Шилова Алена Алексеевна. Организация низкотемпературного бедного горения в камерах сгорания газотурбинных энергоустановок малой мощности

brief description

Шилова Алена Алексеевна. Организация низкотемпературного бедного горения в камерах сгорания газотурбинных энергоустановок малой мощности;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ»], 2023

Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра «Ракетно-космическая техника и энергетические системы»
На правах рукописи

Шилова Алена Алексеевна
ОРГАНИЗАЦИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО БЕДНОГО ГОРЕНИЯ
В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Специальность: 2.5.15 — Тепловые, электроракетные двигатели
и энергоустановки летательных аппаратов
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бульбович Роман Васильевич
Пермь - 2023
Оглавление
Принятые сокращения и условные обозначения 4
Введение 5
Глава 1 Обзор и обобщение научно-технической информации по организации малоэмиссионного низкотемпературного бедного горения в камерах сгорания газотурбинных энергоустановок 13
1.1 Проблемы сжигания разнородных по составу и теплопроизводительности
нестандартных топливных газов 13
1.1.1 Модификация стандартных газотурбинных установок для работы
с нестандартными топливными газами 13
1.1.2 Анализ характеристик горения нестандартных топливных газах в камерах
сгорания газотурбинных установок 18
1.1.3 Способы утилизации нефтяного газа. Проблемы сжигания нефтяного газа
в газотурбинных установках 22
1.2 Концентрационные пределы горения. Влияния условий подачи воздуха и
топливного газа на пределы горения 24
1.3 Исследования характеристик горения в камерах сгорания газотурбинных
энергоустановок 27
1.4 Эмиссия вредных веществ 35
1.5 Газотурбинные энергоустановки малой мощности 44
Выводы по Главе 1 48
Глава 2 Влияние параметров подачи компонентов на пределы горения топливных газов 50
2.1 Концентрационные пределы горения нестандартных топливных газов. Срывные
характеристики в камере сгорания по составу топливного газа 51
2.1.1 Определение концентрационных пределов горения слабозабалластированных
топливных газов методом Ле-Шателье 51
2.1.2 Определение концентрационных пределов горения сильнозабалластированных
топливных газов методом флегматизации 55
2.2 Влияния параметров подачи воздуха и топливного газа на пределы его горения.
Характеристики подогревателя топливного газа 63 
2.3 Границы срыва пламени при внешнем подогреве компонентов 73
Выводы по Главе 2 79
Глава 3 Влияние внешнего подогрева на характеристики камеры сгорания
газотурбинной энергоустановки малой мощности 81
3.1 Методика определения параметров газотурбинной энергоустановки малой
мощности с внешним подогревом топливного газа 81
3.2 Критерии устойчивости пламени в газотурбинных энергоустановках малой
мощности 92
3.3 Исследование режимных и газодинамических характеристик камеры сгорания
по реакторной модели 96
3.4 Влияние подогрева компонентов на режимные характеристики газотурбинной
энергоустановки малой мощности 111
Выводы по Главе 3 124
Глава 4 Численные и экспериментальные исследования по низкотемпературному горению стандартных и нестандартных топливных газов 125
4.1 Сравнительный анализ характеристик низкотемпературного бедного горения природного газа и нефтяного газа по результатам численного моделирования .... 125
4.2 Описание экспериментального стенда и методики проведения испытаний
по диффузионному горению 132
4.3 Верификация расчетных и экспериментальных данных по концентрационным
пределам при диффузионном горении нефтяного газа 137
4.4 Экспериментальные исследования по влиянию подогрева топливного газа
на эмиссионные и газодинамические характеристики горения 139
Выводы по Главе 4 149
Заключение 151
Список используемых источников информации 153
Приложение А 166
Приложение Б 167
Приложение В

bibliography

Заключение
В соответствии с целью и задачами диссертационной работы доказана воз-можность реализации устойчивого низкотемпературного бедного горения в камерах сгорания без зоны разбавления ГТУ малой мощности за счет внешнего подогрева компонентов отработанными на турбине газами. Основные результаты работы за-ключаются в следующем:
1) Выявлены и проанализированы применяемые на практике и перспективные направления по разработке малоэмисионных камер сгорания в составе газотурбин¬ных энергоустановок. Конвертированные и вновь разрабатываемые камеры сгора¬ния для сжигания нестандартных топливных газов должны обеспечить стабильное положение пламени при переменных составах, теплопроизводительности и усло¬виях эксплуатации, а также эмиссию вредных веществ в соответствии с установлен¬ными нормами.
2) При разработке малоэмиссионных камер сгорания в составе МГТУ для сни-жения эмиссии вредных веществ целесообразным является либо организация гомо¬генного горения предварительно подготовленной ГВС, либо организация низкотем¬пературного бедного горения при больших значениях коэффициента избытка воз¬духа с внешним подогревом топливного газа.
3) Для улучшения эффективности МГТУ предложено использовать подогрев воздуха и топливного газа перед их подачей в камеры сгорания в специальных реку-ператорах отработанными на турбине газами. Исследования показали, что при тем-пературах подогрева компонентов до 800 К возможна реализации низкотемператур¬ного бедного горения с температурами от 900 до 1500 К.
4) В качестве критериев устойчивости пламени при разработке КС МГТУ предложено использовать относительную расходонапряженность дк, соотношение скоростей WrBC/Ut, соотношения времен тпр/тсг и тПрт/тсг. По результатам инже¬нерного моделирования и экспериментальных исследований рекомендуются для га¬зотурбинных энергоустановок с полезной мощностью менее 500 кВт диапазоны дк = (0,5 - 3,5) • 10-4 кг/(с • Н), ^ГВСМ = (5 - 35), тщ/т„ > 1 и тП"ртЛсг > 1
5) Разработаны экспериментальные установки для исследования газодинами-ческих и эмиссионных характеристик горения. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили низкотемпературное устойчивое бедное горение при внешнем подогреве топливного газа при коэффициенте избытка воздуха 4.59, при котором температуры ПС достигали 1015 К.
6) Проведенные экспериментальные исследования подтвердили диапазоны относительной расходонапряженности^к = (0,5 — 3,5) • 10-4 кг/(с • Н), отношения скоростей WrBC/Ut = (5 — 35) и соотношение времен тпр/тсг > 1.
7) Экспериментальные исследования эмиссионных характеристик показали, что увеличение температуры топливного газа на входе в КС на 40% приводит к уменьшению эмиссии СО на 24 % и увеличению эмиссии NOx 15%. Однако, эмиссия NOx при бедном горении значительно ниже по сравнению с околостехиометриче¬ским горением. При дальнейшем подогреве топливного газа и улучшением условий смесеобразования можно получить более низкие значения по эмиссии СО, которые регламентируются заказчиком согласно ГОСТ 29328-92;
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Выявленные и экс-периментально подтвержденные рекомендации по организации низкотемператур¬ного бедного горения создают основу разработки перспективных малоэмиссионных камер сгорания в составе МГТУ. Практические результаты работы могут найти при¬менение на предприятиях топливо-энергетического комплекса.
Как показывают многочисленные исследования, разработка малоэмиссионых камер сгорания связана с решением проблем термоакустической неустойчивости внутрикамерных процессов. Полученные в работе результаты являются основой для дальнейших исследований в этом направлении.