Исследование процессов в камере сгорания конвертированного авиационного ГТД с целью улучшения его экологических характеристик

Актуальность темы

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

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

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

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

В Российской Федерации ГОСТом 28 775−90 для ГПА с газотурбинным приводом допустимый уровень содержания токсичных веществ ограничивается: М) х <150 мг/м3- СО <300 мг/м3 (в отработанных газах при 0 °C и 0,1013 МПа и условной концентрации кислорода 15%), однако в ближайшем будущем, планируется ужесточение требований на выбросы токсичных веществ.

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

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

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

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

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

Цель диссертационной работы:

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

Задачи диссертационной работы:

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

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

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

Научная новизна работы:

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

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

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

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

Научная и практическая значимость.

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

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

Личный вклад автора в работу.

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации

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

Выводы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

.

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

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

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

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

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