Особенности конвертирования форсированной по скорости камеры сгорания при работе на природном газе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438.577.4

ОСОБЕННОСТИ КОНВЕРТИРОВАНИЯ ФОРСИРОВАННОЙ ПО СКОРОСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПРИ РАБОТЕ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

© 2002 А. Ф. Ивах, Г. П. Гребенюк, М. Н. Ишбулатов, В. И. Арефин, Н. И. Фокин

ФГУП «НПП «Мотор», г. Уфа

В работе приведены результаты экспериментальных исследований особенностей процесса горения в высокофорсированной по скорости камере сгорания при ее переводе на природный газ. Определены пути модернизации конструкции базовой камеры сгорания, обеспечивающие требуемый уровень характеристик и концентрации N0, без предварительного перемешивания топливовоздушной смеси.

Одной из главных задач конверсии авиационного двигателя в газотурбинный привод (ГТП) наземных энергоустановок является разработка конструкции камеры сгорания (КС), работающей на горючем природном газе и обеспечивающей наряду с выполнением требований по традиционным характеристикам жесткие нормативы по уровню эмиссии основных вредных выбросов - окиси азота NОх < 50 мг/нм3 и окиси углерода СО < 250 мг/нм3 при условии достижения ресурса ГТП не менее 25 000 час.

Как показывает опыт, снижение концентрации NОх до 50 мг/нм3 путем сжигания предварительно перемешенной “бедной”

(аФу = 1,8...2,2) топливовоздушной смеси (ТВС) невозможно без решения вопросов обеспечения устойчивости горения, требующих новых сложных систем автоматического управления, что наряду с появлением при сжигании “ бедных” ТВС пульсационного горения приводит к снижению эксплуатационной надежности КС и проблематичности достижения ресурсных показателей ГТП [1].

Возможен другой путь малоэмиссионного сжигания топлива, базирующийся, как и первый, на принципе локального уменьшения температуры пламени. Но, в отличие от первого, низкотемпературное пламя формируется при сжигании топлива по “богато-бедной” (Я^-Ь) схеме. Суть такой схемы заключается в быстром разбавлении “богатой”

ТВС («фу =0,5...0,7) большим количеством

воздуха. Подача холодного воздуха приводит к понижению температуры пламени за счёт его смешения с горящей ТВС и её забеднению

(аФу увеличивается с 0,5...0,7 до 1,6... 1,8),

и задача получения низкого уровня концентрации N0Ох при “богато-бедной” схеме организации процесса горения состоит в обеспечении закона выгорания диффузионного факела по длине жаровой трубы с температурой пламени, не превышающей температуры

окисления азота ( Т*ф < 1800 К ). Камеры сгорания с технологией “богато-бедного” горения имеют преимущество перед КС, реализующими сжигание предварительно перемешенной “бедной” ТВС - широкий диапазон устойчивой работы, отсутствие пульсацион-ного горения при простой одноконтурной системе дозировки топлива.

Именно под такую схему проводилась модернизация КС серийного авиационного двигателя Р13-300, используемого в качестве газотурбинного привода энергетической установки ГТЭ-10/95 с номинальной мощностью N = 8 МВт. Главной задачей модернизации камеры сгорания при ее переводе на природный газ являлось выполнение нормы ГОСТ 29328-92 по концентрации оксидов азота в продуктах сгорания

( Сш < 50 мг/нм3) при сохранении максимальной преемственности с базовой конструкцией, обладающей высоким уровнем надежности и основных газодинамических характеристик (при работе на жидком топливе камера сгорания имеет при аКС = 3,5, ПГ = 0,98 , оКС = 0,920 , < 1,08 ,

0тах < 1,25 ). Уровень оксидов азота серийной камеры сгорания составляет примерно 200 мг/нм3.

Практическая реализация достижения уровня ЫОх < 50 мг/нм3 при “богато-бедной” схеме организации процесса горения с обеспечением закона выгорания диффузионного факела, при котором исключается превышение температуры окисления азота, является сложной задачей. Опыт разработки промышленных ГТУ-2.5П и ГТУ-4П на базе авиационного двигателя Д-30 показал, что при невысоких параметрах термодинамического

цикла (п* = 7,0; Т* = 543 К ; Т* = 1 100 К) можно достигнуть уровня эмиссии ЫОх и СО менее 50 мг/нм3, реализуя схему “ богато-бедного” горения [2]. Параметры камер сгорания ГТП-10/953 и ГТУ-4П (табл. 1) близки друг к другу и отличаются, в основном, по величине трактовых скоростей.

Первый же этап испытаний КС в серийной компоновке на природном газе выявил резкое отличие в процессах горения газообразного и жидкого топлив на Хк = 0,41 - полнота сгорания топлива на акс = 3,5 составила пГ = 0,8...0,82 (рис. 1); при уменьшении

скорости до Хк = 0,28 полнота сгорания возрастала с цГ = 0,82 до цГ = 0,925 (рис. 2).

Полученный результат отчетливо показывает сильное влияние скорости на входе и по тракту КС на процессы смешения и горения во фронтовом устройстве топлив, находящихся в разных фазовых состояниях. Можно предположить, что при работе КС на традиционном жидком топливе с Хк = 0,41 и с соответствующими этой скорости перепадами давления на жаровой трубе подача воздуха во фронтовое устройство через завихри-тель и приток приблизительно половины воздуха от 1-го ряда отверстий обеспечивают в узкой зоне фронта пламени состав смеси

афу ~ 1,0; при переходе на газообразное топливо при отсутствии у него фазового перехода горение смеси начинается сразу за завих-рителем, куда воздух от 1 -го ряда отверстий не доходит, в результате чего состав смеси во

фронте пламени снижается до СХфу ~ 0,60, что и влечет за собой падение полноты сгорания.

Таблица 1

КС двигателя Параметр

* Т к, К Р* Г к кгс/см Тг, К ^к Жфу, м/с Жкк, м/с wжф■у., м/с Wмид, м/с

Жк, м/с а ф фу

ГТП- 10/953 534 6,8 1100 0,41 8,10 93 6,4 38

162 0,50

Серийная Д-30 543 7,4 1100 0,28 4,30 34 3,5 20

^ к=0,41

«кс=3,5

Рис. 1. Зависимость коэффициента полноты сгорания ПГ от состава смеси

0,9

0,8

< I 0 ■ о ■ Е0=1150 см I ^=1250 см V ♦ ЧГ'-.. ж /\ж + *•+

серийная 2^=145 / и 2 / Ч о / * о \ 2г

К

Рис. 2. Влияние Хк на коэффициент полноты сгорания топлива

П

г

При изменении Хк с 0,41 до 0,28 потери полного давления в камере сгорания снижаются

( АР* ~ 4% ), увеличивается перепад давления на жаровой трубе и в большей степени на за-вихрителе, в результате состав смеси во фронте пламени приближается к 1,0 и полнота сгорания во фронтовом устройстве возрастает.

Таким образом, задача конверсии серийной форсированной по скорости КС при переводе на природный газ сводилась к исследованию влияния на цГ основных геометрических параметров КС при Хк = 0,41, обеспечивающих на этом режиме подобие по процессам смешения и горения, реализуемых на

режиме Хк = 0,28, и позволяющих при максимально возможной преемственности с серийной конструкцией обеспечить доводку основных характеристик камеры сгорания на природном газе, в том числе и по вредным выбросам.

Для оценки возможности практической реализации Я^-Ь схемы в рамках конструкции серийной КС выполнен анализ зависимостей, количественно связывающих эмиссию окислов азота с основными геометрическими и режимными параметрами КС [3]:

^ = ®е рФт )Уж

(1),

где Ps - относительный объём стехиометрических областей в КС; Уж - объём жаровой трубы; (р(От ) - универсальная функция числа Дамкелера; сое - эффективная скорость окисления азота.

Анализ составляющих выражения (1) показывает, что с учетом того, что (Ое зависит только от температуры факела, на процесс образования ЫОх в основном влияют величины относительного объема стехиометрических зон Р,, времени их существования т и слабо - потери полного давления

(, - ^л/дР7).

Таким образом, возможности снижения МОх в рамках базовой КС ограничены, при реализации схемы Я^-Ь сводятся в основном к варьированию подвода воздуха по длине жаровой трубы с целью:

- оптимизации акс^ = ^Ж1) изменением

размера отверстий и расположения их рядов;

- интенсификации смешения воздуха и топлива для уменьшения объема стехиометрических областей Р, изменением степени

раскрытия жаровой трубы ( X ¥0 = гаг);

- интенсификации процесса разбавления продуктов сгорания в области завершения

процесса горения (цГ - 0,95) до коэффициента избытка воздуха порядка аКС = 2,0.2,5 (для быстрого снижения температуры диффузионного факела) варьированием размеров отверстий и расположением их рядов.

С учетом этих положений выполнен комплекс экспериментальных исследований с целью определения особенностей процессов горения в высокоскоростной серийной КС и использования полученных результатов при организации процесса горения по схеме Я^-Ь. Испытания КС проводились в соста-

I

завихритель

форсунка 1 ряд осн.отв.

Рис. 3. Схема испытуемого узла КС и фронтового устройства

ве одногорелочного отсека (рис. 3) на природном газе с моделированием режимов работы КС в составе ГТП по критериям подобия:

- приведенной скорости на входе в КС Як = №к/акр ;

- коэффициенту избытка воздуха

акс = вв1 ;

- перепаду давления топливного газа на форсунке Кф = Р*г1РКс .

Ниже представлены основные результаты исследований.

Влияние увеличения перепада давления на жаровой трубе показано на рис. 2 для трех

уровней её зажатия: Х¥0 = 1,0 (серийный вариант), 0,85 и 0,80 и реализовано уменьшением площади основных отверстий. Коэффициент

полноты сгорания при Як = 0,41 и аКС = 3,5 вырос с пГ = 0,82 до ПГ = 0,89, т.е. на

АПГ = 7 % .

Дополнительное увеличение перепада давления на завихрителе установкой воздухозаборника на головку жаровой трубы (рис. 4) привело к росту г]Г с 0,82 (о) до 0,88

( А ) при Х¥0 = 1,0. Эффект влияния воздухозаборника в варианте с “зажатой” жаровой

трубой Х¥0 = 0,80 снизился в 3 раза, а на скорости Як = 0,28 вообще не проявился. Замена исходного срывного диффузора на диффузор с внезапным расширением (п = 1,4; рис. 4) позволила уменьшить потери полного давления в КС примерно на 1 %, увеличить перепад давления на завихрителе за счет умень-

рЗАВ А ДИФ

Рис. 4. Схема фронтового устройства с воздухозаборником и диффузором

шения скорости воздуха в плоскости завих-рителя.

Оптимизация состава смеси и процессов смешения во фронтовом устройстве осуществлялась варьированием

- расхода воздуха через завихритель;

- расхода воздуха через 1-й ряд отверстий и их положением по длине жаровой трубы.

Изменение ¥и ¥0дЯд в исследованном

диапазоне выявило наличие оптимума ЛГ по обоим факторам (рис. 6). Смещение отверстий 1-го ряда по потоку, как и их полное закрытие, приводило к ожидаемому резкому падению ПГ . Суммарный эффект от оптимизации параметров ФУ составил АцГ - +5 % (точки ■ на рис. 2).

Оптимизация параметров системы охлаждения жаровой трубы уменьшением

АОохл с 38 % до 23 % привело к снижению известного эффекта «замораживания» [4] части отсепарированного к стенке жаровой трубы топливного газа и увеличению полноты сгорания на 3 % (рис. 7).

Оптимизация размеров и положения отверстий 2-го ряда выполнена варьированием расположения 8-ми отверстий на 2, 3 и 4-й секциях с разными комбинациями диаметра отверстий в одном ряду для обеспечения большей эффективной площади загромождения жаровой трубы и улучшения условия догорания на струях. Наилучший результат получен при расположении 2-го ряда отверстий на 3-й секции.

Результирующие данные по коэффициенту полноты сгорания топлива в КС с жаровой трубой, доработанной на основе результатов проведенных исследований, показаны на рис. 1 и рис. 2 точками ♦. Точки + этих рисунков соответствуют жаровой трубе с требуемым уровнем температурных полей газа, обеспеченных изменением числа и диаметра отверстий последнего ряда. Идентичность в

оценке ПГ для существенно разной по числу и диаметру отверстий комбинации 3-го ряда говорит о достижении практически полного выгорания топливовоздушной смеси за 2-м рядом отверстий жаровой трубы при скорос-

Я 2=0,41

Я 2=0,41, акс=3,5

X 2=0,41, а кс=3,5

n г

0,95

1 -й ряд

0,9 4

F о/о, см

30

Рис. З. Влияние на пг диффузора Рис. б. Влияние на Пг площади

с фиксированным срывом

завихрителя и отверстии

Рис. 7. Влияние на Пг расхода охлаждающего воздуха

тях потока воздуха Хк = 0,41. В результате коэффициент полноты сгорания топлива на

акс = 3,5 увеличен с пг = 0,82 до цг = 0,96 и превысил пг серийной КС на режиме

Хк = 0,28 приблизительно на 3,5 % (рис. 2); в рабочем диапазоне составов смеси аКС = 4,0..6,0 полнота сгорания получена равной пг = 0,98...0,99 (рис. 1).

Жаровая труба с выбранным по результатам испытаний вариантом распределения подвода воздуха по длине испытана в составе одногорелочного отсека на стенде ОАО “Авиадвигатель” при практически полной имитации параметров с измерением концентрации NOx и СО. Испытания подтвердили полученные в процессе доводки на стенде НПП “Мотор” основные характеристики КС

(Пг > 0,99 ; vmax; 0max < 1,25 ) и правильность

найденного закона подачи воздуха по длине жаровой трубы, обеспечившего концентрацию оксидов азота ниже 50 мг/м3 (рис. 8). Измерения концентраций вредных выбросов выполнялись приборами Testo-350, IMR-3010Р (Германия) и инфракрасным анализатором (CO2) IPA-PRO лаборатории PPM SYSTEMS (Финляндия) [5]. Характер измерения температуры стенок жаровой трубы, полученный с помощью термоиндикаторной краски ТР-10, показал завершенность процесса горения перед последним рядом отверстий с максимумом температуры на газосбор-нике 720° С. Результаты сопоставления температурного состояния стенок жаровой тру-

бы по термокраскам с результатами измерений температуры стенок накладными хро-мель-алюмелевыми термопарами (рис. 9) показали их практическую сходимость

( АІшах = Ітерм - ІТР-10 = 40 °С), пОДтвердив тем

самым целесообразность их использования в доводке КС.

Камера сгорания в компоновке, прошедшей контрольные испытания на стенде ОАО «Авиадвигатель», установлена в газотурбинный привод и успешно эксплуатируется в составе энергоустановки ГТЭ-10/95. В процессе работы ГТЭ-10/95 выполнены измерения концентраций загрязняющих веществ на выходе из ГТП (прибор ТеБІо-324-3) в диапазоне рабочих нагрузок N = 1,74.8,0 МВт

(аКС = 5,7.. .4,3). Концентрация ЫОх, измеренная в составе ГТЭ-10/95 (рис. 10), близка к ранее полученному в составе одногорелочно-го отсека и на режиме номинальной мощности не превысила 50 мг/нм3; величина СО на режиме номинальной мощности составила ~210 мг/нм3.

Результаты проведенных исследований камеры сгорания в составе одногорелочного отсека и энергоустановки ГТЭ-10/95 подтвердили практическую реализацию высокоэффективного малоэмиссионного горения “богато - бедной” смеси без предварительного её перемешивания и показали возможность выполнения современных требований по экологии в отработанных надежных конструкциях камер сгорания двигателей предыдущих поколений путем их усовершенствования с использованием концепции Я^-Ь.

CNOx60

мг/м

50

40

30

20

-Q—©

ак

Рис. 8. Результаты измерений концентрации N0 в продуктах сгорания одногорелочного отсека

№ термопары

Рис. 9. Показания хромель-алюмелевых термопар ♦ и температура стенок жаровой трубы

Рис. 10. Результаты измерений концентрации вредных выбросов в продуктах сгорания ГТЭ-10/95

Список литературы

1. Рыжов А. А., Гребенюк Г. П., Фокин Н. И. Исследование особенностей процесса горения предварительно перемешенной “бедной” и “ богатой” топливовоздушной смеси в однозонной камере сгорания // Сб. трудов АН РБ. - Уфа, 2001.

2. Булатов А. И., Серов А. В., Токарев В. В. Выбор закона рассредоточенной подачи струи воздуха по длине жаровой трубы в камеру сгорания промышленного ГТУ для уменьшения эмиссии окислов азота // Вестник ПГТУ Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Пермь, 1999. С. 14.

3. Кузнецов В. Р. Образование окислов азота в камерах сгорания ГТД. Труды ЦИАМ № 1086. М.: ЦИАМ, 1983. С. 8-18.

4. Рыжов А. А., Гребенюк Г. П. Проблемы организации низкоэмиссионного сжигания жидкого топлива и природного газа в однозонной камере сгорания ГТУ Сборник трудов АН РБ. Уфа, 1999. С. 108-119.

5. Результаты испытаний жаровой трубы 953.03.2.2100 камеры сгорания двигателя ГТП-10/953 в одногорелочном отсеке на стенде ОАО «Авиадвигатель» / Технический отчет № 37618. Пермь, 2002.

PECULIARITIES OF CONVERTING SPEED-BOOSTED COMBUSTION CHAMBER OPERATING ON NATURAL GAS

© 2002 A. F. Ivakh, G. P. Grebenyuk, M. N. Ishbulatov, V. I. Arefin, N. I. Fokin Federal Enterprise of Science and Manufacture “Motor”, Ufa

The paper presents the results of experimental research into the peculiarities of the combustion process in a highly speed-boosted combustor when it starts to work on natural gas. Ways of updating the basic combustor design ensuring the required level of characteristics and NOx concentration without previously stirring the air-fuel mixture have been determined.