автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему: Численное моделирование при испытаниях и наладке малоэмиссионных камер сгорания ГТУ
Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование при испытаниях и наладке малоэмиссионных камер сгорания ГТУ"
На правах рукописи
БУЛЫСОВЛ Людмила Александровна
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И НАЛАДКЕ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТУ
Специальность: 05.14.14 — «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ»)
Туманоеский Анатолий Григорьевич — доктор технических наук
Росляков Павел Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Парогенераторостроения (ПГС) Института энергомашиностроения и механики (ЭнМи) Национального исследовательского университета Московского энергетического института (НИУ МЭИ)
Кочетков Юрий Михайлович — доктор технических наук, старший научный сотрудник Государственного научного центра Российской Федерации — Федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша» (ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»)
Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН»)
Защита состоится «24» апреля 2014 г. в «14» часов на заседании диссертационного совета Д.222.001.01 при Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ») по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 14.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 14. ОАО «ВТИ».
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВТИ».
диссертационного совета Д.222.001.01, доктор технических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящее время в РФ важное значение придаётся созданию и массовому производству отечественных конкурентоспособных газотурбинных установок (ГТУ) малой, средней и большой мощности как для внутреннего, так и для внешнего рынка. Большинство эксплуатируемых и выпускаемых отечественных ГТУ не удовлетворяют современным природоохранным требованиям. Доработка имеющихся или разработка новых экологически чистых камер сгорания (КС) ГТУ позволит решить обозначенную проблему.
Принцип работы малоэмиссионных КС базируется на сжигании топлива при температуре не более 1600 "С, при которой образуется немного оксидов азота. Нижний. предел рабочей температуры - это бедный срыв (
1250 °С). Таким образом, работа КС по температуре горения должна лежать в узком диапазоне для всех режимов работы ГТУ от холостого хода до номинальной нагрузки. Одним из способов сжигания топлива, обеспечивающим необходимый температурный диапазон, является сжигание бедной предварительно перемешанной топливовоздушной смеси.
Теории рабочих процессов КС посвящены сотни работ ведущих научных и производственных компаний, однако общие подходы к расчету и проектированию малоэмиссионных КС на сегодняшний день отсутствуют. Это связано с тем, что для их реализации необходимы длительная дорогостоящая экспериментальная стендовая доводка и натурные испытания в составе ГТУ. Использование математического моделирования даёт возможность существенно сократить сроки и затраты на разработку и доводку КС, но его эффективное применение в прикладных и фундаментальных исследованиях требует адекватных подходов как по возможностям, так и по правильной оценке происходящих в КС процессов. За последние 20 лет произошел переход от разработки собственных программ для решения узкой задачи к использованию мощных универсальных вычислительных комплексов, распространяемых на коммерческой основе. При разнообразии и сложности программных средств возникает ряд вопросов методического характера: насколько адекватен выбор модели, методов численного решения, размеров расчётной области, топологии и размерности расчётной сетки, требований к сходимости; какова степень достоверности результатов решения? Квалифицированный ответ на эти вопросы требует понимания основ моделируемых явлений.
В диссертации представлена методика использования трехмерного численного моделирования, позволяющая сконструировать КС, обеспечивающую низкую эмиссию оксидов азота, высокую полноту сгорания топлива, заданные перепады давления на элементах конструкции, заданные температурные поля на выходе и устойчивое протекание процессов. В основу методики легли детальные сопоставления и анализ расчетных и экспериментальных данных.
Цели и задачи работы:
разработать и использовать методику трехмерного численного моделирования рабочих процессов для создания и доводки экологически чистых КС ГТУ, устойчиво работающих с заданными показателями;
произвести выбор и обосновать применимость коммерческих программных продуктов для моделирования процессов газодинамики и горения, протекающих в КС ГТУ.
Исследование на сходимость по расчетной сетке и шагу по времени. Настройка встроенных численных моделей по результатам эксперимента;
предложить пути повышения качества топливовоздушной смеси (TBC) в зоне предварительного перемешивания (31111) КС с использованием трехмерного численного моделирования. Построение корреляционных зависимостей между качеством TBC, полученным расчётом, и экспериментально замеренными NO.t;
исследовать влияние эффективности перемешивания TBC, на выходе из ЗПП, конструктивных и режимных параметров на процесс горения в объеме КС и эпюру тепловыделения по ее длине, а также процессы вихреобразования в объёме КС с использованием LES и URANS к-е простой модели турбулентностей;
провести поиск путей выравнивания поля температуры на выходе из КС;
исследовать и проанализировать расчетные и экспериментальные данные при устойчивой и пульсационной работе КС для получения адекватного параметра устойчивости. Построение корреляционной зависимости между предложенным параметром и амплитудой пульсаций давления.
Объект и предмет исследования
Объект исследования - методы применения программ математического моделирования для исследований конструкции КС и характеристик протекающих в них процессов. Способы обработки и анализа по корреляционным расчетно-экспериментальным зависимостям, позволяющие создавать конструкции КС с заданными параметрами, устойчиво работающие на всех режимах ГТУ.
Предмет исследования — камеры сгорания ГТУ.
Методы исследования, достоверность н обоснованность результатов
Исследования проведены с применением сертифицированных программ численного моделирования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях газодинамики и горения. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью используемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных результатов с данными эксперимента.
1. Разработана методика комплексного численного моделирования рабочего процесса малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) ГТУ, скоррелированная по экспериментальным данным, применение которой позволяет на этапе проектирования обеспечить достижение требуемых показателей МЭКС и устойчивую работу во всем диапазоне рабочих режимов.
2. Сформулирован и обоснован критерий возможного возникновения виброгорения в КС, связывающий стационарные параметры рабочего процесса — дивергенцию скорости течения и градиент температуры газа.
3. Изучены нестационарные процессы в объеме КС информацию о которых невозможно было бы получить путем традиционных измерений пульсаций давления на стенке жаровой трубы камеры сгорания.
4. Получены качественные и количественные закономерности связывающие параметры смесеобразования в горелке КС с образованием оксидов азота N0* и динамикой процесса горения.
5. Предложен и разработан новый подход к обработке результатов численных исследований, который использует корреляции численных и экспериментальных данных, позволяющие обнаружить и описать причинно-следственные связи между параметрами различных масштабов турбулентности.
Теоретическая и практическая значимость
Разработанную методику использования численного моделирования и корреляционных расчётно-экспериментальных параметров целесообразно широко использовать при проектировании и доработке МЭКС, а также других технических устройств с аналогичными принципами сжигания газового углеводородного топлива.
В России на газомазутных ТЭС эксплуатируются сотни морально и физически устаревших паровых энергоустановок мощностью 50-300 МВт. Государственной Программой развития электроэнергетики до 2030 г. Планируется их замена парогазовыми установками (ПГУ) с газовыми турбинами в их составе. Проведенные научно-исследовательскими и проектными организациями расчёты свидетельствуют о высокой экономической эффективности такой замены.
Представленная в диссертации методика математического моделирования процессов, протекающих в малоэмиссионных КС, и анализа по корреляционным расчётно-экспериментальным зависимостям позволит конструировать камеры с заданными параметрами и обеспечивать их устойчивую работу.
На защиту выносятся
1. Методы RANS и URANS моделирования с к-е простой моделью турбулентности для описания стационарных и крупномасштабных нестационарных процессов газодинамики и горения, протекающих в КС ГТУ, соответственно. При моделировании горения топливовоздушной смеси целесообразно использовать простую брутто реакцию, скорость которой оценивается по пульсационной модели.
2. Численное моделирование процессов в КС, позволяющее оптимизировать объем и повысить достоверность измерений при испытаниях, оценивать влияние различных конструктивных изменений на качество перемешивания топлива с воздухом, условия горения и эмиссию оксидов азота, распределение температур на выходе из КС.
3. URANS и RANS моделирование с к-е простой моделью турбулентности, позволяющее исследовать процессы газодинамической неустойчивости в КС и анализировать перемещение фронта пламени для обеспечения устойчивого горения.
4. Результаты их использования, позволяющие получить параметр устойчивости в
форме — X — и сравнить наличие/отсутствие пульсации при различных вариантах организации процесса горения.
Степень достоверности и апробация работы
Диссертационная работа обобщает исследования автора за период с 2003 по 2014 гг.
Достоверность и практическая ценность всех разработанных методов моделирования проверяется путем сопоставления данных расчёта и эксперимента.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. LI научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Уфа, 2004);
2. L1II научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва. 2006);
3. Международном форуме «Инженерные системы-2013» (Москва, 2013);
4. LVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва, 2011);
5. Научно-технической конференции «Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ» (Москва, 2004);
6. LX научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок «Научно-технические проблемы проектирования и эксплуатации наземных объектов с газотурбинными и парогазовыми установками» (Казань, 2013).
Изложенные в диссертации Л.А. Булысовой результаты отмечены дипломом лауреата конкурса в области энергетики и смежных наук за работу «Проведение расчетных и стендовых исследований при разработке малоэмиссионных камер сгорания энергетических ГТУ».
Личный вклад автора
1. Разработка методов оптимального использования программ математического моделирования процессов, протекающих в малоэмиссионных КС. Обработка, анализ и получение корреляционных расчетно-экспериментальных зависимостей, позволяющих создавать конструкцию камеры с заданными параметрами на всех режимах работы ГТУ, в том числе с оценкой диапазона устойчивой работы КС.
2. Обработка и анализ экспериментальных результатов, полученных на испытательных стендах.
Основные научные результаты работы с достаточной полнотой отражены в 13 научных публикациях, среди которых 7 - в реферируемых журналах и 6 - в сборниках материалов научных конференций, семинаров, форумов, а также защищены тремя патентами РФ.
Структура и объем диссертации
Работа представлена введением, шестью главами, заключением, четырьмя приложениями и списком литературы из 87 наименований, содержит 163 страницы машинописного текста, включая 126 рисунков, 33 таблицы, 92 уравнения.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обсуждается хозяйственная целесообразность применения отечественных ГТУ и их оснащение МЭКС. В таких КС практически повсеместно применяется сжигание "бедных" предварительно перемешанных ТВС. При этом снижение концентрации NOr достигается низкой температурой горения и высоким качеством перемешивания ТВС. При применении такой технологии нередко возникают неустойчивости процесса горения с интенсивными пульсациями давления, приводящими к повреждениям КС и лопаточного аппарата турбины. Чтобы отстроиться от них проводятся длительные, трудоемкие и дорогостоящие испытания. Сократить их объем и стоимость помогает математическое моделирование рабочих процессов в КС.
Во введении показаны также актуальность работы, новизна и практическая значимость полученных результатов, обсуждаются методы решения поставленных задач, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 приведен обзор имеющихся программных продуктов, пригодных для расчета процессов в КС. Рассмотрены заложенные в них основные уравнения и схемы их решения. Показаны области достоверных решений для разных математических моделей.
Течение воздуха и газа в элементах КС происходит при значениях числа Рейнольдса Re >105, для него характерен турбулентный отрывной характер. Как правило, в КС ГТУ используются горелки с закруткой потока, создающие для стабилизации пламени тороидальную зону рециркуляции (ЗР).
В типовой горелке течение формируется завихрителем, состоящим из решетки осевых или радиальных лопаток. В структуре течения за типовым завихрителем имеются четыре явно выраженные структуры: вихрь, вызванный отрывом, центральная зона рециркуляции, прецессионный слой вихря, окружающий центральную зону рециркуляции, и сдвиговые слои, начинающиеся с внешней кромки кольцевых каналов. Для отображения этих сложных структур математические модели, применяемые для расчета КС, должны хорошо описывать развитые турбулентные течения.
Применяемые на практике методы численного моделирования турбулентного течения можно разделить на три категории: прямое численное моделирование (DNS - direct numerical simulation), моделирование крупномасштабных вихрей (LES - large eddy simulation) и осредненные по Рейнольдсу или Фавору стационарные (SRANS - Steady Reynolds-averaged Navier-Stokes) и нестационарные (URANS - Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes) уравнения Навье-Стокса.
В инженерной практике обычно применяется модель турбулентности RANS, требующая умеренных компьютерных ресурсов. Принцип модели заключается в замене случайно изменяющихся характеристик потока (скорость, давление, плотность) суммами осредненных и пульсационных составляющих. Эффект турбулентных возмущений описан тензором напряжений Рейнольдса. Для моделирования тензора напряжений Рейнольдса разработаны модели от простой алгебраической до к-е., используемые для замыкания системы уравнений движения и неразрывности Навье-Стокса. Метод RANS подразделяется на SRANS и URANS. В первом случае осреднение уравнений происходит на бесконечном интервале времени (стационарное решение), во втором на ограниченном интервале времени (квазистационарное решение, метод URANS).
Модель турбулентности LES используют для расчета течений, в которых основной вклад в энергию турбулентности вносят крупные вихри, обладающие большой массой и импульсом. Считается, что крупные вихри переносятся осредненным потоком, они упорядочены (когерентны) и не находятся в равновесии с осредненным течением. Однако, эта модель турбулентности требует значительных вычислительных ресурсов. При использовании ее уменьшение размеров ячеек сетки означает переход к явному разрешению всё более мелких пространственных масштабов, и в пределе - к прямому численному моделированию (происходит увеличение разрешения физического диапазона модели).
Наиболее экономичный по расчетной сетке и затратам времени стационарный метод RANS позволяет достаточно точно рассчитать расходы и потери давления на элементах КС, показывает картину усредненного течения с зонами обратных токов и средних скоростей по сечениям. Для получения качественного прогноза нестационарной картины течения, определения мест образования и отрыва крупных вихрей с элементов КС, оценок частоты их зарождения используется метод URANS с малым периодом осреднения. Использование метода LES позволяет получить не только качественные, но и количественные значения характеристик нестационарного течения, разрешив при этом не только крупномасштабную, наиболее энергетически значимую, турбулентность, но и средние ее масштабы.
В КС ГТУ происходит сжигание топлива, как в диффузионном так и гомогенном режимах, поэтому математическая модель горения, описывающая процессы в КС должна описывать два предельных случая — распространение пламени предварительно перемешанных газов и диффузионное горение не перемешанных горючего и окислителя, а также область частичного смешения компонентов горючей смеси.
Теория турбулентного горения однородной смеси заимствует основные понятия и представления из теории распространения плоского (нормального) фронта пламени по неподвижной смеси горючего и окислителя. Описание распространения плоского пламени основано на следующих предположениях:
- между топливом и окислителем происходит одноступенчатая реакция, т. е. процесс описывается тремя переменными Т, с0, су - температурой и концентрациями окислителя и топлива соответственно;
- коэффициенты молекулярного переноса одинаковы, и, следовательно, из-за подобия уравнений диффузии и теплопроводности концентрации с„ и с/ можно выразить через температуру Т.
В этом случае процесс описывается одним уравнением:
fol dc Л dc , и, 7—7"(°)
р( 'ип—- —ар--h pW С , С — -г—т-т , (1)
н dn , dn dn у ' ть-т(°) '
где р — плотность; W - скорость тепловыделения; а — коэффициент температуропроводности; с — безразмерная температура; и„ - скорость нормального распространения пламени; верхние индексы о и b относятся к свежей смеси и продуктам сгорания; и - направление, нормальное фронту пламени. Направление нормали определено так, что с = 0 при и = —ос(свежая смесь); с = 1 при п = сс (продукты сгорания). Краевая задача для уравнения (1), т. е. равенства с(-сс) = 0;, с(х) = 1, позволяют определить и„.
Скорость химической реакции очень сильно зависит от температуры, т. е. W
exp(-E/(RT)), где критерий E/RPb> много больше единицы (Е - энергия активации,
Я — универсальная газовая постоянная). Поэтому в пламени можно выделить две области -тепловую зону, в которой 0<с<1-£*с, где ¿*с
Л71Ь)/Е<<1, и зону химических реакций, в которой 1-«5*с<с<1.
Наиболее важными характеристиками процесса горения в турбулентном потоке являются протяженность зоны горения 5, и скорость распространения турбулентного пламени и, , зависящая в основном от пульсационной скорости и<°> и интегрального масштаба турбулентности
где <е) - диссипация энергии; и(0' - пульсационная скорость.
Взаимодействие турбулентности и химии рассматривает как отношение двух безразмерных параметров - турбулентного числа Рейнольдса Яе = и'01 [У и„д„ и числа
турбулентности Карловича Ка = — = где 0? и Гц - масштабы времени нормального
распространения пламени и внутренней турбулентности по Колмогорову, 1е — отношения толщины внутреннего слоя пламени, Т] масштаб длины по Колмогорову. Используя данный критерий турбулентного горения поверхность фронта пламени можно представить в виде следующих структур:
- гладкий фронт пламени - при масштабах турбулентности, не превышающих толщину зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму, хотя зона горения увеличивается.
- неровный (складчатый) — при масштабах турбулентности превышающих толщину зоны нормального горения. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и сжиганию большего количества горючей смеси на единицу поперечного сечения потока.
- разорванный (объемный) - при крупномасштабной турбулентности, значительно превышающей толщину зоны ламинарного горения. В этом случае волнение поверхности фронта пламени приводит к отрыву отдельных частиц горячей смеси, дробящихся последующими пульсациями. Фронт пламени теряет свою целостность и превращается в систему отдельных очагов горения в виде рваных, расчленяющихся и сгорающих в потоке частиц горючей смеси.
При отсутствии пульсаций турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени. Наоборот, если пульсационная скорость значительно превышает нормальную, турбулентная скорость горения становится мало зависящей от физико-химических свойств горючей смеси. Эксперименты показали малую зависимость скорости сгорания различных гомогенных газовоздушных смесей с коэффициентом избытка воздуха больше единицы в промышленных топках от нормальной скорости распространения пламени.
Основная часть представленных в работе расчетных исследований, проведена с использованием программного комплекса Р/спгУЫоп, в котором реализованы следующие модели горения:
- кинетическая модель горения для перемешанной до молекулярного уровня смеси топлива и окислителя, для которой скорость \\г реакции имеет вид закона Аррениуса:
- турбулентная модель горения для неперемешанной смеси топлива и окислителя, в которой скорость W реакции определяется скоростью турбулентного смешения (модель Магнуссена) [10]:
Wmbc = 23.6 J2L 1/+p£mm f,\ ; (4)
- пульсационная модель горения, для которой степень смешения топлива и окислителя характеризует уровень относительных пульсаций функции Зельдовича О^у^'-
В этой модели скорость W реакции определяется через кинетическую скорость горения перемешанной смеси W^n и предельную скорость процесса перемешивания Wmix следующим образом:
Средний квадрат пульсаций функции Зельдовича g < (z')2.
Следует учесть, что топливо и окислитель химически реагируют лишь тогда, когда температура смеси выше некоторого порогового значения Т,е„ и amm < а < атах.
- модель 'ЭДС' (Eddy Dissipation Concept - концепция распада вихрей) предполагает, что реакция горения протекает в узких ламинарных зонах ("тонких структурах") между турбулентными вихрями. Концентрация горючего У° и окислителя в этих зонах, частично заполняющих расчетную ячейку, отличаются от своих средних по объему ячейки значений. Они определяются из условия равенства скоростей турбулентной диффузии и ламинарного горения и, в свою очередь, определяют температуру и плотность "тонких структур" в ячейке. Модель пригодна как для предварительно перемешанных, так и неперемешанных реагентов. Источниковый член в уравнении для истинной массовой доли горючего:
W, = 0 при Tabs < Tign или а < amin или a > amax , (7)
Здесь y0 - массовая доля "тонких структур" в расчетной ячейке
При горении природного газа в воздухе возможно моделирование образования оксидов азота NO,. Поскольку концентрация оксидов азота NO, не влияет на основные газодинамические параметры (скорость, температуру и т. п.) их расчет можно проводить при "замороженных" значениях газодинамических переменных. Образуются в основном, так называемые термические оксиды азота. Их учет осуществляется путем решения уравнения для скалярных величин с источником.
Для режимов с расходами топлива на пилотную горелку менее <30 % при расчете процесса горения использовалась пульсационная модель.
Глава 2. Для КС на газовом топливе важно оптимальное перемешивание воздуха, топлива и продуктов сгорания в зоне горения. Основное назначение горелки предварительного перемешивания TBC состоит в подготовке горючей смеси, закрутке потока и формировании поля течения в зоне горения. В главе 2 приведены этапы оптимизации горелочного устройства (ГУ) и результаты расчетов и экспериментов по оценке влияния процесса перемешивания TBC на выбросы N0, в КС, основанных на принципе гомогенного сжигания топлива. При проведении расчетных исследований применялась RANS к-е простая модель турбулентности.
Типичные ГУ таких КС (рис. 1) объединяют две горелки: основную (ОГ) для гомогенного сжигания предварительно подготовленной TBC, и пилотную (ПГ) для диффузионного сжигания топлива. ОГ, как правило, состоит из завихрителя для закрутки потока и создания зоны стабилизации в жаровой трубе (ЖТ), каналов подачи топлива и канала перемешивания для получения однородной топливовоздушной смеси (TBC) на выходе из горелки.
Рис. 1. Типичное горелочиое устройство МЭКС: 1 - корпус горелки; 2 - осевой лопаточный завихритель ОГ; 3 - трубки подачи основного топлива; 4 - форсунки подачи пилотного топлива: 5 - лопаточный завихритель ПГ; 6 - отверстия подачи основного топлива
Одна из проблем при конструировании ГУ - уменьшение его габаритных размеров при допустимых потерях давления на нем.
Для этого рассмотрены:
1) Оптимизация лопаточных завихрителей ПГ и ОГ с заданным перепадом давления на них по доле расхода воздуха, участвующей в рециркуляции в объеме ЖТ (Мр.„, %). Чем более развитой является зона рециркуляции, тем выше значение М,№и. тем эффективнее используются высокотемпературные газы, обеспечивая с одной стороны устойчивое воспламенение и горение топлива и, с другой стороны, влияя на образование N0,.
2) Оптимизация конструкции ОГ по качеству перемешивания воздуха и топлива. Качество TBC оценивается параметром среднеквадратичного отклонения (Осснл) скалярной величины - концентрации метана (ССНА). Для анализа выбрано поперечное сечение МЭКС на выходе из ОГ (сечение 1-1, рис.1).
где Ссн.. = ——-—---осредненная по потоку величина скалярной переменной;
5 Ссн4 * р * Ц, * ¿5 - поток скалярной величины;
р *V„* dS - величина конвективного потока.
Конструирование ГУ можно разделить на этапы:
А. Оптимизация взаимного расположения топливораздающих трубок и лопаток завихрителя ОГ.
На рис. 2 показаны рассмотренные варианты конструкции и зависимость <тс от безразмерного расстояния I между лопатками завихрителя и трубками раздачи топлива.
Рис. 2. Схемы расположения топливораздающих трубок в зоне перемешивания (а, б, в) и зависимость 0"ССН4 (Ц й
Чем дальше перед лопатками завихрителя расположены трубки раздачи топлива, тем °ссн4 меньше- ПРИ этом скорость снижения <гСсн замедляется. Учитывая ограничения по габаритам, можно расположить трубки до завихрителя на расстояние от-0,5/. до 0.
Б. Оптимизация длины канала перемешивания ОГ (за лопатками завихрителя).
Исследовался вариант с расположением топливораздающих трубок непосредственно перед лопатками завихрителя ОГ (см. рис. 2, б). На каждой топливной трубке ОГ расположено по три топливораздающих отверстия. На рис. 3 показана зависимость &ссн, от длины зоны перемешивания, оцененной в калибрах кольцевого канала ( п = I -текущая длина; О -диаметр кольцевого канала).
Рис. 3. Зависимость среднеквадратичного отклонения концентрации метана от длины зоны смешения
Резкое улучшение степени перемешивания наблюдается на участке п<1, потом характер зависимости <J(n) меняется на более плавный. Целесообразно для данной конструкции выбирать длину зоны 1,5<п<2. дальнейшее увеличение длины канала не приводит к существенному улучшению перемешивания.
3) Оптимизация угла подачи топлива к потоку воздуха.
На рис. 4 приведены значения аСсн< при подаче топлива через отверстия в трубках, расположенные по разному относительно набегающего потока воздуха (рис. 4 а, 6. в).
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 ?)
Рис. 4. Направления отверстий подачи топлива под углом к потоку набегающего воздуха (а -45°: б -135°; в -90°) и значения aCcHt от варианта подачи (г)
Вариант расположения отверстий под углом 45° к потоку набегающего воздуха (а) представляется нам более эффективным (см. рис. 4, г).
4) Влияния пережима на выходе из ОГ.
Устройство пережима на выходе из зоны перемешивания уменьшает площадь проходного сечения канала. Он позволяет изменить профиль осевой скорости по высоте канала и уменьшить пристеночный ламинарный погранслой, толщина которого увеличивается по длине канала. Пережим приводит к увеличению скорости в выходном сечении, исключает проскок пламени в ОГ, повышает турбулентность потока и. как следствие, улучшает перемешивание топлива и воздуха.
На рис. 5, а показана схема зоны перемешивания, на рис. 5, 6 влияние пережима на (ТСсН4 в выходном сечении ОГ. Установка пережима на выходе из ОГ вдвое уменьшила неравномерность, что позволяет получать TBC такого же качества в 2 раза меньшей длине канала смешения.
Рис. 5. Конструкция с пережимом на выходе из ОГ (а) и значения <7С(_ в выходном сечении ОГ в вариантах без пережима и с пережимом (б)
Для идентификации расчетных данных по аСснл были измерены концентрации природного газа в TBC на выходе из ОГ на стенде. На рис. 6 показаны схема установки зонда и его общий вид. Вращающийся относительно оси КС зонд позволял с заданным угловым шагом измерять концентрацию TBC на трех радиусах на выходе из канала предварительного перемешивания.
Рис. 6. Зонд для замера поля концентрации TBC:
а - схема установки; б - общий вид ГУ с установленным зондом
На рис. 7 показаны расчетные и замеренные значения концентрации метана в воздухе на выходе из зоны предварительного перемешивания (ЗПП) осредненные по радиусу с шагом 10° для двух случаев подачи топлива: равномерно по окружности и в одну полуокружность, т. е. только в шесть из двенадцати топливораздающих трубок основной горелки. Результаты эксперимента и расчета практически совпали.
Рис. 7. Концентрации метана на выходе из ЗПП ГУ: а - равномерная по окружности раздача топлива в ОГ; б - подача топлива на половину окружности
Подтвержденная опытами достоверность результатов перемешивания TBC дала основание для дальнейших оценок его влияние на последующее горение и образование N0,.
Расчеты проводились на отечественном программном комплексе FlowVision, а эксперименты на стенде ВТИ. Схема модельной КС представлена на рис. 8.
7 - замеры пульсаций давления; 8 - замеры температуры входного воздуха; 9 - отбор проб уходящих газов
Расчеты и испытания КС проведены при сжигании природного газа при атмосферном давлении, температуре воздуха на входе в КС Т„к = 555 °С и коэффициенте избытка воздуха а
Различные варианты перемешивания TBC создавались регулированием радиального распределения подачи топлива и воздуха на входе в ОГ за счет изменения количества отверстий подачи топлива на топливораздающих трубках и изменения профиля скорости на входе в завихритель ОГ.
Замеры концентрации N0, на выходе из ЖТ проводились хемилюминесцентным методом газоанализаторами Testo-350M и Infraliglit-1 IE.
На рис. 9 представлены зависимости эмиссии NO* от огя//сн4 при подаче топлива в пилотную горелкуpfr = 5 % и работе только основной горелки pfr = 0 %.
1 3 s 7,9 11 и ii 17
Рис. 9. Зависимости концентрации NOc от неравномерности концентрации TBC в сечении 1-1: 1 -pfr = 0 % и 2 -pfr = 5 %
С улучшением качества смешения концентрация N0, заметно снижается.
В целом, результаты проведенных при работе над диссертацией численных исследований эффективно использованы при разработке камер сгорания. С их помощью в работе определен параметр неравномерности перемешивания топлива с воздухом (Jcm и исследованы мероприятия, позволяющие снизить его значения. Получена линейная зависимость между асш и эмиссией N0* и влияние на нее расхода топлива через пилотную горелку.
В главе 3 проведен анализ возможности использования URANS-моделирования при исследовании гидродинамической нестабильности в объеме КС. В основу анализа легли сопоставления аналитических расчетов, численных - течения без горения в ЖТ на моделях LES, URANS и экспериментальных данных
На рис. 10, а показана схема обтекания пилотной горелки (ПГ) с указанием характерного размера тела, с которого происходит срыв потока воздуха. На частоту отрыва вихрей влияет осевая скорость. Значения осевых скоростей на выходе из основной и пилотной горелок равны. Расчеты проведены для течения воздуха, поступающего на основную и пилотную горелки при давлении 150 кПа и температуре 400 °С с расходами 0,131 кг/с и 0,01 кг/с соответственно.
Рис. 10. а - схема обтекания воздухом ПГ; б - сечение расчетной области КС (красным показана точка исследования)
Расчет проведен по критерию Струхаля Sh. Для 2300 < Re < 107 число Sh\
5/1 = ^=0.198(1-^), где / - частота, d - характерный размер, V - скорость невозмущенного потока. Для характерного размера d = (d2 - d\)/2 = 10,8 мм и скорости невозмущенного потока V = 71 м/с, (Re
0.19) эта оценка дает/= 1250 Гц.
Расчеты на URANS- и LES-моделях проведены на равнозначных сетках с размером ячейки в области исследования 0,4 мм. Для URANS модели период осреднения 0,00002с. На рис. 10, б показана точка анализа изменения давления во времени. На рис. 11 приведены амплитудно-частотные спектры давления в точке исследования на URANS (рис. 11, а) и LES (рис. 11, б) моделях проведенные на программных комплексах FlowVision и ANSYS CFX соответственно.