса горения, в то же время уро-:нь теоретических работ в настоящее время не всегда позволяет использо-1ть имеющиеся в этой области сведения для оптимизации процесса горения топливосжигающих устройствах и до настоящего времени не созданы на-:жные методы аналитического расчета камер сгорания ГТД.

Анализ причин образования токсичных соединений в ТСУ показали, что »нечные их концентрации зависят от многих факторов: от аэродинамиче-:их характеристик процесса горения, от условий тепломассообмена в зоне рения, от степени предварительной подготовки топливовоздушной смеси ВС), конструкции горелочных устройств и др.

Так, например, традиционные камеры сгорания ГТД конструировали та-гм образом, чтобы во фронтовой части зоны горения TBC в ней была сте-[ометрической или несколько бедной для облегчения воспламенения смеси, ээтому для удовлетворения предельно допустимым нормам выбросов по :сидам азота и окиси углерода следует удерживать температуру в зоне го-ния в очень узком интервале на всех эксплуатационных режимах, что при-дит к ухудшению других характеристик камеры. С другой стороны тради-юнные камеры сгорания с центробежными форсунками не смогли обеспе-:ть многотопливность из-за трудностей, связанных с засорением топливных налов форсунки смолами.

Камера сгорания современных ГТД должна удовлетворить широкому угу требований, относительная важность которых зависит от типа двигате-. Для транспортных двигателей наиболее значимыми являются:

- близкая к стопроцентной полнота сгорания во всем диапазоне рабочих жимов;

- уменьшение размеров и массы камеры сгорания;

- соответствия фактического и расчетного полей температур газа на вы-де для обеспечения большего ресурса работы камеры сгорания, превы-1ющих ресурс других узлов двигателей;

- обеспечения устойчивого горения в широком диапазоне изменения эр ости и коэффициента избытка воздуха;

- способность работы на ухудшающихся видах топлива;

- простота обслуживания и сборки элементов камеры сгорания;

- низкие гидравлические потери в тракте камеры;

- обеспечение все ужесточающихся норм по токсичности продуктов сгорания.

Невозможность одновременного выполнения вышеперечисленных жестких требований изменениями конструкций традиционной камеры сгорания привели к поиску новых способов организации сжигания топлива: каталитическое, гомогенное и зонное.

Катализ позволяет окислять топлива при температурах значительно ниже, чем в традиционных камерах сгорания.

Основная трудность в разработке каталитических камер сгорания объясняется отсутствием дешевого и эффективного катализатора, а также проблемой повышения ресурса работы известных катализаторов. Недостатками каталитических камер является возможность самовоспламенения топлива перех каталитической решеткой и перед запуском необходим прогрев катализаторе до температуры его активации.

В гомогенной камере сгорания возникают сложности с пуском и в обеспечении надежной работы камеры на обедненных смесях. Недостатком гомогенной камеры является опасность теплового разрушения топливоиспари-тельных трубок, т.к. они находятся в зоне горения.

Кроме этого и каталитическая, и гомогенная камеры сгорания избирательны и чувствительны в работе при использовании различных видов топлива.

Зонное горение предполагает организацию процесса горения в ряде дис кретных зон, причем могут использоваться осевое, радиальное и окружное расположение зон. Наибольшее распространение имеет осевое или ступенча тое расположение зон горения. Двухступенчатые камеры сгорания нашли хо рошее внедрение в авиационных двигателях, но чрезмерное увеличение осе вых габаритов оказались неприемлимыми для двигателей наземного транс порта.

Разновидностью зонного горения является микрофакельный принциг сжигания топлива, т.е. дробление факела на отдельные микроочаги как в ра диальном, так и в окружном направлениях, что увеличивает поверхность \ объем фронта горения.

Такая схема использована в известных многофорсуночных камерах его рания, где множество вихревых горелок-модулей расположены равномерш по нескольким концентрическим окружностям, причем каждая микромо дульная форсунка имеет устройство для подачи топлива, турбулизатор и ста билизатор пламени. В такой камере сгорания не существует сколько-нибуд] определенных границ между первичной и вторичной зонами, как это имел< место в традиционных камерах. Очевидным преимуществом такой схемы яв ляется возможность уменьшить примерно на 30% длину камеры. К числ; недостатков следует отнести многократное увеличение числа форсунок сложность системы подвода топлива к модулям, большое влияние техноло гических отклонений на работу камеры сгорания и повышение гидравличе ских потерь.

Наиболее разработанным способом микрофакельного сжигания газа в топливосжигающих устройствах является известный в практике газотурби-ностроения струйно-стабилизаторный метод. Характерной особенностью струйно-стабилизаторных фронтовых устройств является свойство саморегулируемости и практически полное заполнение рабочего объема микрофакелами.

В то же время следует отметить влияние размеров и размещения стабилизаторов на окружную неравномерность температурного поля и ухудшение характеристик при сжигании жидкого топлива. Другой способ реализации микрофакельного сжигания природного газа (зонное горение с окружным расположением зон) имеет камера сгорания с поперечно-циркуляционным цвижением замкнутой системы торообразных вихрей за кольцевыми горелками-стабилизаторами, обтекаемыми воздушными струями с чередующейся закруткой. Интенсификация тепло- и массообмена, характерная для данной :хемы горения улучшили технико-экономические и экологические характе-зистики камер сгорания стационарных ГТУ.

Вместе с тем, реализация такой схемы для малогабаритных камер сгора-тя сопряжена с трудностями и особенно при сжигании жидкого топлива: ювышенными требованиями к технологии производства и сборки, а также /величение металлоемкости.

Большие потери попутных нефтяных газов в Казахстане с развивающей-:я нефтяной и газовой промышленностью связаны с необеспеченностью нефтяных промыслов сооружениями по сбору, переработке и транспортировке тефти и газа. Отличительной особенностью ПНГ нефтяных месторождений [Вляется нестабильность его расхода и состава в процессе добычи нефти. Существующие конструкции факельных горелок: инжекционные; многосо-шовые и горелки, использующие "эффект Коанда" или технологические гриемы, например, впрыск воды или пара, не обеспечивают требуемую эко-югическую обстановку на территории нефтепромысла. Поэтому особую начимость приобретают поиски новых совершенных способов сжигания ТНГ с переменным расходом и составом в факельных горелках. Анализ мно-очисленных конструкций газовых горелок показывает, что при использова-[ии микрофакельного принципа сжигания газа, обеспечивается саморегули-уемость состава сгорающей смеси газа при значительных изменениях коэф-шциента избытка воздуха.

На основании проведенного обзора литературных источников по топли-осжигающим устройствам сформулированы итоговые критерии и задачи, на оторые должны быть ориентированы исследования и разработки по созда-ию новых схем организации микрофакельного горения жидкого топлива и опутного нефтяного газа в камере сгорания ГТД и факельной горелке.

Во второй главе приводится описание разработанных объектов, экспе-иментальных стендов и установок, а также методика измерений и обработка езультатов.

Для реализации преимуществ микрофакельного сжигания жидкого топ-ива в камере сгорания ГТД были приняты четыре схемы конструкций мик-

рофакельных устройств (рис.1), новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами: № 871587, № 1035335, №1135259 и № 1698569.

Все модели вышеуказанных микрофакельных фронтовых устройств обеспечивали предварительную подготовку горючей смеси и рассредоточение, секционирование поверхности фронта горения камеры сгорания и были испытаны в составе штатной камеры транспортного ГТД на экспериментальном стенде совместно с зав.лабораторией МГТУ имени Н.Баумана, к.т.н. Лебедевым В.П.

Особенностью схем рис.1 а) и б) является то, что подготовка топливо-воздушной смеси (распыливание, испарение и смешение) происходит в сме-сительно- испарительной трубе, расположенной концентрично самой МФФУ, а равномерная раздача TBC осуществляется в радиальном направлении по внутренним каналам стабилизаторов. Выпуск TBC идет через отверстия (или щели), расположенные с тыльной стороны плохообтекаемых тех (или турбинных лопаток).

В конструкциях рис.1 в) и г) распыливание топлива происходит в высокоскоростной воздушный поток после входных лопаточных завихрителей что значительно интенсифицирует процесс смесеобразования. Затем TBC через выходные лопаточные завихрители поступает в зону горения.

В схеме г) выходные завихрители выполнены в два яруса с разными уг лами закрутки потока, а в схеме в) в коническом обтекателе выполнено от верстие для поступления горячих газов в зону подготовки TBC при сжиганш тяжелых видов топлива.

Общий вид камер сгорания ГТД на стенде показаны на рис.2 а) и б) Экспериментальный стенд позволяет определить все основные характер» стики исследуемой модели МФФУ и камеры сгорания, а также провести спе циальные измерения в зоне горения через лючки, расположенные по длин< камеры.

Основными элементами стендового оборудования являются: компрес сор типа К-250-61-1 с электродвигателем; пульт управления; газовоздушньп тракт с исследуемой моделью камеры; топливная система; система измере ния температур и давления по газовоздушному тракту; система зажигания система охлаждения выходных патрубков и измерительных приборов, уста навливаемых на выходе камеры сгорания; система продувки сжатым возду хом от микрокомпрессора топливного распылителя; оборудование для отбор; проб газа на анализ и газоанализаторы.

Исследования камер сгорания с новыми микрофакельными фронтовым! устройствами с целью совершенствования в них рабочего процесса и оценю выброса токсичных соединений проводились при следующих диапазонах из менений параметров:

- расход воздуха (GB)... 0,3 5 кг/с

- коэффициент избытка воздуха (az)...2+35

- температура газа на выходе из камеры (ТГ)...853-Ч380К

- скорость на входе воздуха перед фронтовым устройство?

(wB)... 10-80 м/с

Схемы исследованных микрофакельных фронтовых устройств

Жндкк топли5о j

а) A.C. №1698868 МФФУ с уголковыми стабилизаторами.

1 -корпус; 2,12-смесителыю-испари-тельная труба; 3,4,7-каналы подвода TBC; 5-уголковые стабилизаторы; 6-щели выпуска TBC; 8,9,10-донная часть МФФУ; 11-топливный распылитель

f fyoc$paj*cc тспли&о

б) A.C. №1035335 МФФУ с турбинными профилями.

1 -корпус; 2-смесителыю-испари-тельная труба; 3-турбинные лопатки; 4-щели выпуска TBC; 5-топлнв-ный распылитель; 6-камера испарения; 7,8-оребрсния; 9-газовая трубка; 10-завихритель

в) A.C. №871587 Воздушная форсунка-стабилизатор.

I-корпус; 2-топливный распылитель; 3-входной лопаточный завихритель; 4-газовый коллектор; 5,6-топливные трубки; 7-рассека-тель; 8-отверстие подвода горячих газов; 9-конический обтекатель; 10-камера подготовки TBC;

II-выходной завихритель

г) A.C. №1135259 Двухярусное МФФУ.

1 -топливный распылитель; 2-входной лопаточный завихритель; 3-газовый коллектор; 4-конический обтекатель; 5-выходные лопаточные завихрители внутреннего и наружнего ярусов; 6-кольцевые концентрические рассекатели

Общий вид камеры сгорания на стенде

Исследования проводились при сжигании керосина ТС-1 и дизельного топлива (ГОСТ 305-82JI). В отдельных экспериментах использовался этанол и сжиженный газ (пропан).

Анализ погрешностей измерения параметров позволяет сделать вывод о том, что используемая аппаратура обеспечивает получение экспериментальных данных с удовлетворительной точностью (+ 15%).

Для выбора отдельных эффективных элементов микрофакельных фронтовых устройств, в частности, лопаточных профилей для A.C. №1035335 уголковых стабилизаторов для а.с.№1698569 и лопаточных завихрителей для A.C. № 871587 и A.C. №1135259 исследования проводились на экспериментальной установке (рис.3), оборудованной системами для подачи сжиженного газа, а также паров керосина.

Для выбора оптимальных стабилизирующих систем проведены были испытания с системой уголковых и турбинных профилей, а также с форсункой-стабилизатором на перфорированном конусе. Уголковые стабилизаторы имели ширину у основания 20 мм и различные углы раскрытия ß (45°,60°,90°). Для подачи топливовоздушной смеси в моделях имелись отверстия двух типов: симметрично расположенные с каждой стороны в основании по высоте стабилизатора и центральные отверстия. Диаметры и количество отверстий варьйровались в зависимости от типа сжигаемого топлива.

Полые турбинные лопатки имели следующие размеры:

1./, = 32;Д = 34,Ст„ =8;<У = 1,5;е = 120°

2.1, = 32; Я = 37, Стах =6;S = 0,8; £ = 120°

и испытывалась решетка из трех профилей. В ходе экспериментов варьировались шаг и толщина кромки, а также лопатки имели разную форму выпускных топливных каналов на профиле.

Для определения пульсационной составляющей скорости при испытании моделей МФУ, а также для проверки и повышения точности измерения осредненной скорости были выполнены термоанемометрические измерения.

В форсунках-стабилизаторах экспериментальные исследования проводились при сменных входных и выходных завихрителях.

Для исследования моделей факельных горелок с микрофакельными устройствами создана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.4.

Газотопливная система и контрольные приборы по газовому тракту состоят из: емкости со сжиженным пропаном, редуктора, вентиля тонкой регулировки подачи газа, расходомера, микроманометра и др. Кроме того установка включает в себя комплекс измерительных приборов и приспособлении для исследования характеристик газового факела. В качестве моделей микрофакельных горелок использовались схемы конструкции по A.C. СССР № 1765620 и предпатенту PK № 6306. Основными элементами модели являются: конфузор, цилиндрическая камера смешения, диффузор и сменная микрофакельная насадка. Насадка имеет круглую форму диаметром 56 мм, с от-

Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования МФУ

01-источник сжатого воздуха; 02-газовоздушный тракт; 03-газотопливная система; 04-система зажигания; 05-система подачи воздуха в исследуемую модель; 06-измерительная система.

Рисунок 3.

01-газотопливная система; 02-контролыю-измерительные приборы по газовому тракту; 03-модели факельных горелок; 04-измсритсльныс приборы на выходе из модели; 05-система отбора проб на анализ.

верстиями (соплами) различного диаметра и количества, которые располагаются равномерно по насадке.

Третья глава посвящена исследованию геометрических, термодинамических и аэродинамических факторов МФУ на стабилизацию процесса горения и выхода токсичных компонентов.

В основу разработок микрофакельных устройств для сжигания жидкого топлива автором были положены следующие принципы:

- предварительная подготовка топливовоздушной горючей смеси, поступающей в микрофакельную зону;

- многоместная устойчивая стабилизация пламени, обеспечение частичной рециркуляции горячих продуктов сгорания;

- "развитие" зоны горения во всех направлениях за счет явлений самоорганизации и эжекции микрофакелов;

- максимальное увеличение общей поверхности фронта пламени путем продольно-поперечного секционирования;

- организация надежного охлаждения конструкции МФУ;

- обеспечение пониженного среднего уровня температуры факела в камере за счет оптимального распределения воздуха к микрофакелам;

- использование в конструкциях МФУ многоярусности и различных профильных элементов (уголковых стабилизаторов, турбинных лопаток, форсунок-стабилизаторов с перфорированным конусом).

Выбору конкретного микрофакельного фронтового устройства предшествовали расчетные и экспериментальные исследования отдельных микрофакельных стабилизаторов на предел устойчивости горения, на полноту выгорания, на гидравлические потери и неравномерность температурного, поля. На рисунках 5, 6 показаны границы самовоспламенения горючей смеси, пределы устойчивого горения и изменения коэффициента полноты сгорания для различных стабилизирующих элементов микрофакельных устройств.

Обработка экспериментального исследования микрофакельного горения за уголковыми и перфорированными стабилизаторами и турбинными лопатками показала, что связь геометрических и аэродинамических параметров в области устойчивого горения, можно описать следующим уравнением: (1-В)"-' , ,, 1 лч

„|,5 "ЬтЯк^В „ (О

в К ■ зот

где К307. - объем зоны обратных токов; - экспериментальный коэффициент конструкции; В - степень загромождения сечения; / - площадь поперечного сечения, ц>в- скорость набегающего потока, кт- коэффициент, характеризующий интенсивность турбулентности набегающего потока.

Оптимальная степень загромождения должна быть определена с учетом коэффициента полноты сгорания и гидравлических потерь. Пределы устойчивого горения увеличиваются: при уменьшении скорости набегающего потока; при увеличении характерного размера и коэффициента гидравлического сопротивления стабилизатора. А также устойчивость горения повышается

Границы самовоспламенения горючей смеси и стабилизации пламени на турбинных профилях

т, к

. Ьо-.....

-л ^яь? г......и

W»m/c

• О вариант-); 1 „_ граничная кривая стабилизации

iv, о ф -v. e -vi!!, ▲ а-xi, ад -xvii

кривая самовоспламенения

г

0.S 0,8 0,7

0.6 0,5

Рисунок 5.

Зависимость коэффициента полноты сгорания топлива за уголковыми стабилизаторами

ü- 1 о- г

1 1- 3 •- 4

г*.

а)топливо - керосин Выпуск TBC через симметрично расположенные отверстия с тыльной стороны

1- WB=10м/с; 2- Wb=20m/c; 3- Wb=30m/c; 4- W„=45M/C. ß=60°

i

i

3,95

0,9

0,85

0.8

0,75

J- V. 0- 1 O-2

% *- 3 i

4 'S

К 1

б)топливо - пропан Выпуск TBC через центрально расположенные отверстия с тыльной стороны 1- Wb=20m/C; 2- Wb=20M/C; 3- Wb=40M/c; 4-Wb=40M/C. ß=60°

при улучшении распыливания топлива. Для оценки совершенства микрофакельного устройства выявлен коэффициент микрофакельности (кц) через взаимосвязь между уровнями полноты сгорания топлива, выхода токсичных оксидов азота и степени неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания:

>1г ~к^(\-ССпНт -0,232Ссо); (2)

Ст = "Аехр[/(Г.)]• Я" ■ г ; (3)

¿ = з

К',ф)Г'в 1пр>

^Г тах Тг

Т'

ср

(4)

При проектировании микрофакельного устройства важно правильно выбрать его геометрические размеры и аэродинамические режимные параметры с учетом современных требований для конкретного типа двигателя и его назначения. Все вышесказанное приводит к необходимости решения комплексной задачи в выборе параметров МФУ. Поэтому в схему расчета камеры сгорания ГТД вводится сначала блок предварительного выбора МФУ и расчет его размеров.

Результаты экспериментальных исследований элементов стабилизирующих систем МФУ явились основой расчетно-конструкторских параметров камеры сгорания с МФФУ промышленного образца.

В результате экспериментальных исследований найден рациональный вариант размеров ВФ и отверстий перфорированного фронта камеры сгорания. Углы установки входного лопаточного завихрителя рвх=40° и выходного Рвых=30° , обеспечили основные характеристики камер сгорания и низкий выброс С>;о< 100 млн."1. В проведенных исследованиях составили: полнота сгорания т]г=0,98+0,995, потери полного давления аг = 2,5 + 3.,3 %, неравномерность температур газа на выходе из камеры 5 не более 14%, выброс оксидов азота не превышал Сш< 70 млн."1 (2,7 г/кг сжигаемого топлива) при значениях суммарного коэффициента избытка воздуха аъ =1,5+7,0. Удовлетворительная работа КС с "воздушной" форсункой имело место при соотношении 0,8, где а - коэффициент избытка воздуха, идущего через форсунок

<у, а а, =аф+апср - коэффициент избытка воздуха в зоне горения, апер- коэффициент избытка воздуха поступающего через перфорацию жаровой трубы. Три уменьшении аф до 0,35+0,45 предел устойчивой работы КС по а г рас-пиряется до 35+45. Только за счет рациональной перфорации удалось выброс азота снизить до 45 млн."1 (1,8 г/кг сжигаемого топлива), а выброс окиси /глерода не превышал Ссо<0,02%.

Работа камеры сгорания с МФФУ с турбинными лопатками в исследо-¡анном диапазоне режимных параметров а£=3+12 характеризовалась сле-(ующими показателями: полнота сгорания г|г=0,97+0,995, потери полного

АР

давления а* =-= 1,5 + 2,8%, неравномерность температуры газа на выходе

Рвв

камеры 8=8+14%. Теплонапряженность объема огневой камеры составляла Ну= 1000+8000 кДж/м3ч Па. С увеличением скорости потока на входе камеры (более 50 м/с) полнота сгорания была не ниже 0,99 в диапазоне а£=5-И2 при более равномерном поле температур.

Существенную роль играет предварительное испарение и смешение топлива и воздуха, что имело место в исследуемом фронтовом устройстве, а также равномерная подача горючей смеси по высоте регистра.

Четвертая глава посвящена дальнейшему совершенствованию камер сгорания ГТД, потребовавшей разработки многотопливной горелки, которая обеспечила бы эффективное сжигание топлив и уменьшение выбросов загрязняющих веществ (СО, СпНт, N0*) во всем эксплуатационном диапазоне режимов двигателя. С этой целью была разработана новая конструкция микрофакельного устройства (двухярусная горелка), которая позволяет организовать процесс горения в ряде дискретных зон, т.е. микрофакельное горение. В данном случае имеет место радиальное расположение зон. В двухярусной горелке использовано предварительное смешение топлива с воздухом и зонная подача горючей обедненной смеси в зону горения, т.е. основная масса воздуха подается через фронтовое устройство. В проведенных экспериментальных исследованиях коэффициент избытка воздуха внутреннего яруса горения изменялся в диапазоне афв = 0,61 + 1,84, а коэффициент избытка воздуха наружного яруса <Хф.„. от 1,34 до 2,64. В качестве топлива использовались авиационный керосин ТС-1 и дизельное топливо. Проведен анализ результатов испытания двухярусной пневматической форсунки (горелки) в составе штатной камеры сгорания ГТД ГАЗ-99В.

Зависимость коэффициентов полноты сгорания топлива г)г = /(«£ ) при

различных режимах работы форсунки представлена на рис.7. При этом кривые 1 и 2 соответствуют различным режимам работы форсунки. Кривая 1 получена при работе двухярусной форсунки, когда топливо подается в оба яруса (режим А). Кривая 2- при подаче топлива только во внутренний ярус форсунки, режим В. Исследовались такие режимы работы при подаче топлива только в наружный ярус (режим С). Однако в этом режиме высокая полнота сгорания достигалась лишь в отдельных случаях, и, в целом, этот режим работы характеризовался неудовлетворительными показателями.

Следует отметить, что характер зависимости % = /(«£ ) для режимов

работы А и В существенно различен.

Положительной конструктивной особенностью двухярусной "воздушной" форсунки является то, что при работе в режиме В поступающей в зону горения закрученная струя топливовоздушной смеси внутреннего яруса подхватывается, "экранизируется" потоком воздуха с меньшим параметром закрутки, поступающим через наружный ярус. Формирование специфической структуры течения в первичной зоне камеры сгорания препятствует попаданию крупных капель топлива в холодные приемные области камеры сгорания

и обеспечивает высокую полноту сгорания г|г>0,98 значительно объединенной топливовоздушной смеси в широком диапазоне изменения по аф, = 0,61-=-1,84.

Зависимость полноты сгорания от суммарного избытка воздуха 1.0

0.9

0.8

0.7 0.6 05

1 3 ч 5 6 7 8 э 10 11 12 13 14 15 оСг

1-е - при работе двух ярусов, режим А, 2-о - при работе внутреннего яруса, режим В

Рисунок 7.

Ранее по исследованию одноярусной воздушной форсунки были опреде-ены оптимальные геометрические параметры форсунки, позволяющие дос-игать высокие основные характеристики камеры сгорания, поэтому основ-ое внимание было уделено исследованию работы двухярусной форсунки в ежиме А. Зависимость полноты сгорания топлива от суммарного коэффици-нта избытка воздуха при работе камеры сгорания в режиме А, представлена а рис. 8.

Для удобства анализа полноту сгорания на выходе из камеры сгорания редставим как сумму полноты сгорания общего расхода топлива, приходя-(ихся на внутренний и наружный ярус форсунки, т.е.: Лг= ЗзЧгв+ЯнЧгн (5)

где §1=От/От1 - относительный расход топлива через соответствующий зус форсунки;

Г|п - полнота сгорания топлива для соответствующего яруса.

Исследуемая двухярусная форсунка была спроектирована таким обра-ад, что расход топливовоздушной смеси через наружный ярус форсунки со-авляет -70% суммарного расхода топливовоздушной смеси. Таким обрам, влияние на суммарную полноту сгорания изменения т)рн доли топлива, ютупающего через наружный ярус более чем в два раза существеннее, чем

изменения Г|гв- Как будет показано при анализе последующих экспериментальных зависимостей, именно качество топливовоздушной1 смеси, формируемой наружным ярусом, во многом определяет общий характер зависимости ?7г =/(аг).

В данной конструкции форсунки раздача топлива в наружный ярус осуществлялась через периферийную или осевую кольцевые топливные форсунки. При этом из-за технологических и конструктивных сложностей осевая кольцевая форсунка была выполнена не в виде обычного кольцевого коллектора с равномерной раздачей топлива, а в виде коллектора с последовательной раздачей топлива по длине. Как известно в такой конструкции происходит уменьшение расхода среды через отверстия по длине форсунки, т.е. наблюдается неравномерная раздача топлива по сечению наружного яруса. Указанный недостаток особенно сильно проявляется при работе форсунки на переменных режимах.

Так при увеличении аг за счет уменьшения Gx.iL наружного яруса происходит неравномерное снижение дальнебойности топливных струй по сечению канала наружного яруса.

Зависимость полноты сгорания топлива от суммарного коэффициента избытка воздуха. Режим А

!<■ ю

0.9 0.3 0.7 06 0.5

3 3.5 4 5.0 5.5 6 ¿г

О рВЫХв= 60° , рвыхн= 25°, Ст„г=2,15 кг/с 0 Рвь,хв= 30° , Рвыхк-250, Ств£=2,1 кг/с

Рисунок 8

При этом визуально наблюдались процессы периодического поджиганш топливовоздушной смеси, поступающей через наружный ярус,, и, как следствие, в целом вибрационное горение в камере сгорания. Предпринятое в дальнейшем увеличение проходной площади последних отверстий топливногс коллектора позволило расширить диапазон работы с высокой полнотой его рания до а1я! 7 , а также существенно снизить как радиальную, так и окруж ную неравномерность температурного поля.

Как показали экспериментальные исследования, т]г топлива в камере сгорания с двухярусной форсункой определяется не только углами установки лопаток выходных завихрителей внутреннего и наружного ярусов, но и составом топливовоздушной смеси формируемой форсункой, то есть значениями (Хф1 соответствующих ярусах форсунки.

В двухярусной форсунке в зависимости от работы могут быть реализованы следующие режимы изменения состава топливовоздушной смеси:

1. аф.в =const 0Сф.н =var az (/') = var

2. аф.„= var aiH= const aL(fr')= var

3 .аф.в = var аф.„ =var az {f'r) = const

При этом исследование работы камеры сгорания по режимам 1 и 2 представляет интерес с точки зрения выбора оптимального режима и составов топливовоздушной смеси на переменных системах, а по режиму 3 - при работе как на переменных, так и на расчетных режимах.

Экспериментальная зависимость коэффициента полноты сгорания топлива при изменении состава по режиму 1 представлена на рис.9. Следует отметить, что между знаками аф.в. и аф.н. существует определенная зависимость. Так высокие значения г)г при аф.в=0,82 достигаются при значительном объединении топливовоздушной смеси наружного яруса, а увеличение аф.в. до 1,6 требует соответствующего снижения аф.н..

Зависимость коэффициента полноты сгорания топлива от аф.„. при a4.B.=const

V 1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

1.3 IS 1.7 '-9 2.1 2.3

рвых.в-=60°

Рисунок 9.

На рис.10 изображена зависимость Г)г топлива при изменении состава меси по режиму 2. Как видно, при значительном объединении наружного

яруса, (Хф „. =2,5 высокой полноты сгорания топлива (г|>0,98) можно достичь лишь при "богатом" составе смеси внутреннего яруса, ссф.„. » 0,8. При этом диапазон изменения а весьма низкий 0,75 -0,86.

Зависимость коэффициента полноты сгорания топлива от аф.„. при a4.0.=const

1.0 0.9 0.8 0.7 06 05

0.6 0.8 1.0 12 1А 1.6 cCyg

Рисунок 10.

Как и в случае регулирования по режиму 1 диапазон оптимального изменения значительно расширяется от 1,06т1,55 при уменьшении осф,, до 1,6.

Результаты экспериментального исследования работы камеры сгорания при регулировании состава смеси по режиму 3 представлены на рис.11.

Интервал изменения коэффициентов избытка воздуха составил йф.в =0,61-¿-1,84, схф ,, =1,34+2,64. Как видно при работе на «4 высокая

полнота сгорания топлива (т)г >0,98) достигается в широком диапазоне изменения составов топливовоздушной смеси по ярусам а.ф.в./ a$.B.=0,4-rl,l.

Работа на переменных режимах (az = 4 ) сокращает этот интервал до 0,7 •г- 1,07, в случае обогащения и до 0,4-т- 0,9 в случае объединения суммарного состава смеси относительно.

Обобщенные регулировочные характеристики (по составам) двухярусной "воздушной" форсунки для Г)г >0,98 представленной на рис.12.

Видно, что для форсунки существует как область составов топливовоздушной смеси, в которой возможно регулирование только по режиму 0Сф в =const и а ф.„ =const, так и область (центральная), в которой возможно регулирование по обоим этим режимам. Следует отметить,-что большая часть оптимальных составов лежит в "бедной" области, и для них значительно шире диапазон возможных изменений, чем для составов с "богатой" смесью внутреннего яруса.

Г у к «

/ г \ \ ч

/ \

При отклонении суммарных составов режимного как в сторону обеднения, так и сторону обогащения диапазон изменения безразмерного параметра т=0Сф_в/ аф.„. остается примерно постоянным, тогда как качественный состав топливовоздушной смеси меняется в диаметрально противоположном направлении.

Зависимость коэффициента полноты сгорания топлива от m при аг = const

Рисунок 1 1.

Таким образом, при составах топливовоздушной смеси характеризующихся "богатой" и "бедной" смесями внутреннего и наружного ярусов, камера сгорания имеет узкий диапазон регулирования, особенно при изменении состава по режиму 2. Это связано со значительным обогащением топливом зоны обратных токов и неэффективным процессом смешения, протекающем в системе распространяющихся коаксиальных потоков с одноименной закруткой. Диапазон оптимальных составов смеси существенно расширяется при изменении коэффициентов избытка воздуха до значений 1,06*1,55 для внутреннего и 1,5*2,05 для наружного ярусов соответственно, что является характерным для микрофакельных сжигающих устройств.

Так как через двухярусную "воздушную" форсунку в зону горения поступало до 50% от общего расхода воздуха, то с целью получения допустимых потерь давления в камере транспортного ГТД была выбрана схема одноименной закрутки потоков во входных и выходных завихрителях.

Для изучения влияния углов установки лопаток двухярусного завихри-геля на основные параметры камеры сгорания проведены испытания со следующими углами выходных завихрителей:

Рвых.в-=300,45°,600, - выходной завихритель внутреннего яруса;

Рвых.в-=25°,30°,45°, - выходной завихритель наружного яруса;

При этом испытывались варианты как с отношением углов рвьк в <рвь так И рвых в >Рвых Н •

Регулировочная характеристика двухярусной " воздушной" форсунки

1.8

1.6

1М

12

1.0

0.8 06

1.3 1.5 1.7 !.9 2.1 2.3

— - изменение состава т.в.с. по режиму а,|) в = const ¡К - по режиму аф.н. = const Рисунок 12

Как показали экспериментальные исследования варианты форсунки с углом установки лопаток выходных завихрителей рвыхв <рВЬ1Х.„ в частности 30°/45°, не позволяют реализовать качественный рабочий процесс в камере сгорания. Образующаяся при таком сочетании углов неэффективная аэродинамическая структура течения в первичной зоне приводит к низкой полноте сгорания топлива (т)г<0,9), чрезмерному дымлению, неустойчивому процессу горения, трудностям при пуске камеры сгорания.

Более эффективными являются варианты с углами рВЫх.в >Рвых.н • При этом для всех исследованных комбинаций углов установки лопаток выходных завихрителей чем больше разница между углами Рвых.в и рвых и, тем более эффективнее работа камеры сгорания.

Таким образом, высокой полноты сгорания топлива -на выходе из камер сгорания с двухярусной "воздушной" форсункой можно достичь уже при значениях Рвых н =25°-^30° , а для внутреннего яруса рвых.„ =45°-ь60°. При этом

ем больше значение Д0ВЬ1Х., тем шире диапазон работы камеры сгорания с ысокой полнотой сгорания г|г.

Большое внимание при проведении экспериментальных исследований ыло уделено вопросам токсичности продуктов сгорания, в частности, выбро-ам оксидов азота, как наиболее токсичных компонентов.

Как показали проведенные эксперименты, микрофакельные принципы кигания топлива, примененные при разработке многоярусной "воздушной" орсунки и предусматривающие рассредоточенные зоны горения по сечению шеры сгорания, сжигания "бедной" топливовоздушной смеси, обеспечили эниженную эмиссию Шх в камере сгорания транспортного ГТД.

На рис.13 представлена зависимость N0, =/(а, ) для двухярусной "воз-^шной" форсунки в сравнении с другими видами МФУ. Как видно из ринка, эмиссия оксидов азота сильно зависит от состава топливовоздушной «еси (значений Оф.,.афл) формируемой форсункой. Причем эта зависимость ¡еличивается с уменьшением а1: .

Зависимость образования выхода оксида азота для различных МФУ

Сцох [рря]

□ - одноярусная ВФ - С МГТУ (керосин ТС-1) А - струйно-стабилизаторная горелка КПИ (природный газ) + - микрофакельное фронтовое устройство МГТУ (керосин ТС-1) • - горелка со встроенно-закрученными струями ВТИ (природный газ) о - двухярусная воздушная форсунка (керосин ТС-1)

Минимальная токсичность продуктов сгорания была достигнута пр! значениях (Хф.в =1,31*1,6, .аф „= 1,58*1,7. В этом случае на расчетных режима? (аг » 4) содержание оксидов азота в продуктах сгорания при сжигант

керосина ТС-1 не превышает Ско< 20 млн'1.

Наибольшая эмиссия >Юх была получена при работе на топливовоз душной смеси с аф,в.®1* 1,12 и аф.н=2,22.

Как известно, максимальная скорость образования оксидов азота пр! аСм=1-=-1.1> поэтому даже, несмотря на значительное обеднение наружной яруса, эмиссия N0* на расчетном режиме в этом случае больше, чем для од ноярусной "воздушной" форсунки.

Дальнейшее уменьшение коэффициента избытка воздуха внутреннеп яруса форсунки ((Хф.в=0,8) приводит к тому, что суммарное количество обра зующихся оксидов азота снижается. При этом объем зон с составом смеа асм= 1 *1,1 так же значителен, однако временный интервал, необходимый дл достижения стехиометрических составов, обеспечивает выгорание топливо воздушной смеси в зонах камеры сгорания с большим, чем в предыдуще! случае, значениями коэффициента избытка воздуха в первичной зоне ось

Взаимодействием этих двух конкурирующих процессов определяютс численное значение концентрации N0* и различная интенсивность е уменьшения при росте ах .

Таким образом, наименьшая концентрация ЫОх в продуктах сгорани достигается при следующем составе топливовоздушной смеси в форсунке:

афв=1,3*1,6, аф.„ = 1,58*1,7.

Одной из задач, ставившихся при разработке многоярусной "воздушной форсунки было создание горелочного устройства, позволяющего получат контролируемое, регулируемое температурное поле на выходе из камер! сгорания при низкой степени неравномерности температурного поля.

Для прямоточной цилиндрической камеры сгорания с двухярусной "во: душной" форсункой были получены следующие аппроксимирующие завис! мости степени неравномерности температурного поля на выходе из камер; сгорания: для области составов т=0,1*1,0

£ -1 - ехр - 0,54—^- •

а*.

(6)

для т>1,0

8 = 1 - ехр

-0,54

Д

Я-

-2.27 Л

(7)

Для определения величины параметра состава топливовоздушной смес: обеспечивающего требуемую неравномерность температурного поля и и< пользуемое как конструктивный при проектировании двухярусной форсунк соотношения, приведенные выше, были преобразованы:

где т=аф.в/.аф.„ - безразмерный параметр состава;

5- заданная степень неравномерности температурного поля;

b=f(m) - показатель степени.

Следует отметить, что по сравнению с одноярусной "воздушной" фор-ункой при ш=1 и равных прочих условиях (Сге =idem), величину неравно-ерности температурного поля двухярусная форсунка позволила получить 5 пределах 5+6,2%.

Таким образом, двухярусная "воздушная^' форсунка удовлетворяет са-ые жесткие требования по параметру 8 и позволяет получить контролируе-ое и регулируемое температурное поле газа на выходе из камеры сгорания.

Картина зависимости потери давления при использовании воздушной орсунки с различными углами установки лопаток выходных завихрителей 1ых.в. и Рвых.н аналогична зависимости ст* двухярусного регистра и форсунки : этих геометрических параметров.

Обеспечить допустимый уровень потери давления в камере сгорания )и работе на режимах номинальной мощности удалось при использовании эрсунки с углами установки выходных завихрителей: Рвых.в=45°-г600;

25°-30°

:,:\ ii —' JKJ .

Поэтому, по результатам исследований, влияние углов pBUXB. и (Звых.„. на шноту сгорания топлива Г|г, температуру Тст, степень неравномерности мпературного поля 5 и относительные потери полного давления с* для льнейших исследований был выбран наиболее оптимальный вариант двух-усной "воздушной" форсунки с углами установки лопаток выходных реги-ров: рвых.в-=60°; рвь,х.„=30°.

Высокие основные характеристики камеры сгорания достигаются при iax установки лопаток выходных завихрителей Рвых.в. =45°+60° и 1Х Н =250+30° и коэффициентах избытка воздуха в ярусе форсунки на рас-гном режиме аф.в=1,05+1,55, .аф „=1,5+2,05.

Для оптимального варианта "воздушной" форсунки на расчетном режи-были получены: полнота сгорания rir =0,98-0,995; температура стенки = 1200 К; степень неравномерности температурного поля 8 =6,5%; отно-гельные потери полного давления а*=2,5%; концентрация оксидов азота эх < 20 млн'1.

Использование явлений самоорганизации и эжекции, принципа про-гьно-поперечного секционирования для осуществления микрофакельного ения выполнено в МФФУ с уголковыми стабилизаторами, которое обес-[ило эффективное сжигание тяжелых видов топлива.

На начальном этапе испытаний отрабатывались режимы надежного вос-менения в камере сгорания, являющиеся важной характеристикой при рае в составе ГТД. Пусковые характеристики камеры сгорания определи-

лись с использованием двух систем воспламенения факельной и электроне кровой.

В качестве факельной использовалось воспламеняющее устройство дви гателя ВК-1. В качестве основного и пускового топлива вначале использс вался керосин ТС-1. Пусковая характеристика камеры сгорания (рис.14 А получена в следующих диапазонах рабочих параметров: массовый расхо воздуха, идущего через камеру Св=0,12...0,88 кг/с, массовый расход топлив Ст=0,011...0,36 кг/с, суммарный коэффициент избытка воздуха а£=0,35...2,< В целом пуск камеры сгорания характеризовался коротким периодом вое пламенения (т=1 или 2с) и мягким процессом зажигания топлива основно горелки без резкого увеличения давления газа в объеме камеры.

Пусковая характеристика камеры сгорания с МФФУ с уголковыми стабилизаторами

А) Факельное зажигание

При электроискровом зажигании оказалось важным местонахождение и эасположение электродов свечи поверхностного разряда ОЭ-15. Таким мелком оказался периферийный срез внутреннего конуса-стабилизатора МФУ. Испытания электроискрового зажигания осуществлялась при 0В=0,05...0,135 <г/с,Сгг=0,018...0,022кг/сиаг=0,16...0,6(рис.14Б).

Диапазон пусковой характеристики камеры сгорания с электроискровым (ажиганием оказался существенно меньшим, чем при использовании факель-юго воспламенителя. В условиях эксплуатации ГТД электроискровое зажимание более удобен и надежен, но процесс более сложен и малоизучен. Потому для расширения зоны электроискрового пуска камеры потребовалось 1ереход к воспламенительным системам с увеличенной насыщенной мощно-:тью разряда (до 8...10МДж), что одновременно позволило сократить время 1уска (при работе со свечой СП-15 т=3...5 е.).

Результаты предварительных испытаний камеры сгорания при сжигании :еросина в виде зависимости Лг=^с1х) представлены на рис.15, из которого «дно, что форсирование камеры по расходу воздуха неоднозначно сказывается на полноту выгорания топлива (кривые 1,2,3).

Зависимость коэффициента полноты сгорания от

Чг '

0.9 08 0.7 0.6

5-. Ь'

ч

1 ц\ V 1

* 1 V \

1 \ \

г 4 в в го сС^

1- Св=0,65 кг/с; \УВ= 40 м/с ; 2- (Ъ=1,1 кг/с; \Ув=60м/с; топливо-3- Ов=1,45кг/с; \¥в=70м/с; 4-Ов= 0,5 к/с; \УВ=50 м/с; керосин 5- Ов= 1,2 кг/с; \УВ=62 м/с; дизельное топливо

Рисунок 15.

Оптимальным расходом, обеспечивающим значения г|г=0,96...0,97 при 2=3,0...3,8 и температуре газа г; = 1300... 1050 К явился расход 1,] к/с (кри-я 2). В целом же рост расхода воздуха приводил к смещению характери-ик т|г в сторону обогащения смеси. При этом диапазоне наибольших значе-ш сужался. Предварительные эксперименты показали необходимость [учшения смесеобразования в самом МФФУ. Для этого был уменьшен ко-

эффициент избытка воздуха через МФФУ (афр), за счет раскрытия вторичного тракта. Полнота сгорания в режимах, близких к расчетным при Т=1300...1370 К и ctv=2,6...2,4 составила 0,98...0,99 (кривая 4), GB=1,05 кг/с, WbBX=50 м/с. Но из-за снижения скоростного напора воздуха, идущего непосредственно в МФУ (почти на 10 м/с), ухудшился процесс подготовки смеси в испарительно-смесительной трубке, а это, в свою очередь, сузило область устойчивых режимов работы камеры.

Переход на дизельное топливо, как показал ряд опытов, не показал существенного влияния на характер рабочего процесса камеры сгорания. Наибольшая полнота сгорания дизельного топлива г|г=0,95 была достигнута i предварительных опытах в режиме работы с Gb=1,2 кг/с при Т'г = 1210 К i аг=2,62.

Работа камеры как на керосине, так и на дизельном топливе в целом характеризовалась укороченным факелом, в режимах работы с GB=l,09... 1,; кг/с при работе на керосине Т'. = 700... 1100 К видимая часть факела уклады валась на длине примерно 0,3 м, т.е. полтора калибра диаметра МФФУ. С переходом на дизельное топливо длина факела практически сохранилась.

Для дальнейшего исследования была проведена модернизация (рацио нальное перераспределение а по фронту) для улучшения предварительно! подготовки топливовоздушной смеси, так как топливовоздушная смесь и ка пли топлива выходили в зону горения неравномерно, что было заметно npi вскрытии камеры сгорания.

Для улучшения распределения горючей смеси были уменьшены диамет ры отверстий на стабилизаторах до 1,5 мм для выхода топливовоздушно] смеси. А для устранения прямого попадания топлива в зону обратных токо были несколько увеличены накладки на стабилизаторах. Кроме того, был закрыты крайние отверстия на периферии стабилизатора для предотвращени выноса топлива на стенки жаровой трубы.

Проведенные эксперименты позволили выявить сильную зависимост окружной неравномерности поля температур от равномерности раздачи тог лива по отверстиям выхода топливовоздушного канала (TBK) (рис.16 а и б).

Неравномерность поля температур

т.к ^ / m ч \

( 900 V

700

1- 500

т,к ml Z' |—

jff m

i ^ 700

И/т 93 а. 69 S3 о 53 бэ б! S3 я.кн К,нн 93 82 69 53 0 53 63 82 9}\нц

а) ах=3,9 Г|г=0,935 диаметр TBK =2,5мм б) az=3,95 т|г=0,988 диаметр TBK =1,5

В целом, проведенная доводка в условиях лаборатории позволила лучшить диапазон экономичной работы камеры сгорания. Удалось добиться ,остаточно высокой полноты сгорания топлива, которая составила в иапазоне по а^=2,5...б значения Г|г=0,99...0,97 при работе на керосине и |г=0,99.. .0,95 при работе на дизельном топливе (рис. 17).

Кроме того, проведенные изменения позволили обеспечить равномерное аспределение TBC по фронту и неравномерность поля температур оставила для режимов близких к расчетным 5= 10... 16% (топливо-керосин) и =13... 18% (дизельное топливо).

Потери полного давления для исследованной камеры сгорания составили а расчетных режимах 1,8...2,2%. Сравнение с другими камерами сгорания же. 18) показывает, что потери полного давления для камеры с уголковыми 1ФФУ значительно ниже, чем для камеры с регистровой горелкой и ^ответствует средним данным по камерам сгорания с другими типами 1ФУ. Это объясняется большей раскрытостью фронта и отсутствием элыних зон обратных токов. Распределение температуры газа на выходе из меры сгорания для различных МФФУ представлены на рис.19.

Экспериментальные исследования камеры сгорания с микрофакельным -.тройством в диапазоне по суммарному коэффициенту избытка воздуха г=3...8 показали, что выброс не превышает CN0<30 млн"1 при работе на росине и Cno<40...45 млн при работе на дизельном топливе (рис.20), ыброс окисей углерода составил 0,01...0,05% при ai=2,5...5. В камере с ФФУ практически отсутствовало образование дыма.

Зависимость коэффициента полноты сгорания от суммарного коэффициента избытка воздуха в камере с уголковыми МФФУ

а) дизельное топливо 1 -Ов=2кг/сек; 2-GB=l,7Kr/ceK

б) топливо - керосин ТС-1 Gn^Kr/ceK.

Рисунок 17.

Это объясняется предотвращением возникновения локальных областей в [е горения, где <1,0. Увеличение расхода воздуха в первичной зоне >1,2) и интенсивное перемешивание его с топливом исключают мление.

Зависимость потери полного давления в камере сгорания для различных МФФУ

_____1 | <

+ —1— 1

- 1 «..._+

во

ВО

1- КС ГТД ГАЗ-99 В;

2- КС с "воздушной" форсункой стабилизатором;

3-КС с МФФУ с турбинными лопатками;

4-КС с МФФУ с уголковым стабилизатором;

5-КС с двухярусной форсункой.

Рисунок 18.

Распределение поля температур газа на выходе из камеры сгорания с различными МФФУ

тг, к

1300

1100? у ¡^1

ип У/ 7м 910 к

у 700 1

А -воздушная форсунка-

стабилизатор; + -МФФУ с уголковым

стабилизатором; о -МФФУ с турбинными

лопатками; о-двухярусная форсунка.

Рисунок 19.

Выброс оксидов азота от а2 в МФФУ с уголковыми стабилизаторами

Сцо,нм'

О -при сжигании керосина • -при сжигании дизельного топлива

Пятая глава посвящена разработке факельных горелок с более высоки-[и экологическими характеристиками, основанных на микрофакельном ринципе организации сжигания попутных нефтяных газов. Баланс добычи и аспределения ресурсов попутного нефтяного газа, а также компонентный остав ПНГ разрабатываемых месторождений на западе Республики Казах-ган, приведенные в приложении диссертации, показывают на нестабиль-ость расхода и состава ПНГ в процессе добычи нефти, которые также раз-ичаются в зависимости от месторождения. Поэтому факельные горелки [НГ должны обеспечивать стабильное горение в условиях воздействия вет-а, переменных расходах и состава попутных нефтяных газов без образова-ия токсичных соединений. А также необходимо определить зависимость пияния геометрических и аэродинамических параметров на эффективность зрения ПНГ.

Рассмотрим случай микрофакельного горения ПНГ при подаче газа из ескольких круглых отверстий. Теплонапряженность объема факела при иффузном горении ПНГ может быть представлена в следующем виде:

где г|г - коэффициент полноты горения, -низшая теплота сгорания НГ, рв- плотность воздуха, ип- скорость нормального распространения по-фхности фронта пламени газа; \¥г- скорость истечения газа; коэффици-гг формы микрофакела.

Заметим, что чем меньше струя ПНГ, вытекающая для горения из отвер-:ия диаметром <1охв, тем выше теплонапряженность микрофакела. А тепло-шряженность объема зоны горения факельной горелки будет определяться учетом взаиморасположения отверстий (сопел) на насадке факельной го-;лки.

При проектировании микрофакельных горелок необходимым является ючет полей скоростей, температуры и концентрации газов вокруг отдель-»IX микрофакелов, которые позволяют определить картину протекания провеса горения.

Теоретическое моделирование микрофакельного сжигания проводится [я случая, когда истечение ПНГ происходит в атмосферу из систем осе-[мметричных сопел, расположенных вокруг центрального сопла (рис.21)

(9)

Расчетная схема расположения сопел микрофакелов

Для расчета поля течения нами использовался метод эквивалентной задачи теории теплопроводности, согласно которому распределение ри1, риАс, риМ в микрофакелах, образующихся при истечении ПНГ из систем оссиметричных сопел радиуса (И), описывается следующей системой уравнений:

дри1 _ 1 3 ( дри2>I ( 1 д2ри2 д^и уду\ ду ) У1 8<ргг дри&с _ 1 8 ( дриАЛ 1 д2 риАс ~~У~ду\ ду )+ у2 дер) ' ЬриЬЛ _ 1 д ( дриА«Л 1 д2 риАг

Ввиду симметрии течения достаточно рассмотреть сектор 0 s <р, < <р0. Физически очевидны такие следующие граничные условия, с учетом которых следует интегрировать систему уравнений (10). Они имеют следующий вид:

^ = = = o (при

д<рг дерг dtp, I

^ = = 0,^1 = 0 (при y = R/2), J при£>0 (11)

dyt 8уг ду, J

puAc = y'lS{y-\)S{yr) l при £=0,

puAi = y-l5(y-myr), J

где 6- функция Дирака: у, фг соответственно продольная, радиальная и угловая координаты.

Система (10) записана для безразмерных величин ри2 = ——

Ро"о

риАс = , puAi = , %=%/R2, y = y/R, причем черточка в уравне

Ро"оДсо Ро"о<Ч

ниях над безразмерными величинами опущена.

Центральную струю рассмотрим как одиночную затопленную струю i осевой симметрией. Расчет осесимметричного факела с равномерным рас пределением скорости, температуры и концентраций сводится к интегриро ванию системы уравнений:

дри2 1 д . дри2 —— =--(у——)

ogu у ду ду

дриАс _1 5 ^ дри Ас ^ (12)

д^с у ду ду dpuAi _ 1 S ^ dpuAi^

д$ уду ду при следующих граничных условиях:

ра2 = 1, риАс = 1, риАх = 1 при 0<у<г/11 "1

ри2 =0,риАс = 0,риА1 = 0 приу>гЛ1 ) при ^=0 (13)

дри2 п ЗриАс „ дриМ -—-->0,—--> 0-->0 приу=0

ду ду ду

приу= Ы2 / при ^>0

ду ду ду

Решение задачи о распределении плотности потока импульса, потока риведенной концентрации и потока избыточного теплосодержания в систе-е струй конечного размера, заданные уравнениями 10 и 12, могут быть поучены путем суперпозиции решений уравнений, относящихся к распростра-гнию одиночной струи, истекающей из сопла заданного диаметра.

Ь, (у, I ,<рг) = Ц (у, 1,<р) + Ц (£, у, рг) (14)

Общее решение системы уравнения 10 и 12 имеет вид:

ь1=(у,^сРг) = ^^¿г^^у^уу,^** +

и=1 К К

+ , (15)

,е Ь|(у,£ьфг) равно ри2, риДс или риДь г- радиус отверстий, м;

Я- расстояния от центра микрофакелыюй насадки до центра переферий-IX отверстий, м;

.Го- функция Бесселя нулевого порядка; 1г функция Бесселя первого порядка; /4" - собственное число функций Бесселя первого порядка; Кр- количество радиальных отверстий в микрофакельной насадке. Используя уравнения (15), можно определить длину зоны горения мик-факелов.При больших значениях степени в экспоненте можно ограничить-первым членом ряда и считаем, что полнота сгорания в конце факелов со-1вляет (98-99%) и по оси микрофакельного насадка у=0 и фг=0.

Тогда прологарифмировав выражение (15)^ получим уравнение для опре-тения длины зоны горения микрофакелов: Я

где Спс -относительная концентрация продуктов сгорания; а, с- экспери-етальные коэффициенты, которые соответственно равны 0,04 и 0,75.

Экспериментальные исследования моделей микрофакельных горелок ФГ) проводились на установке рис.4. В лабораторных условиях была пробна серия экспериментов с целью отработки расчетной модели (преиму-

щественно по распределению температурного поля) и выявления влиянш геометрических размеров и режимных параметров на полноту сгорания и вы

ход оксидов азота.

На основе анализа лабораторных испытаний модели микрофакельно£ инжекционной горелки с различными насадками выявлено существенно! влияние скорости истечения и шага между отверстиями (соплами) на эффек тивность горения. Так, например, для расхода газа уг = 2.67-10 м / с пр] диаметре отверстия <10ТВ=5мм расстояние между центрами 1=15 мм обеспечи ло высокую полноту сгорания п, =0,995, а для расхода V, = 4.62-10 м/с вы сокая полнота сгорания была достигнута при г=20 мм.

Увеличение шага между отверстиями насадки уменьшает образовани оксидов азота. При относительном шаге 1/(1=1,0 концентрация оксидов азот составила См>х=24 млн"1, а при 1/(1=3,0 СКОх« 11 млн"1.(рис.22) Во всех режи мах максимальная концентрация окислов азота наблюдалась в зоне, где горе ние горючей смеси завершается и продукты сгорания имеют максимальну* температуру. При разомкнутом режиме (рис.23) температурное поле боле равномерно по отдельным микроочагам. При нерациональном выборе отнс

-1— может иметь место сомкнутый режим горе

^отв )„„„

ния, т.е. происходит слияние микрофакелов и поля температур по сеченш обьема зоны горения носят сложный характер, а распределение их по сече нию неравномерно. В зоне горения по оси микрофакела имеются два макс* мума температур. Так как на насадке поступает частично подготовленная гс рючая смесь и на начальном участке при сгорает часть газа, находящ! гося в стехиометрическом соотношении с первичным воздухом, а несгоре!

2 .

шая часть смешивается со вторичным воздухом и догорает при —>4. Зависимость выброса СШх от относительного шага микрофакелов.

сительного шага г/с!отв<

Снь.т

-1

30

20

ч Ч

рс 1счет

*

1.

ОТ

- эксперимент; — Рисунок 22.

■ - расчет

Распределение поля температур в сечениях по длине зоны горения микрофакелов (разомкнутый режим)

1)4 = 2; 2)4 = 5; 3)4 = 8; 4)4 = Ю; ^ = 4,62-10-4мЧс

а а а а

Рисунок 23.

Сопоставления расчетных данных с экспериментальными результатами юшо согласуются и отклонение не превышает - 15%. Микрофакельное 1ение обеспечивает высокую полноту сгорания г)г>0,99 в широком диапа-!е изменения расхода газа (рис.24) и значительно уменьшает образование идов азота (СхОх<30 млн"1) . При монофакельном горении выход См0х, со-вило выше 60 млн"1, а полнота сгорания во многих режимах ниже 98%.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования на мо-ях показали: эффективность микрофакельного горения; возможность соз-ия горелок для сжигания ПНГ с более высокими экологическими харак-истиками; рациональные геометрические и аэродинамические параметры. На основе результатов исследования известная методика расчета газо; горелок адаптирована к расчету микрофакельных горелок, которая пошла рассчитать геометрические размеры и характеристики факельных :лок промышленного образца.

Микрофакельные горелки промышленного образца были рассчитаны месторождении НГДУ "Доссорнефть" и НГДУ "Жаикнефть" и один из азцов был дополнительно испытан на месторождении "Ботахан". Резуль-I испытания показали работоспособность МФГ, которая обеспечивала кение оксидов азота на 40*50%, окиси углерода и несгоревших углево-эдов на 60%. Предложенная конструкция обеспечивала организованное

стабильное горение попутных нефтяных газов при скоростях ветра от 1 до ' м/с. Акты внедрения и справка о результатах испытаний конструкции мик рофакельной горелки Западно-Казахстанским центром наблюдений за за грязнением воздуха^ природной среды Казгидромета приложены в диссерта ции.

Распределение концентрации газов по длине микрофакелов

1-Уг=2,62- IOV/c 2-Vr=3,45-10V/c

Рисунок 24.

В новых месторождениях Казахстана (например: "Прорва", "Кумколь" составе ПНГ содержатся соединения серы, которые при сжигании ПНГ обр зуют оксиды серы (S02, S03). Для нейтрализации вредных выбросов щ сжигании серосодержащих ПНГ автором предложена новая конструкция ф кельной горелки, в которой используется двухступенчатое микрофакельш сжигание ПНГ с использованием каталитической камеры между ступеням для улавливания окислов серы. Как для первой, так и для второй erynet сжигания ПНГ используется микрофакельный принцип.

Шестая глава посвящена разработке новых микрофакельных устройс в проектах транспортных двигателей и экологически чистой технологии сб ра и использования попутных нефтяных газов, которые обеспечат более ш рокие возможности внедрения микрофакельного принципа сжигания топли для улучшения экономических и экологических показателей топливосж гающих установок.

На основе теоретических и экспериментальных результатов исследов ний разработаны принципиально новые конструкции микрофакельных гор лок, камер сгорания двигателей, новизна которых подтверждена авторск ми свидетельствами СССР (№1020696, №1035335, №1135259, №114052 №1134756, №1451318, №1432255) и предпатента РК № 6306.

В отличие от традиционных схем особенность новых конструкций явля-гся то, что в микрофакельных камерах сгорания отсутствует разделение ка-еры на зоны горения и смешения, и почти весь воздух подается через фрон->вые стабилизаторы. В аэродинамическом следе микрофакельных устройств эоисходит удержание отдельных микроочагов, поэтому они сами и являют-I стабилизаторами.

В зависимости от назначения и условий работы двигателя подготовка шливовоздушной смеси может меняться. Представленные конструкции 5еспечивают все более возрастающие требования к выбросу вредных ве-еств, а также обеспечивают использование в двигателях топлива ухудшен-эго качества.

Принципиально новым подходом является впервые предложенная схема 1меры сгорания ГТД непосредственно в диффузоре между компрессором и зовой турбиной, что значительно улучшает компановку всего двигателя, энструктивные решения и компановка камеры сгорания защищены ,С.№ 1140522.

Приводятся расчетные параметры МФУ в проектах камер сгорания теп->вых двигателей, проведены сопоставление и сравнение расчетных характе-[стик микрофакельных камер сгорания с ранее известными (Рис.25). В пер-[ективе предлагаемые конструкции могут обеспечить снижение неравно-;рности поля температур перед турбиной до 8%, потерь давления в тракте мер сгорания до 1,5%, образования окислов азота до 20 млн."' при сохране-[и высокой полноты сгорания топлива (т]г=0,995).

За счет рассредоточения и расширения поверхности фронта пламени в де множества микрофакелов в зоне горения в 2...3 раза уменьшается длина меры сгорания и в целом улучшается компановка двигателя.

Микрофакельные горелочные устройства могут обеспечить автомат'иче-ое регулирование соотношения коэффициента избытка воздуха и работать и высоких и переменных избытках воздуха. Это преимущество расширяет зможности применения принципа микрофакельного сжигания в других об-стях промышленности, например, в металлургии и химической промыш-нности для обеспечения заданного поля температур при подогреве мате-алов; в промышленности строительных материалов и в сельском хозяйстве я организации сушки изделий. Разработанные микрофакельные устройства толной мере могут найти свое применение в нефтяной промышленности спублики Казахстан, а, именно, при максимальной утилизации попутного фтяного газа. Ряд крупных нефтяных месторождений Казахстана сильно цалены от жилых поселков и обслуживание их ведется вахтовым методом, 'этому предлагается автономное обеспечение нефтепромысла тепловой и :ктрической энергией, за счет экологически чистой технологии сбора и ис-гсьзования попутных нефтяных газов. (Рис.26). В предлагаемой схеме име-ся следующие топливосжигающие установки: камера сгорания ГТД, водочный отопительный котел и факельная горелка. Попутные нефтяные газы зактеризуются нестабильностью состава и расхода в процессе добычи неф-и для их эффективного сжигания успешно может быть использован

Выбросы токсичных компонентов различных камер сгорания в зависимости от относительной мощности двигателя .

\

\

\

V

1

0.2 0.4 0.6 0,8 йс

1 - с микрофакельным фронтовым устройством; 2-е воздушной форсункой; 3 - ГТД ГАЗ 99-Д; 4 - ГТД СТ-309 (США); 5 - дизели.

Рисунок 25.

Экологически чистая технология сбора и использования попутных нефтяных газов

1-факельная труба сброса ПНГ; 2-газосборник; 3-сепаратор; 4-ресивер; ГТУ; 6-электрогенератор; 7-турбодетандр; 8- электродвигатель; распредустройство; 10-котел; 11-теплопотребители; 12-горячее водоснабж ние; 13-газовые баллоны; 14-редуктор; 15-насос; 16-дымонасос; 17-дымов труба; 18-факельная труба сброса ПНГ; 19-резервное топливо.

Е>С. Представленные разработки микрофакельных устройств для камеры |рания ГТД, факельных оголовок и отопительных печей могут обеспечить игание ПНГ с высокой полнотой сгорания и значительно низкой концен-щией выхода оксидов азота.

Микрофакельное сжигание может расширить возможности внедрения овой микроэнергетики в газифицированных регионах Республики. Это шает проблему строительства и расширения крупных ТЭЦ и котельных [ покрытия потребностей в тепле и электричестве, которые осложняют »логическую безопасность.

Таким образом, использование результатов диссертационной работы по крофакельному сжиганию наряду с улучшением экономических показате-[ теплотехнических установок и решением важных народнохозяйственных ач, дает значительный эффект по защите атмосферы от вредных выбросов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1.Рассмотрены тенденции развития газотурбинных двигателей, осо-¡ности организации рабочего процесса и образования токсичных соедине-1, выполнен анализ современных требований и показана перспективность [менения принципа микрофакельного горения для камер сгорания газо-бинных двигателей на жидком топливе и сжигания попутных нефтяных эв.

2.Сформулированы требования к микрофакельным камерам сгорания нспортных ГТД и разработаны конструкции микрофакельных фронтовых ройств с улучшенными технико-экономическими и экологическими пара-рами при сжигании различных видов жидкого топлива, стабильно рабо-|щих в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха.

3.Выполнен комплекс экспериментальных исследований микрофа-ьных устройств камеры сгорания газотурбинных двигателей. Выявлено яние геометрических и аэродинамических параметров на основные харак-1СТИКИ камеры сгорания газотурбинных двигателей и составлены анали-еские зависимости их влияния на процесс микрофакельного горения, вве-коэффициент микрофакельности для оценки совершенства топливосжи-щих устройств.

4.На основе результатов исследования составлена методика расчета эвных элементов микрофакельных устройств и характеристик камер сго-ш газотурбинных двигателей. Выполнены конкретные расчеты перспек--1ых проектных решений микрофакельных камер сгорания.

5.Показано, что комплексное использование явлений самоорганиза-и эжекции, принципа поперечно-продольного секционирования для осу-твления микрофакельного горения, позволяет разработать эффективные швосжигающие устройства, работающие в широком диапазоне измене-производительности и значительных колебаниях состава жидкого и газонного топлива. В том числе показана применимость микрофакельных го-

релок для организованного сжигания попутных нефтяных газов с переменным расходом и составом.

6.Выявлены условия автономности работы дискретно расположеннь источников микрофакельного горения, позволившие определи оптимальные шаги размещения микрофакелов и диаметры отверст1 выпуска топливовоздушной смеси.

7.Известная методика расчета инжекционных газовых горел адаптирована для расчета элементов микрофакельной горелки нефтяш месторождений, которая апробирована испытаниями промышленно образца.

8.Найдены оптимальные режимы работы микрофакельш топливосжигающих устройств и разработана методология прогнозирован проектного решения выбора конструкции для различных топливосжигающ устройств при микрофакельном горении топлива.

9.Разработанные конструкции микрофакельных топливосжигающ устройств защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами PK реализованы в промышленных масштабах, а сформулированные научн: положения и рекомендации по совершенствованию микрофакельнс горения в топливосжигающих устройствах целесообразно расширить нефтяной, металлургической и химической промышленностях, а также энергетике и сельском хозяйстве Казахстана.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. A.C. № 802702 СССР, Горелка // Достияров A.M. и др.- опубл. в Б.: 1981, № 5.-С.57.

2. A.C. № 871587 СССР, Горелка//Достияров A.M. и др.-1981.-3 с.

3. A.C. № 898783 СССР, Сопловая лопатка турбины газотурбиннс двигателя// Достияров A.M. и др.-1981.-4 с.

4. А.С.№793069 СССР, Горелка// Достияров A.M. и др.-опубл.в Б.И., 19: №3.-С.31.

5. Пчелкин Ю.М., Лебедев В.П., Достияров A.M. Теплонапряженность токсичность камер сгорания при микрофакельном горении топли //Энергетическое машиностроение.-М.: НИИЭинформэнергомаш, 19 вып.8. - С.10-14.

6. Пчелкин Ю.М., Лебедев В.П., Достияров A.M. Снижение образовав окислов азота в камере сгорания при микрофакельном сжигании тошп //Изв.вузов. Машиностроение.-1982, №11.- С.13-17.

7. Достияров A.M. Влияние рабочих и геометрических параметров сгораг с микрофакельным фронтовым устройством на токсичность продую сгорания //Рабочие процессы и усовершенствования теплотехнически? электрических устройств.-Алма-Ата: КазПТИ, 1983.- С.65-69.

!. Пчелкин Ю.М., Лебедев В.П., Достияров A.M. К вопросу об организации микрофакельного сжигания топлива в условиях ГТУ и ГТД// Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических и электротехнических устройств .-Алма-Ата: КазПТИ, 1983.-С.61-65. . A.C. № 1020696 СССР, Горелка / Достияров A.M. и др.- опубл. в Б.И. 1983, № 20.-С.113.

0.А.С. № 1035335 СССР, Горелка / Достияров A.M. и др.- опубл. Б.И. 1983, № 30.-С.81.

1.А.С. № 1047254 СССР, Двухзонная камера сгорания газотурбинного двигателя / Достияров A.M. и др.-1983.-5с.

I.Микрофакельное фронтовое устройство/Достияров A.M. и др., Москва, МВТУ имени Н.Э.Баумана. Каталог: Машины, приборы, стенды.- 1984,-С.17.

¡.A.C. № 1135259 СССР, Горелка / Достияров A.M. и др.-1984.-4 с.

.A.C. № 1140522 СССР, Кольцевая камера сгорания газотурбинной

установки / Достияров A.M. и др.-1984.-5с.

.A.C. № 1134756 СССР, Двигатель внутреннего сгорания/ Достияров А. и др.-1984.-3 с.

.Пчелкин Ю.М., Лебедев В.П., Достияров A.M. Разработка малотоксичных камер сгорания с микрофакельными устройствами// труды МВТУ, 1985, № 432,- С.58-72.

А.С.№ 1209991 Паровой котел/Достияров А. и др., 1985.-2с.

A.C. № 1241783 СССР. Лопатка соплового аппарата газовой турбины

/Достияров A.M. и др.-1986.-3с.

А.С.№ 1263892 Выпускная система ДВС /Достияров А. и др.,1986.-2 с. A.C. №1420216 СССР, Двигатель с внешним подводом теплоты / Достияров A.M. и др.-1988.-4с.

A.C. № 1432255 СССР, Двигатель внутреннего сгорания /Достияров А.и ЗР--1988,- 3 с.

\.С. № 1451318 СССР, Устройство рециркуляции отработавших газов шигателя внутреннего сгорания/ Достияров А. и др.-1988.-3 с. \.С. № 1498119 СССР, Горелка / Достияров A.M. и др. - 1989.-4с. ^.С.№ 1484247 СССР. Лопатка соплового аппарата газовой урбины/Достияров A.M. и др.-1989.-с.З.

шандыков Б.К., Достияров A.M., Ермекбаев К.Б. Транспортные вигатели и снижение токсичности отработавших газов.-Алма-Ата, '.азПТИ, 1989.-69 с.

..С. № 1698569, Горелка / Достияров A.M. и др.-1989.-4 с.

.С. № 1556233, Горелочное устройство / Достияров A.M. и др.-1989.-3 с.

.С. № 1627782 СССР, Факельная горелка/ Достияров A.M. и др.-1990.- 5

остияров A.M., Амандыков С.Т. Перспективные тепловые двигатели.

зигатели Стерлинга.Алма-Ата, КазПТИ,-1990.-60 с.

С. № 1698569 СССР, Горелка/ Достияров A.M. и др.-1991 .-2 с.

31.Пчелкин Ю.М., Достияров A.M., Киричков A.B., Кибарин A.A. Экспериментальные результаты испытания камеры сгорания ГТД двухъярусной воздушной форсункой/УПроцессы переноса и повышен] эффективности работы теплоэнергетических установок. - Алм a-Ai КазПТИ, 1991.- С.33-36.

32. A.C. № 1718608 СССР, Горелка / Достияров A.M. и др.-1991.-3 с.

33.Алияров Б.К., Достияров A.M., Жанбуршин Е.Т. Анализ конструкц факельных грелок // Библиографический указатель "Депонированн! научные работы".-Вып.1, Алма-Ата, 1992.-С.57.

34.Достияров A.M., Жанбуршин Е.Т.Использование микрофакельнс сжигания в теплогенераторах//материалы НТК.-Алма-Ата: КазСХИ, 199 С.32-33.

35.Достияров A.M., Жанбуршин Е.Т., Габбасов У.А. Микрофакелы горелка для сжигания попутных нефтяных газов // Тезисы докладов Н' "НТП и Экология".-Актау, 1992.-С.25-26.

36. Достияров A.M., Бейсембин М.А., Жанбуршин Е.Т. К расч< микрофакельной горелки для газовых факелов.// Тезисы доклад республиканской НТК "НТП и Экология".-Актау.-1992.-С.31.

37.Алияров Б.К., Достияров A.M., Жанбуршин Е.Т. К вопросу рассеива! продуктов сгорания газовых факелов //Сб. трудов ААДИ.-Алма-А 1992.-С.62-67.

38.А.С.№ 1753782 СССР, Камера сгорания /Достияров А. и др.,1992.- 3 с.

39.А.С.№ 1765620 СССР, Факельная горелка/ Достияров А. и др., 1992.- 4 с

40.Достияров A.M., Туманов М.Е., Кибарин A.A. Исследова] стабилизирующих систем микрофакельных устройств камеры cropai ГТД.-Алматы, ААДИ, 1993.- С. 18-21.

41.Достияров A.M. Микрофакельные устройства газотурбинного двигате. Труды ААДИ, Алматы, 1993 .-С.31-34.

42.Достияров A.M. Перспективные тепловые двигатели и их использован! наземном транспорте//Поиск,- Серия естественных наук, 1995, № 4.-С 94.

43.Достияров А.М. Совершенствование камер сгорания газотурбина двигателя//Поиск.-Серия естественных наук, 1995, № 4, С.94-99.

44. Достияров A.M. Вопросы оценки окислов азота в микрофакельной кал? сгорания // Поиск.-Серия естественных наук, 1995, №4,- С.99-105.

45.Достияров A.M. Результаты исследования камеры сгорания ITj двухярусной горелкой/ТПоиск,- Серия естественных наук, 1995, № С.85-94.

46.Достияров A.M. Разработка и экспериментальное исследование устро! для микрофакельного сжигания топлива//Поиск.-Серия естествен наук, 1995, № 5.- С.95-102.

47.Достияров A.M., Жунусова Э. Комплексное использование попут нефтяных газов//Поиск.-Серия естественные науки, 1996, № 2. С.109-1

8.Достияров A.M. К вопросу взаимодействия микрофакелов/ тезисы школы-семинара по механике//КазГНУ им.аль-Фараби: НИИ механики и математики, 1996.-С.38.

9.Достияров A.M., Майсутов Т. Анализ конструкции микрофакельных камер сгорания //Наука и образование Южного Казахстана. Шымкент,-1998, № 4.-С.68-71.

0.Предпатент РК № 6306. Факельная горелка.- 1998.-3 с.

1.Достияров А., Жунусова Э. Новые факельные горелки для сжигания ПНГ//Наука и образование Южного Казахстана, 1998, №6.-С.293-294

2.Достияров A.M., Жунусова Э. Горелки для сжигания попутных нефтяных газов//Поиск.-Серия естественных наук, 1999, №1.- С.145-149.

3.Достияров A.M. Автомобиль и экология/ Учебное пособие.-Шымкент, ЮКГУ им.М.Ауезова, 1999.-85 с.

4.Достияров A.M. Микрофакельное горение в топливосжигающих устройствах.-Шымкент, ЮКГУ им.М.Ауезова, 1999.-181 с.

ТУЙ1Н1

ДОСТИЯРОВ АБАЙ МУХАМЕДИЯРУЛЫ Отын жагатьш кондыргыларды тузу жэне оларды есептеу

0Д1СТСМСС1.

КвЛ1К коз га лтк;ыщтары белш шыгатын улы газдармен жэне мун кэсшшшшндей мунай ещцру кезшдеп белшш шыгатын косалкы газдарм куресу - коршаган ортаны коргау кезкарасы тургысынан алгандыгы езе] мэселенщ б^реуь Усынылып отырган жумыста кел1к машиналарыи болашагын жодцау непзшде жэне олардыц белш шыгарган газынан у. компоненттердщ белшу себеб1 жану двигатслшщ камерасында отынн: усак; алаулы жануды /¥АЖ/ уйымдастыру муктаждыгын керсетедь

Газтурбиналы козгалткыштарыныц усак алаулы тутату курылы жэне эртурл1 от жакдыштьщ курылысыньщ классификациясы бершген.

Шагын от алауымен жанудыц непз! мен азот тотыгыныц те\ мелшерл) концентрациясын камтамасыз етудщ теориялык негип ж; баска зиян компоненттер1 УАЖ-дагы зиянды шыгарыстарды болапш цанагаттандыру мелшер1 бершген.

Диссертациялык; ецбекте келш козгалтцыштарыньщ жану камерасьп шагын от алаулы жуйенвд тшмд1 жаца конструкциялык схемасы зерттел оныц жацашылдыгы №793069, №871587, №1135259, № 1035335,№11405 №1698569 авторльщ куэлктермен бектлген.

Усак от алаудыц курылысты комплекс™ турде эксперимент' барысында оныц ец колайлы режим1 тагайындалып жэне жетшгендт кетлдемелер! жасалынды. Отынньщ эр турлершде /керосин ТС-1, диз! отыны, суйытылган газ-пропан/ жумыс тшмдшт керсет1лген.

Проектшеу кезевдсршде ппмд) конструкциялык; мелшерш алу мумкш ететш аналитикалык херила жэне жарты эмпирикалык; тэуелд] усак от алау курылысыныц есептелу жуйесше юрпз1лген.

Келпс козгалткыштарыныц от алау жану камерасьп перспективалык /проект-жоба/ шецпмдсршен накты есептер орындал Косалкы мунай газдарын /К,МГ/ жагу ушш жаца усак оталау жавдышт; жасалып жэне зерттелди Авторльщ куэлш № 16277852, № 1698570.

Ойластырган от алау куры лысы мен жаккыштыц нeпзi экологияльщ таза жинацтаудыц технологиясы жэне косалкы му газдарын /КМ Г/ Казакстан мунай ещцргсше пайдалану атап айтканда Г жану камерасында зарарсыздандыру казанында жэне от алау жаккышыг Алынган зерттеу нэтижесшде аз уацытыт келк козгалткыштарыныц ж камерасын жасауда мумкш етш, отынньщ тольщ жануында шыгартылуын 20 млн. артпауын камтамасыз етедь Кысым жогалггканд жумыстыц жылу гидравликасыныц жогаргы керсетюии /ог*=1,5+3, кеткен газдардьщ ергёшдеп. температурасы 61рдей еместт / 5=8-гЬ кецейтшген диапазонда а=2,5-5-26.

Диссертациялык жумыстыц жекеленген корытындыл; металлургияныц отын жагу жуйесшде, химия енд1'ркше, сол сия энергетика жэне ауыл шаруышылык салаларында колданылуы мумкш.

RESUME

DOSTIJROV ABAIMUHAMEDIJROVICH

Treatment of fuel burning arrangement and the methods of there

calculation

The problem of the toxic control of burnt gases of transport engines and sing-head gas control at the oil-fields in the course of the oil output is the most gent from the point of view of environment protection. In the work submitted for nsideration the necessity of organisation of oil micro-torch burning in a burning amber of engines is shown on the basis of the analysis of the perspective velopment of transport motors and the causes of toxic component formation in iir burnt gases. A classification of micro-torch arrangements for gas-turbine gines and burners of various technical devices is given. The scientific bases of cro-torch organisation of burning are founded and the theoretical substantiation providing the low level of concentration of nitric oxides and other harmful nponents by micro-torch burning, satisfying the perspective standards on -mful emissions is given.

In the dissertation' the author has investigated new constructive schemes of ective micro-torch systems in the structure of the burning chamber of transport »ines. Their novelty is confirmed by the author's certificates № 793069, № 2702, №871587, №1140522, №1035335, №1135259.

As the result of the experiments with micro-torch devices some optimal des have been installed and recommendations on their improvements have been ated. The effectiveness of the work has been shown on different types of fuel rosene TC-1, diesel oil, liquefied gas — propan).

The received analytical data end the semi-empirical dependences are oduced into the calculation system of the micro-torch devices, which allow to ose rationally constructive dimensions of the micro-torch devices within the ign stage/ Concrete calculations of the perspective design variants of the microti burning chambers of the transport engines have been made. New micro-torch burners for burning or casing-head gases have been worked and investigated:№ 1627782, № 1698570. A test of an industrial spacimen was e, which provided decreasing of CNOx to 40-50% at the firm burning of the ■o-torches with the high density or burning.

On the basis of the created micro-torch burners and devices the author offers cological "pure" technology of collecting and using casing-head gases in oil of ikistan, that is, in burning chambers of transport engines providing the ision of Cnox not more than 20 ppm. at the high completeness of fuel burning =1,5*3,0%) at the optimal heat-hydraulic indicators of the chamber's work rding to losses of pressure (8 = 8*14%), temperature irregularity of released in Je random.

Some particular results of the dissertation may be used in the heat-burning ms of metallurgy, chemistry as well as in the power industry and agriculture.