Малоэмиссионные камеры сгорания ГТУ

В настоящее время такая взаимосвязь может быть обоснована на базе физических представлений о исследуемых процессах, полученных как в математическом, так и стендовом эксперименте. Это объясняется тем, что наука пока не имеет решений задач гидрогазодинамики с наличием горения в движущемся потоке газа на базе точных решений систем дифференциальных соотношений, а используемые подходы, имеющие в своей основе численные методы и упрощение протекающих в объекте процессов в виде разного рода допущений и эмпирических поправок требуют проведения испытаний, подтверждающих достоверность расчётов для различных конструкций камеры сгорания. Практическое использование таких методов в настоящее время требует использования при проектировании камеры сгорания какого-либо её реального прототипа, для которого каким-либо образом получены математические зависимости характеристик протекающего в камере сгорания рабочего процесса от величин интегральных критериев, определяющих геометрию камеры сгорания. Примером одного из таких интегральных критериев камеры сгорания, можно считать 175 критерий форсирования, в который входит конструктивный параметр - величина объёма камеры сгорания. В идеале же для проектирования камеры сгорания необходима универсальная математическая модель камеры сгорания, содержащая набор геометрических, гидродинамических, термодинамических и теплофизических критериев, позволяющих описать все характеристики рабочего процесса. Такая модель позволила бы расширить применение методов численного моделирования от поверочного расчёта до проектирования с определённой для каждого конкретного случая функцией цели.Если проектирование камеры сгорания ведётся по конкретному прототипу с использованием большого статистического материала, накопленного при доводке, то общая методика преобразуется в упрощённый алгоритм расчёта, оснащённый конкретными числовыми значениями эмпирических коэффициентов. При этом отдельные этапы, например, гидравлический расчёт могут быть исключены из проектировочного расчёта, так как из имеющегося опыта следует что доводка камеры по этому параметру может быть гораздо более эффективно реализована при численном моделировании. В любом случае роль проектировочного расчёта с точки зрения проектирования камеры сгорания заключается в получении исходной геометрии, для которой затем с помощью методов инженерного анализа формируется более детальная конструкция и организация рабочего процесса, позволяющие максимально выполнить требования технического задания.Для примера приведем тепловой расчет основных параметров камеры сгорания.Тепловой расчет основных параметров камеры сгорания ГТУТепловой расчет камеры сгорания предполагает определение необходимого расхода топливаВгт, расчетного значения избытка воздуха и энтальпии газов на входе в ГТ. Эти величины связаны тепловым балансом камеры сгорания. Применительно к 1 кг сжигаемого топлива можем записать:акс·Lо·hkk +1·(QPH·nKC+hтопл) = (1+ акс·Lo)·hHTгде nKC - КПД камеры сгорания (коэффициент полноты сгорания топлива), который обычно составляет nKC = 0,96 ÷0,99. Принимаем nKC = 0,995.Энтальпию газов на входе в газовую турбину находим, пользуясь таблицами, при величине Tс=1360 K, а также по значениям параметра состава газа за ГТУ βг и молекулярной массы продуктов сгорания за ГТУ μг. В общем случае величины βг и μг рассчитываются в зависимости от состава топлива и избытка воздуха соответственно по формулам. Расчет состава и энтальпия продуктов сгорания газообразного топливаVo = 0,0479· [0,5 · СО+ 0,5 · Н2 + 1,5Н2S+2CH4+∑(m+n/4) · CmHn– O2] = 0,0479 · [2 · 98,9+0,5 · 14+(3+8/4) · 0,01+(2+6/4) · 0,13-0,4]=9,82 м3/м3Объемный состав (м3/м3), продуктов сгорания газообразного топлива может быть определен по следующим формулам:VN2=0,79·Vo·α+N2/100=0,79·9,82·1,2+0,87/100=9,32м3/м3VRO2=0,01·(CO+CO2+H2S+∑m·Cm·Hn)=0,01·[0,08+(3·0,01)+(2·0,13)]=0,0037м3/м3VH2O=0,01·[H2+∑(n/2)·Cm·Hn+0,124Cm·Hn+0.124·dгтл]+0,0161·Vo·α==0,01·[14+(8/2)·0,01+(6/2)·0,13+0,124·0,05]+0,0161·9,82·1,2=0,33 м3/м3Vo2=0,21·(α-1)·Vo=0,21·(1,2-1)·9,82=0,41Полный относительный объем продуктов сгорания газового топлива:Vг=VN2 +VRO2 +VH2O +Vo2= 9,32+0,0037+0,33+0,41=10,06Объемные доли продуктов сгорания:rN2= VN2 / Vг= 9,32/10,06=0,93rRO2= VRO2 / Vг= 0,0037/10,06=0,00037rH2O= VH2O/ Vг= 0,33/10,06=0,03rO2= VO2 / Vг= 0,41/10,06=0,041Параметр β для газовой смеси известного состава выражается уравнением:βг= 0,94·rN2+4,0·rRO2+2,2·rH2O+1,23·rO2= =0,94·0,93+4,0·0,00037+2,2·0,03+1,23·0,041=1Молекулярная масса продуктов сгорания:μг= 28,15·rN2 +44,01·rRO2 +18,02·rH2O +32,0·rO2= 28,15·0,93+44,01·0,00037+18,02·0,03+32,0·0,041=28,05 В рассматриваемом режиме принимаем температуру поступающего в КС топлива (возможен его предварительный подогрев):tпр.г=5°С,спр.г = 2,18 кДж/(кг ∙ К). Тогда энтальпия сжигаемого природного газа:hтопл=5·2,18=10,898Решение уравнения теплового баланса камеры сгорания выполняем, одновременно оценивая избыток воздуха aкс и энтальпию газов hнт.Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания определяем графически,согласно рисунку: прямая 1 соответствует энтальпии воздуха, найденной в конце расчета показателей осевого компрессора: hKK= 226,59 кДж/(кг воздуха) Задаемся несколькими значениями величины aкси, используя уравнение теплового баланса КС, строим кривую 2Графическое определение коэффициента избытка воздуха в КС ГТУ Коэффициент избытка воздуха, aкс1- прямая, соответствующая значению hкк, определенному при расчете показателей осевого компрессора; 2 - кривая, полученная при расчете уравнения теплового балансакамеры сгорания ГТУ aксОпределение коэффициента избытка воздуха в камере сгорания ГТУ aкс2,12,22,32,42,52,6hKC кДж/кг1394,81390,91387,11384,21381,2hKC кДж/кг193.204243,815289,789332,573371,532408,114 В процессе расчета определено:βг = 1; μг = 28,05; aкс = 2,17; hKC = 1392,07 кДж/кг.Расход топлива в камере сгорания ГТУ определяем из выражения теплового баланса КС: Расход воздуха за компрессором, поступающий в камеру сгорания ГТУ:GKC=GK-(Gут+Gохл10+Gохл12+Gохл15),Величину утечек воздуха из уплотнений ротора и другие принимаем из интервала 0,3÷0,5% от GKGут=0,005·GK=0,005·81,72=0,41 кг/сGохл10=0,57кг/с;Gохл12=1,24кг/с;Gохл15=5,44кг/с - заводские данныеGKC=81,72-(0,41+0,57+1,24+5,44) =74,06Дополнительно определяем:- долю воздуха, поступающую в камеру сгорания ГТУ:gKC= GKC/GK=74,06/81,72=0,91ВГТ=== 1,95 кг/с Относительный расход топлива:gKГ= ВГТ/GKС=1,95/74,06=0,026ЗаключениеСоздание малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) – одна из важнейших задач, стоящих перед специалистами ОАО «Авиадвигатель». Использование МЭКС гарантированно обеспечит пермскому оборудованию соответствие установленным в России нормам выбросов в атмосферу окислов азота (NOx): не более 150 мг/нм3 для газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и не более 50 мг/нм3 для энергетических установок. Принцип работы малоэмиссионных КС базируется на сжигании топлива при температуре не более 1600 оС, при которой образуется немного оксидов азота. Нижний предел рабочей температуры ─ это бедный срыв (~ 1250 оC). 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.Список использованной литературыБулысова Л.А., Васильев В.Д., Гутник М.Н., Пугач К.С., Гутник М.М., Берне А.Л. Экспериментальные исследования модельной двузонной малоэмиссионной камеры сгорания ГТУ средней мощности// Электрические станции. - 2019.-№ 9-(1058). - С. 2-7.Васильев В.Д., Булысова Л.А., Берне А.Л. Влияние смесеобразования на выход NOх в малоэмиссионной камере сгорания Гту//Теплоэнергетика. -2016.-№ 4.-С. 16-22.Федорченко Д.Г.Цыбизов Ю.И., Тюлькин Д.Д., Воротынцев И.Е., Жерелов Д.А., Смелов В.Г., Сотов А.В., Агаповичев А.В.Новые технологии, реализованные в конструкции малоэмиссионной камеры сгорания ГТУ// Сборник тезисов XI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием/ отв.ред. С.В. Лукачёв. -2019. - С. 44-45.Булысова Л. А., Берне А. Л., Пугач К.С. Параметрические расчетные исследования по снижению эмиссий NOx при последовательном сжигании идеальной топливовоздушной смеси // Электрические станции, 2018. - №2. - С. 25-32Свердлов Е.Д., Пузич А.А., Дубовицкий А.Н., Владимиров А.В. Анализ методов и характеристик систем регулирования ГТУ с малоэмиссионными камерами сгорания// Авиационные двигатели. - 2021.-  № 1 (10). -С. 47-56.