Мостіпаненко Ганна Борисівна. Вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згоряння газотурбінних двигунів методами математичного моделювання

brief description

Мостіпаненко Ганна Борисівна. Вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згоряння газотурбінних двигунів методами математичного моделювання : Дис... канд. наук: 05.05.03 2009

Мостіпаненко Г.Б. Вдосконалення характеристик низькоемісійних камер згорання газотурбінних двигунів методами математичного моделювання. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 Двигуни та енергетичні установки. Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2008.
Дисертація присвячена питанням числового моделювання низькоемісійних камер згорання газотурбінних двигунів з упорскуванням водяної пари і горінням частково перемішаної збідненої паливоповітряної суміші. Розроблена універсальна математична модель тривимірного хімічно реагуючого потоку, яка дає можливість прогнозувати вихідні температурні і екологічні характеристики камер згорання, що працюють на газоподібному паливі. Приведені результати верифікації моделі, які підтверджують її достовірність для широкого спектру робочих режимів. Запропонована методика числового експерименту. Отримані в ході розрахунків дані дозволили вдосконалити конструкції конкретних зразків низькоемісійних камер згорання. Доведена необхідність і можливість використання числового експерименту при проектуванні камер згорання газотурбінних двигунів.

У дисертаційній роботі представлене нове рішення завдання прогнозування і вдосконалювання екологічних характеристик стаціонарних газотурбінних двигунів, які працюють на газоподібному паливі, шляхом вибору раціональних геометричних і режимних параметрів їх камер на базі створеної математичної моделі низькоемісійної камери згоряння з частковим попереднім перемішуванням палива з повітрям і упорскуванням водяної пари.
На підставі проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

На основі аналізу і узагальнення вітчизняних і закордонних літературних даних установлені найбільш перспективні способи зниження шкідливих викидів і вироблені основні вимоги до організації робочого процесу в сучасних низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів.
Розроблено універсальну тривимірну математичну модель низькоемісійних газотурбінних камер згоряння ГТД, у яких організується гомогенно-диффузійне горіння паливоповітряних сумішей, обумовлене як фізичними процесами сумішоутворення, так і кінетикою хімічних реакцій.
Запропоновані і верифіковані ефективні кінетичні механізми окиснення газоподібного палива, що враховують часткове попереднє перемішування палива з повітрям, а також упорскування екологічної і енергетичної водяної пари і дозволяють коректно моделювати розподіл температур і концентрацій хімічних компонентів у низькоемісійних камерах згоряння ГТД. Отримано задовільну відповідність результатів числових і натурних експериментів.
Вдосконалено модель утворення оксидів азоту для низькотемпературних режимів горіння метану в камерах згоряння ГТД. Виявлено, що для камер згоряння ГТД, у яких реалізований принцип горіння частково перемішаної збідненої паливоповітряної суміші з максимальною температурою, що не перевищує 1900 К, істотну роль грає не тільки термічний механізм утворення оксидів азоту, але й механізм їх формування через закис азоту N2O (до 50 %). Запропоновано залежність для визначення концентрацій атомарного кисню в перерізах низькоемісійної газотурбінної камери згоряння, яка дозволяє задовільно прогнозувати емісію оксидів азоту.
На основі результатів математичного моделювання проаналізовані основні недоліки двох конструктивних типів низькоемісійних камер згоряння і дані практичні рекомендації з поліпшення температурного режиму й екологічних характеристик камер згоряння ГТД ДН-80 потужністю 25 МВт і ГТУ типу "Водолій" потужністю 16 МВт із упорскуванням екологічної й енергетичної водяної пари виробництва ДП "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування" "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв).
Раціональна організація робочого процесу в камері згоряння ГТД ДН-80 забезпечить скорочення розрахункової емісії оксидів азоту з 16 до 1 ppm, зменшення максимальної розрахункової нерівномірності температурного поля у вихідному перерізі з 19 до 8,6 % при збереженні коефіцієнта повноти згоряння палива. Запропоновані конструктивні зміни жарової труби камери згоряння ГТУ "Водолій" з упорскуванням водяної пари дозволять зменшити розрахункові викиди оксидів азоту c 33 до 10 ppm, оксиду вуглецю з 12 до 4 ppm і розрахункову усереднену радіальну нерівномірності температурного поля на виході з 8 до 3,8 %. З огляду на обмеження та допущення математичної моделі на двигунах можна прогнозувати зниження викидів оксиду азоту в 1,5-2 рази зі збереженням емісії СО і зменшення втрат повного тиску на 7 % (відносних) для ГТД ДН-80 і зниження викидів оксиду азоту в 1,3-1,5 разів і СО на 20-25 % для ГТУ типу "Водолій".
Розроблені практичні рекомендації з вдосконалювання низькоемісійних камер згоряння ГТД дозволять збільшити ресурс жарових труб, а, отже, і газотурбінних двигунів у цілому, створювати нові зразки конкурентоспроможної на світовому ринку продукції, які задовольняють міжнародним нормам на викиди токсичних компонентів. Крім того, застосування модернізованих варіантів камер згоряння дозволить одержати річний економічний ефект у розмірі близько 125000 $ для ГТД ДН-80 і 2000 $ для ГТУ типу "Водолій" за рахунок зменшення витрати охолоджувального повітря на лопатки перших ступенів турбін, що веде до підвищення ККД ГТД ДН-80 на 0,64 % абсолютних і двигуна ГТУ типу "Водолій" на 0,04 %.
Основні наукові результати дисертаційної роботи мають теоретичне і практичне значення для розробки і модернізації низькоемісійних камер згоряння ГТД і використовуються на ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" у вигляді рекомендацій для проектування і модернізації перспективних зразків низькоемісійних камер згоряння ГТД, а також у навчальному процесі Національного університету кораблебудування при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт зі спеціальностей "Турбіни" і "Екологія й охорона навколишнього середовища".