Научная статья на тему 'К вопросу оптимизации процесса горения в камере сгорания газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата'

К вопросу оптимизации процесса горения в камере сгорания газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
324
87
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА / СОПЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ / ГОРЕНИ / GAS TURBINE ENGINE / BURNER NOZZLE TYPE / BURNING

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Орехов Е. А., Сухов А. И.

Приведена оценка результатов модернизации камеры сгорания газотурбинной установки путем замены штатных горелок на горелочные устройства соплового типа

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Орехов Е. А., Сухов А. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

O A QUESTION OF OPTIMIZATION BURNING IN THE COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE OF GAS-PUMPING UNIT

The assessment of results of modernization of the chamber of combustion of gas turbine engine by replacement standard burner on burner nozzle type is resulted

Текст научной работы на тему «К вопросу оптимизации процесса горения в камере сгорания газотурбинной установки газоперекачивающего агрегата»

УДК 621.438

К ВОПРОСУ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Е.А. Орехов, А.И. Сухов

Приведена оценка результатов модернизации камеры сгорания газотурбинной установки путем замены штатных горелок на горелочные устройства соплового типа

Ключевые слова: газотурбинная установка, сопловой элемент, горение

Введение

К камерам сгорания газотурбинных установок (ГТУ) предъявляют ряд требований, а именно необходимо [1]:

- обеспечить заданное распределение температуры по окружности и по высоте лопаток турбины;

- обеспечить высокую полноту сгорания топлива;

- надежно осуществить воспламенение при влиянии различных внешних и внутренних факторов;

- иметь минимальное гидравлическое сопротивление;

- не приводить к срыву пламени при переходе с режима на режим;

- не создавать пульсационного горения;

- обеспечить минимальные выбросы оксидов азота КОх и оксидов углерода СО.

Трудность обеспечения перечисленных требований в комплексе объясняется тем, что технические решения, позволяющие выполнить одно из требований, могут привести к несоответствию другим. Например, технические решения, обеспечивающие заданный ресурс, обычно приводят к снижению КПД ГТУ, а при мероприятиях, направленных на высокую полноту сгорания, а, следовательно, на уменьшение выбросов оксида углерода СО, повышаются вредные выбросы по оксидам азота КОх. Решения, направленные на снижение гидравлического сопротивления или на организацию горения «бедной» смеси, могут привести к пульсационному горению, а обеспечение надежного запуска взаимосвязано с

Орехов Евгений Александрович - ООО НТЦ «Космос -Нефть - Газ», инженер - конструктор по расчетам, тел. (4732) 47-91-65, e-mail: orehow.evgeniy@gmail.com Сухов Анатолий Иванович - ООО ФПК «Космос -Нефть - Газ», помощник исполнительного директора по новой технике, д-р техн. наук, тел. (4732) 47-95-43

пределами устойчивой работы камеры по коэффициенту избытка воздуха б [2].

Исходя из результатов теоретических и экспериментальных работ по исследованию рабочего процесса в камерах сгорания различных газотурбинных двигателей и установок, можно выработать общую концепцию организации процесса горения в камере сгорания ГТУ, состоящую из трех основных положений:

- организация предварительно до зоны горения образования топливовоздушной смеси;

- осуществление микрофакельного горения;

- обеспечение качественного смешения вторичного воздуха с продуктами сгорания.

Приведенные задачи можно решить на основе нового направления, заключающегося в модернизации камеры сгорания ГТУ путем замены штатных горелок на горелочные устройства соплового типа.

Общий вид элемента соплового горелоч-ного устройства приведен на рисунке 1.

Природный газ

-►

Топливовоз-цушная смесь ' ►

Рис. 1. Сопловой элемент

Данный сопловой элемент состоит из конической входной части, цилиндрической части, выходного диффузора и цилиндрического насадка, расположенного на входе в диффузор.

Применение сопловых элементов дает ряд преимуществ по сравнению со штатными завихрителями ввиду особенностей условий

работы в камере сгорания ГТУ - малого перепада давления на элементах.

Рассмотрим различия в закономерностях течения газа через завихритель и сопловой элемент.

Завихритель

Критический перепад давления на завих-рителе равен

ч

( ч — 1 ^ ч+1

ркр=(■—7+1 ] =0'5278’

где ч = 1,4-показатель адиабаты для воздуха.

Таким образом, при отношении давления на

Рз Р1

реализуется сверхзвуковой режим течения, при котором массовый расход не зависит от изменения (уменьшения) давления Рз .

Массовой расход через завихритель может определяться по формуле

выходе р3 к давлению на входе р1 < р

кр

от =

м • ^ • ч • ркр • Р1

а*

(1)

где /* - площадь проходного сечения элемента, м2; м- коэффициент расхода; ч - показатель адиабаты; ркр - критический перепад давления; Р1 - давление на входе, Па;

а, =

2 • ч ч +1

• Я • Т - критическая скорость пото-

ка, м/с; Я - газовая постоянная, Дж/ (кг • К); Т

- температура, К.

^ р3

При отношении давления — > р реа-

Р1

лизуется дозвуковой режим течения, при котором массовый расход зависит от изменения давления Р3 и определяется по формуле

° = м-/, 2 • -—1 • с1 • Р1 •

2

( Р^ ^ ч Р1

ч+1

( Рз} ч Р1

, (2)

где /* - площадь проходного сечения элемента, м2; м - коэффициент расхода; ч - показатель адиабаты; Р1 - давление на входе, Па; Р3 - давление на выходе, Па; с1 - плотность при условиях на входе, кг/м3.

Отношение текущего расхода к максимальному описывается соотношением (рис. 2)

О

О

а,

-. (3)

ч • ркр • Р1

Р3

р1

Рис. 2. Зависимость относительного расхода от перепада давления на завихрителе.

Сопловой элемент

В сопловом элементе при течении в диффузоре происходит восстановление давления. Величина восстановления давления определяется коэффициентом потерь диффузора, зависящего от различных факторов: угла раскрытия диффузора, шероховатости поверхности проточной части, геометрической точности изготовления и др.

Общий коэффициент сопротивления диффузора в основном складывается из коэффициента сопротивления трения отр и коэффициента сопротивления расширения ор

расш

_ 2 • ДР _

о = ---------2 = отр + орасш .

с • ^

При равномерном профиле скорости во входном сечении и больших числах Рейнольдса Яе > 105 коэффициент сопротивления расширения для диффузоров с углом раствора О0 < б < 400 вычисляется по соотношению

°расш = 3.2 • кд -I ^-

1 -•

п

п1 )

где кд - коэффициент равномерности (для конических диффузоров кд = 1); б - угол

раствора диффузора; пп1 = — - степень рас-

р0

ширения диффузора

Коэффициент сопротивления трения отр определяется соотношением

отр =

л

(

1 -•

1

Л

п

п1 )

о

От

Р1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 3. Зависимость относительного расхода от перепада давления на сопловом элементе

Представим участок АБ графика, приведенного на рис. 3, в виде ветви эллипса со смещенными осями.

где л - коэффициент гидравлического сопротивления, вычисляемый по общеизвестным эмпирическим соотношениям [3] в зависимости от значения критерия Рейнольдса:

Уравнение эллипса записывается в виде

(* - с)2 , (У - V)2 = 1

2 7 2 ’

а Ь

64

л =------ , если Яе < 2300;

Яе

л = ■

0.3164

Яе0

, если 2300 < Яе <

-0.25

Яе <

л = 0.11 •<\Аэ + — I ,если У й Яе )

560 • й

А э

. 0.25

Л 0п < Аэ V Я 560 • й

Л = 0.11 • I — I , если Яе >------------------

I й ) А э

Здесь Аэ - эквивалентная шероховатость; ^0 • й0

Яе =--------- - критерии Рейнольдса; ^0 -

«0

скорость в минимальном сечении диффузора; й0 - диаметр минимального сечения; н0 - кинематическая вязкость газа;

Вследствие восстановления давления в диффузоре расходная характеристика соплового элемента будет аналогична характеристике завихрителя, но значение ------= 1 будет

Р

достигаться при — >> 0.5278 (рис. 3)

Р1

где а - большая полуось эллипса; Ь - малая полуось; с - смещение по оси х; й - смещение по оси у.

Подставив полученные данные в уравнение (1), получаем

< У

Р3

р

чР______)

(1 - р)2

У —т ) = 1

1 '

После преобразования уравнение относительного расхода имеет окончательный вид

От

1-

Р3

Р1

(1 - р )2

(4)

Необходимо отметить, что экспериментальные данные показали возможность достижения п = пкрс = 0.93. График функции

—=/

от

У Р1 У щий вид (рис. 4).

при ркрС = 0.93 имеет следую-

2

1.25

1

2

2

Р3

Р1

Рис. 4. Зависимость относительного расхода от перепада давления на сопловом элементе

при ркрс =093

Значения ркрс определяется экспериментально при продувке сопла на воздухе при постоянных значениях расхода О и давления на входе Рх. Постепенно увеличивают давление на выходе Р3 и регистрируют величины давлений Р1, Р3 на осциллографе. Точкой отсчета является начало увеличения давления Р1 при определенной величине Р3 . Общий вид диаграммы на осциллографе приведен на рис. 5.

Р1

Р3

Рис. 5. Общий вид диаграммы на осциллографе при определении р

Правомерность определения значений расхода воздуха по формуле (4) можно косвенно подтвердить в соответствии со следующим алгоритмом.

1. Проводятся испытания соплового элемента и замеряют давление Р2 в минимальном сечении.

2. При испытаниях определяются значе-

Р2 /

ния — = /

< РъЛ У Р1)

(см. рис. 6)

Р1

Рис.6. Зависимость относительного давления в критическом сечении сопла от перепада давления на сопловом элементе

3. Для получение расходной характеристики соплового элемента по формуле (3) линейно интерполируем экспериментальную зависимость, приведенную на рис. 6, и получаем зависимость

Р = 8 • Р - 6.98. Р1 Р1

(5)

Расходная характеристика для соплового элемента с учетом формулы (3) имеет вид

От

(6)

ч • ркр • Р1

где Р2 - давление в минимальном сечении сопла, Па.

Подставив значения функции (6) в соотношение (3) получаем

G_

Gm

2

8 • Р - 6.98І4 Рі

8 • Р - 6.98 Рі

• a*

.(7)

4 • Ркр • Рі

4. Сравнительный анализ расходных характеристик, построенных по формуле (3) для завихрителя и формуле (7) для соплового элемента, и значений, определенных по формуле (4) для завихрителя и для соплового элемента, приведен на рис. 7

£1

Р1

Рис. 7. Зависимость относительного расхода

от перепада давления на сопловом элементе и завихрителе

Заключение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Полученные результаты показали приемлемую сходимость результатов расчета расхода воздуха по формуле (4), что значительно упрощает проведение расчетов конкретной

конструкции соплового элемента при любом перепаде давления. Представляет интерес исследование сопряженной задачи процессов смесеобразования и горения, затронутых в работах [5-9], а также анализ влияния конструкции смесительного элемента на эффективность этих процессов. В настоящее время экспериментальные исследования данной проблемы ведутся в ООО НТЦ «Космос - Нефть

- Газ».

Литература

1. Лефер Л. Процессы в камерах сгорания ГТД. Издательство «Мир», М.,1986г.

2. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. Издательство М. Машиностроение, 1979г.

3. Идельчик Н.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Госэнергоиздат. 1960г.

4. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. Энергия, М. 1970г.

5. Кретинин А.В. Формирование нейросетевой базы данных для оптимизации структуры персептронов // Сиб. журн. вычисл. математики. РАН. Сиб. отд-ние. 2005. Т. 8. № 1. С. 43-55.

6. Кретинин А. В. Решение уравнений Навье-Стокса методом взвешенных невязок на базе нейросете-вых пробных функций// Системы управления и информационные технологии. 2005. № 2(19). С. 17-20.

7. Кретинин А.В., Булыгин Ю.А., Волгин В.А., Апасов В.Н. Использование динамических расчетных сеток в нейросетевом методе взвешенных невязок для моделирования гидродинамических задач // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2007. № 9. С. 33-40.

8. Шостак А.В., Кретинин А.В., Гуртовой А.А. Построение нейросетевых моделей агрегатов кислородноводородного жидкостного ракетного двигателя// Известия вузов. Авиационная техника. 2005. № 1. С. 72-73.

9. Стогней В.Г., Кретинин А.В. Моделирование течений в канале с проницаемой стенкой на базе искусственных нейронных сетей // Известия вузов. Авиационная техника. 2005. № 1. С. 34-38.

ООО НТЦ «Космос - Нефть - Газ», г. Воронеж

TO A QUESTION OF OPTIMIZATION BURNING IN THE COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE OF GAS-PUMPING UNIT E.A. Orekhow, A.I. Suhov

The assessment of results of modernization of the chamber of combustion of gas turbine engine by replacement standard burner on burner nozzle type is resulted

Key words: gas turbine engine, burner nozzle type, burning

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.