Введение к работе
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, в том числе 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 CO и окислов азота NOx, поэтому проблема снижения выбросов токсичных веществ является актуальной.
В Российской Федерации ГОСТом 28775-90 для ГПА с газотурбинным приводом допустимый уровень содержания токсичных веществ ограничивается: NOx 150 мг/м; СО 300 мг/м (в отработанных газах при 0 оС и 0,1013 МПа и условной концентрации кислорода 15%).
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:
-
Новые экспериментальные данные по влиянию изменения конструкции камеры сгорания на формирование эмиссионных показателей токсичных веществ, таких как оксиды азота NOx и окислы углерода СО.
-
Представлен анализ и обобщены результаты теоретического и экспериментального исследования рабочего процесса КС ГТД НК-16СТ, в конструкции которой, реализован комплекс технических решений.
-
На основе «термического» механизма Я.Б. Зельдовича образования NO, 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 NOx .
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 NOx 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 научно - технической 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.
