Введение к работе
Актуальность темы исследования. Увеличение в последние десятилетия масштабов промышленного применения газотурбинной техники в авиации и наземных установках поставило перед разработчиками совершенно новые задачи. Среди них наиболее сложной является обеспечение экологической безопасности при эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ). Прежде всего, это относится к снижению загрязнения атмосферы вредными веществами, образующимися при сгорании углеводородных топлив.
Начиная с 70-80-х годов истекшего столетия, принимаются законодательные национальные и международные нормативы по допустимым выбросам (эмиссии) вредных веществ от воздушных судов с ГТД и промышленных установок с ГТУ. Международные и национальные нормативы периодически пересматриваются и ужесточаются с тенденцией поэтапного снижения допустимых выбросов (уровней
Нормы
Нормы 2004 г.
эмиссии) вредных веществ.
1996 г.
Нормы
2008 г- Нормы 2014 г.
S?
Нормы 2020 г.
^ "' Нормы 2030 г.
m 40
Я)
* 20
s z и
В настоящее время основное внимание сконцентрировано на резком снижении выбросов NOx, как самом опасном компоненте загрязнения окружающей среды, (рисунок 1).
2004 2008 2014 2020 2030 Годы
Рисунок 1
Нормы на эмиссию NOx по данным ИКАО
В результате многолетних исследований ведущих мировых двигателестроительных фирм созданы и освоены в производстве методы снижения выбросов вредных веществ. Среди них можно выделить три основных, которые нашли наиболее широкое распространение в отечественной и зарубежной практике по созданию малоэмиссионных камер сгорания (КС) ГТД и ГТУ:
LDI (Lean Direct Injection) - горение обеднённой топливо-воздушной смеси (ТВС) с прямым впрыском топлива. Multi-LDI - много форсуночная (до 300 шт.) камера сгорания;
LPP (Lean Premixed Prevaporized) - горение обеднённой, предварительно подготовленной ТВС;
RQL (Rich (burn) - (quick) Quench - Lean (burn)) - сжигание обогащенной ТВС, последующее быстрое перемешивание с воздухом и догорание в обеднённой фазе.
Изложенные ранее технологии малоэмиссионного горения в ГТД практически достигли пределов своих возможностей. Однако целевые установки международной организации гражданской авиации ICAO (ИКАО), инициируют дальнейшие исследования по уменьшению эмиссий вредных веществ. По мнению большинства отечественных и зарубежных специалистов, достижение целевых и перспективных нормативов по эмиссии вредных веществ, таких как СО и NOx, возможно
лишь путем применения каталитических систем горения в КС ГТД. Поэтому тема исследования является актуальной.
Степень разработанности темы. У нас в стране и за рубежом работы в этом направлении были начаты уже более 30-ти лет назад. Тем не менее, до настоящего времени остаются нерешенными многие вопросы организации процессов каталитического горения в высокоскоростном турбулентном потоке газа в КС ГТД высокой мощности - свыше 20...30 МВт. Среди главных трудностей можно обозначить проблемы значительного повышения интенсификации процесса смесеобразования топлива и воздуха, увеличения эффективности тепломассопереноса в зонах химических реакций без потери устойчивости по срыву пламени.
Данная диссертационная работа посвящена решению начального этапа обозначенных проблем.
Цель и задачи. Цель работы - снижение уровня эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания за счет каталитического блока с компланарно-пересекающимися каналами для камер сгорания газотурбинных двигателей.
Задачи исследования:
-
Разработать каталитический блок, обеспечивающий микрофакельное горение топлива.
-
Методами численного моделирования:
выявить закономерности формирование вихревых структур в компланарно-пересекающихся каналах каталитического блока;
оценить уровень гидравлических потерь каталитических блоков.
3. Экспериментально установить:
закономерности взаимодействия потоков газа в системе компланарно-пересекающихся каналов;
эффективность дожигания СО на образце каталитического блока.
4. Разработать схему конструкции каталитической камеры сгорания на основе
результатов газодинамического исследования, обеспечивающей наименьшие
потери полного давления.
Объект исследования. Газодинамический эффект преобразования прямоточного течения в закрученное (по типу вихревого шнура) при движении и взаимодействии потоков в системе компланарно-пересекающихся каналов.
Предмет исследования. Каталитический блок с компланарно-пересекающимися каналами, с различными геометрическими размерами каналов.
Научная новизна.
-
Предложена новая газодинамическая схема организации микрофакельного горения топлива применительно к камерам сгорания ГТД и ГТУ.
-
Расчётными и экспериментальными способами выявлены условия формирования газодинамически устойчивых микровихревых структур, удовлетворяющих требованиям вихревой стабилизации пламени в микрофакеле.
-
Предложено новое техническое решение по использованию каталитических покрытий, обеспечивающее быстрое и экологически безопасное сгорание топли-вовоздушной смеси в поле действия массовых сил.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в создании математических и физических моделей организации рабочего процесса микро факельного горения в каталитическом блоке с компланарно-пересекающимися каналами.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы позволяют снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания ГТД. Они могут использоваться на предприятиях авиационного двигателестроения, специализирующихся на проектировании современных и перспективных малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Полученные образцы каталитических блоков могут применяться в нефтехимической отрасли при переработке нефти и газа, а также для получения синтетических топлив по методу Фишера-Тропша. На основе результатов научно-технического сотрудничества СГАУ и ОАО «Кузнецов» (г. Самара) разработан план внедрения рекомендаций по использованию каталитического блока для камеры сгорания ГТУ НК-38СТ.
Результаты работы планируется также использовать при подготовке специалистов в области газотурбинной энергетики, конструировании и проектировании двигателей летательных аппаратов в высших учебных заведениях.
Методология и методы исследования. Общий методологический подход к решению проблемы базируется на системном анализе, математическом и численном моделировании процессов.
Для решения задач использовались методы двумерного и трехмерного моделирования, вычислительной газовой динамики, модельных и натурных экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Новая схема организации процессов горения в микровихревых потоках то-пливовоздушной смеси с применением катализаторов.
-
Результаты теоретического исследования и численного моделирования новой схемы организации рабочего процесса в каталитических блоках с компланарно-пересекающимися каналами.
-
Результаты экспериментального исследования газодинамической структуры потока на модельных образцах каталитических блоков с компланарно-пересекающимися каналами.
Степень достоверности разработанных моделей и полученных результатов исследования подтверждена корректностью постановки задачи исследования, применением апробированных теорий, программных средств, сходимостью результатов расчета с экспериментами данными, полученными на специально созданном модельном стенде и с данными других авторов.
Апробация работы. Основные результаты и положения полученные в ходе диссертационного исследования были доложены на VIII Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей" Самара, 19-20 сентября 2012 г.; на VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» Казань, 16-18 октября 2012 г.; на Всероссийской научно технической конференции «Проблемы и пер-
спективы развития авиации и авиастроения России» г. Уфа, 17 мая 2013; на 19-ой школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева; на шестой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроении России» г. Москва, 25-28 сентября 2013 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ из них 4 в изданиях, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных исследований.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованных источников, в количестве 109 наименований. Работа изложена на 181 странице, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.
