CC BY
55
УДК 629.7.036.3:621.43.056
ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ДОВОДКИ НИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ
СГОРАНИЯ ГТУ НК-16СТ
А.Н. МАРКУШИН*, В.К. МЕРКУШИН*, В.М. БЫШИН*, А.В. БАКЛАНОВ**
* Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева ** ОАО "Казанское Моторостроительное Производственное Объединение"
Разработана низкоэмиссионная камера сгорания с организацией диффузионного горения для современной газотурбинной установки. Представлены результаты экспериментальных исследований создания и доводки камеры сгорания.
Ключевые слова: низкоэмиссионная камера сгорания, диффузионное горение, экспериментальное исследование.
Развитие газотурбинных двигателей (ГТД) на современном этапе определяется требованиями надежности, экологии и экономичности их работы, которые во многом зависят от рациональности конструкции камеры сгорания (КС) и оптимальной организации рабочего процесса в ней. Рациональность конструкции камеры определяется организацией устойчивого и высокоэффективного сжигания топлива при минимальных потерях полного давления, заданных параметрах температурного поля продуктов сгорания, выходящих из КС, и низким уровнем эмиссии токсичных веществ (окиси углерода СО, несгоревших углеводородов СпНт и окислов азота NOx, при высокой надежности и долговечности работы газотурбинного двигателя. Кроме этого современный этап характеризуется процессом конвертирования авиационных двигателей для наземных установок [1].
На ОАО «КМПО» ведутся работы по усовершенствованию диффузионного процесса горения в традиционной камере сгорания. В настоящее время разработана кольцевая низкоэмиссионная камера сгорания (НКС) для газотурбинной установки НК-16СТ мощностью 16 МВт, созданной на базе авиационного газотурбинного двигателя.
При работе над этой камерой использовалась технология "предельных возможностей", реализация которой состоит в следующем:
• предельно возможное обеднение топливовоздушной смеси и интенсификация смешения топлива и воздуха в первичной зоне;
• предельно возможное уменьшение времени пребывания, Тпр.
Схема НКС ГТД НК-16СТ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Низкоэмиссионная камера сгорания: 1 - газовый коллектор; 2 - топливные форсунки; 3 -фронтовое устройство; 4 - жаровая труба; 5 - корпус ЖТ; 6 - горелки
Она состоит из корпуса 5, жаровой трубы 4 и газового коллектора 1 для подачи газа к горелкам 6. Жаровая труба - кольцевая, малой длины, многосекционная с конвективно-пленочным охлаждением. Камера имеет фронтовое устройство 3 с 32 горелками частичного смешения.
Расчет основных характеристик КС проводился по принципу, предложенному в работе [2], в котором весь объем камеры разбивается на отдельные гомогенные секторы, для каждого из которых рассчитываются массовые и объемные расходы, составы продуктов сгорания.
1. На начальном этапе расчетов на основе прототипа серийной камеры сгорания и гидравлического расчета был сформирован облик НКС.
Жаровая труба (ЖТ) НКС двигателя НК-16СТ отличается от серийной ЖТ. В ее фронтовом устройстве применены конфузорные горелки частичного смешения (ГЧС) вместо серийных диффузорных горелок. ГЧС обеспечивают более интенсивное выгорание топлива, что позволило укоротить жаровую трубу с 575мм до 347мм (за точку отсчета взята плоскость фронтового устройства) на 38,5% , а следовательно,
уменьшить время пребывания пр продуктов сгорания с 11 до 7 мс и за счет этого снизить выбросы NOx.
Из рис. 2. видно, что в зону горения НКС было подведено большее количество
воздуха, по сравнению с серийной КС, путем организации третьего пояса отверстий. Дополнительная масса воздуха способствовала снижению уровня температур в зоне горения и уменьшению времени пребывания газов в ней, что повлияло на снижение выхода NOx.
Рис. 2. Схемы жаровой трубы серийной и низкоэмиссионной камеры сгорания НК-16СТ и распределение относительных площадей отверстий по их длине
2. Исходя из геометрии жаровой трубы и уравнений баланса воздуха, топлива и продуктов сгорания определяется распределение местных составов смеси:
а г = Овг / (в тг70 )
(1)
3. Определяются расходы воздуха через фронтовое устройство и пояса отверстий:
в
фр В
р фр
в в
в В =
О „
(2)
4. Располагая исходными значениями температуры и воздуха на входе в расчетном сечении жаровой трубы, можно определить среднюю температуру газов в этом сечении [3]:
г-2
С рг—2 *г-2 X в + С рв * в °!-1 + АхвТ Ни
*г =
перв
рг
г-1
I о
перв
, (3)
где Срг, Срв - теплоемкость газа и воздуха в соответствующих сечениях; Тг,
Тв - температура газа и воздуха; вт - расход топлива; вв, вперв - расход воздуха и расход воздуха через завихритель; Ни - теплотворная способность топлива; Ах - доля сгоревшего топлива на рассматриваемом участке.
5. Для оценки неравномерности поля температур в представленной модели применялись приближенные уравнения, предложенные в работе [4]:
0 =
в
В
см охл.гс 1 - ОВ - ОВ
1 +1 9411'67-0'1^СГ 72,1 отв гс
+1
1 - в
туоб
1,05 - в В
охл.гс О охл
-/1 /2
— I
туоб
(4)
6. Определение полноты сгорания. На основе рассмотрения поверхностной теории турбулентного сгорания осредненного "моля" смеси получена зависимость для определения локальной полноты сгорания топлива на рассматриваемом участке:
Ах
Ах ■ 8
П =
7
(
ЗГ
В ■10 ■ 1п
1 + -
Ж
, \
и
н ;
(5)
где Ж' - пульсационная скорость; Ж' = е Ж
В - постоянный безразмерный коэффициент, оценивающий отличие скорости потока смеси в зоне горения от средней скорости холодного потока, а также отличие размера «молей» и величины пульсационной скорости, определяющих протяженность
зоны горения, от средних характеристик; е - интенсивность турбулентности; 0 -масштаб турбулентности [5].
Данная зависимость позволяет определить полноту сгорания осредненного
объема смеси с составом а 1 за время пребывания на участке КС длиной Ах со
скоростью Ж и сгорающей с поверхности с турбулентной скоростью ин 0 = ин + Ж'.
Нормальная скорость горения и н определяется, согласно теории Я.Б. Зельдовича [6]
и н =
2 а м С 0
* Л
т
У1 г
Аехр (—
& \
Тг — Т* >
/ * \/ * \3 Е/ ЯТг >( ЯТг
0,5
(6)
где м - коэффициент температуропроводности; Е - энергия активации; Я -
л л
Т Т
универсальная газовая постоянная; к - начальная температура; г - температура
горения;
С
0 _
начальная концентрация; А - константа.
Параметры турбулентности, входящие в расчетные зависимости, можно оценить по эмпирическим уравнениям, имеющимся в литературе.
7. Определение эмиссии токсичных веществ. Основной расчетной зависимостью при определении образования NOx является уравнение Я.Б. Зельдовича [7]:
N0х = 3,84.1014 е-650»»'ТГ (1,1/а* >1,7
(7)
где Тг - температура газа в зоне реакции; Т пр - время пребывания газов в камере.
Таким образом,
СN0х = /1(ТГ, рВ, Тпр, аЕ)
Среднее время пребывания газа в КС определяется зависимостью
ТПР
V Р
ЯВ ТК С В
(8)
здесь объем ЖТ КС определяется выражением Vж П ср Н ж ,
где " ср - средний диаметр ЖТ; ж - высота кольцевой ЖТ; - длина ЖТ.
На рис. 3 приведены расчетные параметры по длине ЖТ КС НК-16СТ. Отсюда видно, что за фронтовым устройством в результате смешения газообразного топлива с воздухом образуется топливовоздушная смесь в концентрационных пределах воспламенения с коэффициентом избытка воздуха 0,6-0,8, поэтому здесь происходит первичное воспламенение, сопровождающееся соответствующим повышением температуры газа. Дальнейшее разбавление первичного состава воздухом обеспечивает появление стехиометрических составов, в результате чего в зоне горения происходит бурное реагирование смеси с последующим выделением тепла и существенным повышением температуры газа.
а)
б)
в)
Рис. 3. Параметры температуры (а), выхода оксида азота (б), полноты сгорания по длине ЖТ (в), при
ак = 5;
Тк* = 600 К; Рк* = 1,0 МПа Затем, с уменьшением количества реагирующего топлива в смеси, горение прекращается, что обуславливает постоянство значения п , а также снижение температуры газа в результате подмешивания вторичного воздуха.
2
Рис. 4. Схемы испытанных вариантов блоков КС: а) вариант №1 (базовый); б) вариант №2 (1-я сборка), в) вариант №3, 4 (2-я, 3-я сборка)
С изменением конструкции КС изменились ее характеристики. Например, снизилась температура в зоне горения, уменьшилось время пребывания продуктов сгорания и, следовательно, снизился уровень образования оксидов азота.
Таким образом, расчетная модель позволила прогнозировать изменение температуры, полноты сгорания и выделение оксидов азота по длине жаровой трубы в зависимости от конструкторских изменений КС и от режимных параметров двигателя.
Следует отметить, что спроектированная КС требовала индивидуальной доводки по неравномерности температурного поля на выходе из ЖТ. С целью осуществления данной работы было спроектировано и испытано несколько вариантов блоков КС, схемы которых показаны на рис. 4.
Первый вариант исследованной КС (базовый вариант) имел следующее расположение и количество отверстий для подвода воздуха по длине жаровой трубы (см. рис. 4, а)
Второй вариант КС (1-я сборка), рис. 4, б, отличается от базового тем, что на внутренней обечайке отверстия, образующие III пояс, были расширены до Ш20 мм. Смесительные патрубки - "Карманы" наружной обечайки были поджаты до ширины 0,5 мм. Третий вариант КС (2-я сборка), рис. 4, в, отличается от варианта 1-й сборки тем, что в отверстиях I пояса наружной обечайки были закрыты все отверстия, за исключением 12 отверстий Ш13 мм, расположенных под, фиксаторами предназначенными для подвески жаровой трубы, и 4 отверстия Ш15 мм, расположенные под смотровые лючки. Так же все отверстия внутренней обечайки образующие II пояс, были расширены до Ш13мм, а отверстия III пояса наружной обечайки были сокращены до количества 35 и увеличены до Ш20 мм. Карманы наружной обечайки были расширены до 2мм. Четвертый вариант КС (3-я сборка) отличался от варианта 2-й сборки только тем, что карманы наружной обечайки были расширены до 5 мм.
Таблица
№ пояса Обечайка I пояс II пояс III пояс «Карманы»
Наружная Ш13 (70шт) Ш13 (70шт) Ш15 (70шт) b = 5мм
Внутренняя Ш11 (70шт) Ш11 (70шт) Ш15 (35шт) b = 8мм
Во время испытаний вариантов экспериментальной КС на стенде при замерах величины температуры на выходе из камеры режимные параметры стенда соответствовали номинальному режиму работы КС: температура воздуха на входе в
t = 200 ±20 с —115 "5 м/с
мерный участок вх °С, скорость воздуха вх , средний
а = 51 ±0,1
коэффициент избытка воздуха Е ' . На выходе из камеры сгорания была установлена шеститочечная гребенка с термопарами типа «ХА». Диапазон измерения температуры указанными термопарами лежит в пределах (600...1200)°С. Регистрация измерений производилась ЭВМ с последующим выводом результатов на печатающее устройство. Приёмники термогребёнки располагались в плоскости входных кромок лопаток первого соплового аппарата, по высоте тракта.
Рис. 5. Радиальная неравномерность температурного поля на выходе из четырех вариантов КС
Из графиков рис. 5 видно, что базовый вариант и вариант 1-й сборки КС имеют максимальные значения температуры в месте расположения термопары №6, а другие варианты КС имеют максимальные значения температуры в точке замера термопарой №4. Следовательно, перераспределение воздуха по длине ЖТ снизило температуру продуктов сгорания около наружной обечайки КС у всех вариантов сборки за исключением сборки №1, по сравнению с базовым вариантом. Однако для всех вариантов сборки наблюдается снижение температуры продуктов горения у внутренней обечайки камеры. Необходимо особенно отметить, что перераспределение воздуха в ЖТ оказало значительное влияние на изменение температуры в ядре потока продуктов сгорания.
На основе проведенного анализа основных параметров нескольких вариантов КС выбран лучший конструктивный варианта камеры, в котором основные параметры температурной неравномерности были оптимизированы с учетом проведенных испытаний. Оптимизация параметров камеры проводилась путем изменения диаметров отверстий I, II и III поясов, а также варьированием ширины проходного сечения "карманов". Новая конструкция камеры должна обеспечить минимальный выброс токсичных веществ, сохраняя требуемые параметры температурного поля на выходе, полнотные и "срывные" характеристики. Оптимальным вариантом выбрана сборка №3 КС, которая имеет наиболее приемлемые параметры температурного поля.
По результатам испытаний, после доводки фактические величины окружной неравномерности и радиального поля температур соответствовали нормам ТУ на серийную КС (рис. 6, 7).
Рис. 6. Окружная неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания (отклонение максимальной температуры в 1 — м поясе от средней температуры в 1 — м поясе)
Рис. 7. Радиальная неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания (относительная температура газа в 1 — м поясе)
Поэтому дальнейшие работы по низкоэмиссионной КС были проведены в составе полноразмерного двигателя НК-16СТД: отработаны запуск, выход на режимы частичной и полной мощности, так же произведен замер эмиссии токсичных веществ. Согласно СТО ГАЗПРОМ [8], замеры производились непосредственно в шахте выхлопа. Параметры эмиссионных характеристик по оксидам азота N0x и углерода СО, на некоторых режимах работы газотурбинной установки приведены на рис. 8.
Из графика видно, что на максимальном режиме работы установки №=16МВт, эмиссия токсичных веществ, приведенная к нормальным атмосферным условиям,
С^0х)ном15%°2 = 96мг/м3 С(СО)ном 15%О2 = 228,5мг/м3 составила 4 'ном ; у /ном ' , на других
режимах также концентрация N0x и СО не превысили допустимых ГОСТом [9]
значений.
Рис. 8. Зависимость концентрации СО и N0x от мощности установки
По результатам проведенной работы, можно сделать следующие выводы:
1. Технология предельных возможностей позволила спроектировать КС, удовлетворяющую современным требованиям, предъявляемым к низкоэмиссионным камерам сгорания.
2. НКС имеет хорошие показатели по всем основным характеристикам.
3. Камеру сгорания после ресурсной отработки можно рекомендовать для применения на серийных двигателях НК-16СТ и НК-16-18СТ.
Summary
The diffusion flame combustor with low level of emission for serial GTE is developed. The results of experimental researches of creation and operational development of the combustion chamber are presented.
Key words: combustor with low level of emission, diffusion flame, experimental researches.
Литература
1. Л е ф е в р А. Процессы в камерах сгорания ГТД / Пер. с англ. М: Мир, 1986,
566 с.
2. Оджерс. Моделирование камер сгорания газотурбинных двигателей. AIAA-Pap, 1977 №52. с. 10.
3. Зуев В.С. Скубачевский Л.С. Камеры сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Оборонгиз, 1958. 212 с.
4. Горбунов Г.М. Выбор параметров и расчет основных камер сгорания ГТД. М.:МАИ, 1972, 229с.
5. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. 306 с.
6. Зельдович Я.Б. К теории теплонапряженности протекания изотермической реакции в струе // Журн. техн. физики. 1941. Т. 11. С. 493-500.
7. Пчелкин Ю.М. камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. 392 с.
8. СТО ГАЗПРОМ 2-3.5-038-2005 «Инструкция по проведению контрольных измерений вредных выбросов газотурбинных установок на компрессорных станциях»
9. ГОСТ 28775-90 "Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия". Госстандарт. М., 1991.
Поступила в редакцию 18 мая 2009 г.
Маркушин Андрей Николаевич - главный конструктор ОАО «Казанского моторостроительного производственного объединения» (КМПО).
Меркушин Валентин Константинович - ведущий инженер-конструктор отдела главного конструктора (ОГК) ОАО «Казанского моторостроительного производственного объединения» (КМПО).
Бышин Владимир Михайлович - главный специалист отдела главного конструктора (ОГК) ОАО «Казанского моторостроительного производственного объединения» (КМПО).
Бакланов Андрей Владимирович - аспирант Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КАИ). Тел.: 8-950-3196979; 8 (4371) 3-64-49. E-mail: andreybaklanov@bk.ru.
