Методика определения эмиссии канцерогенных ароматических углеводородов камерами сгорания газотурбинных двигателей и установок Чечет Иван Викторович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Использование углеводородных топлив в транспортных двигателях и энергетических установках сохранится еще на многие десятилетия, поэтому совершенствование организации рабочего процесса в камерах сгорания различного назначения продолжает оставаться актуальным. Особое внимание уделяется экологическим аспектам сжигания топлив.

В настоящее время Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) нормируются выбросы: оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (HC), оксидов азота (NO_X) и дыма (SN). Аналогично, и крупные компании (ПАО «Газпром») вводят и свои стандарты на выбросы СО и NO_X в установках наземного применения. Вместе с тем, известно, что продукты сгорания углеводородных топлив обладают канцерогенной активностью, так как в составе несгоревших углеводородов содержатся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые способны вызывать раковые заболевания у живых организмов и мутацию клеток. Ущерб, наносимый окружающей среде за счет выброса отдельных ПАУ, например, бенз(а)пирена, сопоставим с ущербом от выбросов CO или NOx. Однако, если учесть, что в продуктах сгорания содержится целый спектр ПАУ, то становится очевидным, что вклад группы канцерогенных ПАУ в общее загрязнение окружающей среды при сжигании топлив может оказаться решающим. Кроме того, ПАУ являются основными промежуточными веществами в цепи реакций формирования сажистых частиц.

Для снижения выбросов канцерогенных ПАУ весьма актуальной является задача выявления механизмов их образования при горении углеводородных топлив. Этот процесс, в настоящее время, моделируется с использованием детальных кинетических схем, включающих тысячи химических реакций и сотни реагирующих веществ.

Развитие суперкомпьютерных технологий, а также программного обеспечения, поддерживающего параллельные вычисления, позволяет решать численными методами в детальной постановке задачи механики жидкости и газа, в том числе с химическими реакциями. Учитывая высокую стоимость экспериментальных исследований по доводке камер сгорания, необходимость привлечения значительных материальных и временных ресурсов, а также низкой информативностью внутрикамерных процессов приобретает актуальность использование современных программно-аппаратных средств для моделирования и исследования рабочих процессов в камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей и установок (ГТУ) и разработка более точных методов их расчета. Поэтому, разработка методики численного моделирования эмиссии канцерогенных ПАУ камерами сгорания ГТД и ГТУ с использованием детальных кинетических механизмов является актуальной.

Степень разработанности темы. В разработку методов, описывающих образование ПАУ, существенный вклад внесли как российские, так и иностранные учёные: Ю.Варнац, Б.Л. Вестбрук, В. Алкимеда, К.Х. Хоман, С.И. Стейн, К.Ф. Мелиус, Н.В. Лавров, Г.М. Беджер, С.К. Рей, Р. Лонг и другие. Основным недостатком предлагаемых методов являлась схематичность путей образования ПАУ и отсутствие достоверных экспериментальных данных.

Ю.Д. Битнер, Ю.Б. Ховард и другие перешли к разработке качественных методов и экспериментальному подтверждению образования ПАУ на модельных пламёнах. С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев и другие, экспериментально, показали, что образование бенз(а)пирена, как характерного представителя канцерогенных ПАУ

определяется концентрацией продуктов пиролиза исходного топлива, среди которых важную роль играет ацетилен (С2Н2). Однако построенные на основе обобщений этих исследований прогностические модели зависят от эмпирических коэффициентов, справедливых в узком диапазоне граничных условий.

Начиная с работ М. Френклаха, Г. Ванга, К.Ф. Мелиуса, Г. Рихтера, М. Маринова, М. Крафта и других, были предложены детальные механизмы, включающие сотни компонентов и тысячи элементарных реакций роста ПАУ из ацетилена, но одной из существенных проблем является нехватка надёжных термодинамических и кинетических данных по константам элементарных стадий химических реакций.

Несмотря на перспективность использования детальных механизмов, их применимость к моделированию образования ПАУ в реальных технических устройствах крайне затруднительна, даже для современных суперкомпьютеров. Поэтому активно развиваются комбинированные методы, сочетающие в себе расчёт химической кинетики на базе реакторных моделей и численное моделирование газовой динамики в трёхмерной постановке. Существенный вклад в совершенствование этих методов внесли: Старик А.М., Куценко Ю.Г., Langwell J.P., Poinsot T., Zimont V. и другие, однако, применительно к эмиссии ПАУ эти методы недостаточно проработаны.

Цель работы: Повышение эффективности проектирования и доводки малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей и установок за счёт разработки методики численного моделирования эмиссии канцерогенных углеводородов при сжигании газообразных топлив с использованием детальной химической кинетики.

Задачи работы:

1. Создание комплекса экспериментальных установок, моделей и систем измерения для исследования процессов образования канцерогенных ПАУ.

2. Создание детального кинетического механизма включающего пути образования канцерогенных ПАУ и определение соответствующих констант скоростей элементарных стадий с использованием квантово-химических методов расчёта.

3. Расчётно-экспериментальное исследование образования канцерогенных ПАУ в модельных пламёнах.

4. Разработка и валидация методики численного моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием детальной химической кинетики.

Объект и предмет исследования. Объект исследования – процессы горения и образования вредных веществ, происходящие в КС ГТД и ГТУ при сжигании газообразных углеводородных топлив. Предмет исследования – методика определения эмиссии вредных веществ камерами сгорания ГТД и ГТУ с использованием детальной химической кинетики окисления газообразных углеводородных топлив.

Научная новизна:

1. Сформирован новый кинетический механизм, состоящий из 270 химических веществ и 2156 элементарных химических реакций, детально описывающий образование канцерогенных углеводородов, отличающийся расширенным блоком элементарных реакций 4-6 кольцевых ПАУ.

2. Получены новые данные по константам скорости элементарных стадий химических реакций, приводящих к образованию бенз(а)пирена, как характерного представителя группы канцерогенных ПАУ, отличающиеся повышенной точностью значений за счёт использования современных квантово-химических методов расчёта.

3. Впервые получены новые экспериментальные данные по образованию бенз(а)пирена, как характерного представителя группы канцерогенных ПАУ при горении метана с добавками ацетилена в модельной камере сгорания, а также нафталина, фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, хризена, бенз(б)флуорантена, бенз(к)флуорантена, дибенз(а,h)антрацена, бенз(g,h,i)перилена при горении газообразных топлив в модельных пламёнах. Выявлены основные закономерности синтеза ПАУ при горении многокомпонентных топлив.

4. Впервые предложена методика численного моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием детального кинетического механизма окисления газообразных углеводородных топлив.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в выявлении закономерностей образования канцерогенных ПАУ, формировании кинетического механизма их синтеза и получении новых констант скоростей химических реакций с использованием современных квантово-химических расчётов.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработанной методике численного моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием современных программных пакетов и созданной базы данных термодинамических свойств индивидуальных веществ и констант элементарных химических реакций, позволяющей создавать кинетические схемы, описывающие процесс горения газообразных углеводородных топлив разного уровня детализации.

Разработанная методика расчета и моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием современных пакетов программ газодинамического, физико-кинетического и квантово-химического моделирования позволяет более тщательно на стадии проектирования оценить вклад канцерогенных углеводородов в суммарный выброс вредных веществ с отработавшими газами.

Результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении исследований в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению № 14.587.21.0033 от 28 июля 2016 г. о предоставлении субсидии (уникальный идентификатор проекта RFMEFI58716X0033), а также следующих работ:

- «Создание эффективных технологий проектирования и
высокотехнологического производства газотурбинных двигателей большой мощности
для наземных энергетических установок» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15 февраля
2013 г. № 27/13 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации
(Минобрнауки России) на основании постановления Правительства Российской
Федерации №218 от 09 апреля 2010 г.);

- «Экспериментальное исследование смешения распыленного топлива с
воздухом и образования вредных веществ применительно к малоэмиссионным
камерам сгорания ГТД с гомогенизацией горючей смеси» (договор с ЦИАМ № 26/12
от 15 марта 2012 г.).

Методы исследования:

1. Методы одномерного моделирования скорости распространения ламинарного пламени в зависимости от состава и температуры реагентов с использованием детального и редуцированного кинетических механизмов окисления газообразных топлив.

2. Методы моделирования течений топливовоздушной смеси в трёхмерной стационарной и нестационарной постановках на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса.

3. Методы моделирования горения топливовоздушной смеси с использованием детального химического механизма применительно к цепи химических реакторов.

4. Экспериментальное определение эмиссионных характеристик модельных пламён и камер сгорания ГТД и ГТУ, работающих на газообразном топливе, при различных режимах работы.

Положения, выносимые на защиту:

5. Результаты расчётов констант скорости элементарных стадий химических реакций, приводящих к образованию бенз(а)пирена, как характерного представителя канцерогенных ПАУ.

6. Результаты обоснования и тестирования детального кинетического механизма окисления газообразных углеводородных топлив.

7. Обобщение результатов исследования образования ПАУ в модельных пламёнах и камерах сгорания ГТД и ГТУ при горении газообразных углеводородных топлив.

8. Методика определения выбросов канцерогенных ПАУ камерами сгорания ГТД и ГТУ, основанная на комбинации расчётов структуры потока в трёхмерной постановке и в моделях цепи реакторов с использованием детальной химической кинетики окисления газообразных топлив.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

применением сертифицированного программного комплекса Chemical
WorkBench (Россия) и ANSYS Chemkin (США), верифицированного на задачах
определения термохимического состояния газовых смесей;

применением сертифицированного коммерческого программного комплекса
ANSYS Fluent (США), верифицированного на задачах расчёта газодинамических
реагирующих течений по результатам сравнения с экспериментальными данными,
полученными в научно-образовательном центре газодинамических исследований
Самарского университета;

использованием в экспериментальном исследовании аттестованного и
поверенного измерительного оборудования;

высоким уровнем согласования результатов численного моделирования с
данными, полученными в ходе экспериментальных исследований в модельных
камерах сгорания.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской НТК «Физико-химические проблемы сжигания углеводородных топлив» - Москва: РАН, 1998 г.; XIII Симпозиуме по горению и взрыву, Черноголовка: ИПХФ, 2005 г.; Всероссийской НТК «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», Самара, 2010, 2012, 2014, 2017 гг.; Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2011, 2016 гг.); Научно-техническом конгрессе по двигателестроению (Москва, 2012 г.); Симпозиуме с международным участием «Самолётостроение

России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); «ASME Turbo Expo 2015: Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Монреаль, 2015 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2015 г.); «7 European Combustion Meeting» (Будапешт, 2015); «ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Сеул, 2016 г.); Международном симпозиуме «7th International Symposium on nonequilibrium processes, plasma, combustion and atmospheric phenomena (NEPCUP 2016)», (Сочи, 2016 г.); «3rd General Meeting and Workshop on SECs in Industry» (Прага, 2017 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 3 статьи в периодических изданиях, включённых в список ВАК РФ, 3 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 4 публикации в материалах конференций, 1 патент и 1 свидетельство о государственной регистрации базы данных.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 195 наименований. Основной текст содержит 145 страниц, 67 иллюстраций и 10 таблиц.