CC BY
34
УДК 621.438
С.И.Сербин, А.Н.Маринец
Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Украина
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАПУСКА ГТД ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
Представлены результаты экспериментальных исследований плазмохимических систем в модельных камерах сгорания ГТД на низкосортном топливе. Приведены данные о коэффициенте полноты сгорания, компонентном составе, структуре и динамике развития плазмохимического факела. Проанализированы возможные места расположения плазмо-химического устройства в газотурбинной камере сгорания. Наиболее предпочтительным является расположение плазмохимического устройства в начальных сечениях камеры сгорания. Полученная область запуска газотурбинной камеры по коэффициенту избытка воздуха в несколько раз шире области срыва пламени основного топлива.
Ключевык слова: газотурбинный двигатель, запуск ГТД, камера сгорания, пусковая характеристика, топливо дизельное, топливо моторное, плазмотрон, плазмохимическое устройство, форсунка.
Введение
Приоритет в разработке плазменных технологий сжигания топлив в судовой энергетике принадлежит Национальному университету кораблестроения. Работы по этому направлению проводились в 1980-х годах. В итоге были созданы плазменные системы инициирования воспламенения и стабилизации горения топлив для судовых газотурбинных двигателей и котлов [1]. Дальнейшее развитие этой тематики позволило в 1990-е годы создать плазмохимические системы интенсификации горения для судовой и смежных отраслей энергетики [2]. В настоящее время серийно выпускаются плазменные и плазмохимические системы типа СПВ, СПВИ, СПХИ, СПХГ различных модификаций, которые успешно применяются в газотурбинных двигателях и котлоагре-гатах, работающих на газообразном и дизельном топливе [2].
С каждым годом возрастает интерес к альтернативным источникам энергии, что стимулирует развертывание конверсионных работ по проблемам сжигания низкосортных топлив в ГТУ [3].
Растет спрос и активно разрабатываются газотурбинные установки, способные работать на природном газе (основное топливо) и жидком топливе (резервное топливо). Прорабатываются решения подачи этих топлив в камеру сгорания с помощью единой топливной системы [4].
Широко проводятся работы по экологизации ГТД [5]. Основные усилия направлены на создание многозонных и многогорелочных камер сгорания. Парциальность ввода топлива через многочисленные форсунки, расположенные в раз-
ных зонах камер сгорания требует эффективного решения вопросов обеспечения надежного воспламенения и стабилизации горения топлива на всех эксплуатационных режимах.
Анализ приведенных выше и других публикаций по топливным проблемам газотурбинной техники показывают несомненную актуальность вопросов обеспечения возможности работы плаз-мохимических систем на более широком ассортименте топлив и в более широком диапазоне параметров.
Цель работы: исследование возможности использования плазмохимических средств для розжига газотурбинных камер сгорания на моторном топливе и повышения эффективности запуска ГТД.
Материальная часть и техника эксперимента
В экспериментах использовались образцы систем плазменного воспламенения и плазмохи-мической интенсификации горения, основными элементами которых являются плазменные или плазмохимические устройства и источники их электропитания. Технические характеристики систем обеспечивали проведение испытаний плазмохимических средств в диапазоне рабочих токов электрической дуги 3-10 А и рабочих напряжений 100-300 В (при напряжениях холостого хода 500-600 В и потребляемой мощности 1,5-3,5 кВА).
В опытах использовались как штатные средства плазмохимических систем, так и специально разработанные. Испытания серийных пусковых блоков со штатными форсунками пускового топлива и плазмохимических устройств прово-
© С.И.Сербин, А.Н.Маринец, 2011
- 36 -
дались в составе как модельных, так и натурных камер сгорания ГТД.
Для теплотехнических, газоаналитических и голографических измерений параметров плазмо-химического факела и процессов горения топлива использовалось соответствующее лабораторное оборудование и методическое обеспечение отдела подготовки и сжигания топлив НУК.
Экспериментальные исследования проведены в следующем диапазоне параметров: расходы! основного воздуха в модельных камерах сгорания 60-300 г/с, основного топлива 1-7 г/с, плазмооб-разующего воздуха 0,05-1,0 г/с и топлива (пускового) через ПХР (пусковой блок) 0,07-1,2 г/с, температур основного воздуха 310-330 К и топлива 310-330 К.
На пусковых режимах реальный перепад давлений циклового воздуха на стенках использованных в экспериментах жаровых труб в камерах сгорания ГТД находится примерно в диапазоне 0,25-0,50 кПа. Многочисленные эксперименты показали, что при таких значениях, характеризуемых низкими скоростями втекания циклового воздуха, запуск камер сгорания плазмохими-ческими средствами обеспечивается весьма надежный. Однако при таких скоростях качество смешения моторного топлива с воздухом недостаточное, поэтому и качество горения низкое. Кроме того, вследствие низких значений скоростей движения воздуха и, следовательно, низких скоростей обдува поверхностей значительная часть топлива не попадает в зону горения и на стенках пусковых блоков и жаровых труб интенсивно образуются нагары.
В ГТД переход с легкого топлива на тяжелое обычно осуществляется при нагрузках около 30% номинальной мощности. Поскольку скорости движения воздуха в камере сгорания на этих режимах значительно выше, чем на пусковых режимах, то эксперименты с целью моделирования высоких скоростей проводились при перепадах давления воздуха на стенках модельных камер до 3,0 кПа.
Результаты исследований
Большая часть представленных результатов получена при испытаниях ПХР, предназначенных для работы на дизельном топливе. Конструкция базового для выпускаемых плазмохими-ческих систем варианта ПХР описана в [2]. Устройство включает в себя плазмотрон постоянного тока (с диаметрами дугового канала ё2 до уступа и ё3 после уступа) и последовательно ему расположенную реакторную камеру, в объеме выходного сопла которой (диаметром ё4) осуществляется реагирование топлива с плазмой.
В целях отработки плазмохимических устройств для многотопливных ГТД разработаны экспери-
ментальные образцы ПХР с реакторной камерой, предназначенной для работы на двух типах топлив (жидком и газообразном). Камера выполнена двухсекционной: первая по потоку секция — для плазмохимического реагирования жидкого топлива, вторая (диаметром ё5) по потоку — для газообразного топлива. Некоторые экспериментальные образцы допускали работу ПХР на газообразном топливе с его подачей не только в первую или вторую секции, но и в обе одновременно. В испытанных образцах диаметры соотносились как ё2<ё3<ё4<ё5. Принципиальная схема проточной части экспериментального плазмохи-мического реактора представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема ПХР
На выходе из сопла работающего ПХР формируется высокотемпературный и высокоскоростной поток химически активных продуктов плазмохимического реагирования, интенсифицирующий рабочие процессы в камерах сгорания ГТД.
Отметим, что интенсифицирующее влияние обедненного плазмохимического факела носит в основном термическую природу и явно проявляется только в хорошо подготовленных горючих смесях. Интенсифицирующее влияние богатого топливом факела имеет не только термическую, но и химическую природу, благодаря чему его проявление в меньшей степени зависит
ЮЗЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 37 -
от качества подготовки горючей смеси. В таблице 1 приведено содержание стабильных горючих компонентов продуктов реагирования дизельного топлива (ДЛ), моторного (ДТ) и смеси пропан-бута-новой технической (СПБТ по ГОСТ 20448-90) с воздушной плазмой на характерном для ПХР режиме работы (апхр = 0,4 и 1дуги =8А). Осредненная проба для анализа отбиралась на расстоянии 50 мм от среза сопла ПХР базовой конструкции. Видно, что дизельное и моторное топлива образуют близкие по составу плазмохимические продукты, не очень значительно отличающиеся от таковых для газообразного топлива.
Таблица 1
Компонентный состав плазмохимических продуктов
Тип топлива Состав продуктов ПХР, %
Н2 СО СН4 С2Н4 С2Н6 С3Н8
ДЛ 6,8 8,9 1,8 2,4 0,6 0,7
ДТ 10,3 9,7 1,7 0,3 1,3 0,8
СПБТ 11,4 10,2 0,4 0,5 0,7 3,3
Эксперименты показали, что посекционный ввод топлива небольшими дозами по длине канала ПХР значительно повышает интенсивность и глубину переработки топлива. Одновременная подача жидкого и газообразного топлива в ПХР приводит к жесткому истечению его продуктов. Образующийся факел очень устойчив к внешнему газодинамическому воздействию, особенно пРи «пхр ^
При феноменологическом описании образующийся факел плазмохимических продуктов может быть ассоциирован с понятием «плазменный стержень» и идентифицирован, прежде всего, как «раскаленное тело». Глубоко проникая вглубь зоны горения, независимо от газодинамической обстановки, он интенсивно эжекти-рует спутные среды. С одной стороны, такие свойства гарантированно обеспечивают воспламенение подаваемого основного топлива, а, с другой стороны, могут вызывать (особенно при апхр>1) серьезную перестройку поля течений. Для предотвращения возможных нарушений формы зоны обратных токов кинетическая энергия плазмо-химического потока не должна превышать оптимального значения, что легко достигается соответствующим подбором диаметра выходного сопла ПХР и его режимных параметров.
Возможные варианты размещения плазмохи-мических средств в камерах сгорания ГТД показаны на рис. 2, а: позиция I на схеме соответствует размещению плазмохимической горелки в воздушном завихрителе или размещению ПХР на оси безфорсуночного фронтового устройства;
позиция II — размещению ПХР в корпусе фронтового устройства, позиция III — на коническом участке жаровой трубы, позиция IV — перед первым поясом отверстий на месте штатного пускового блока, позиция V — за первым поясом отверстий жаровой трубы.
JV
h
0,8 0,6 0,4 0,2 0
аЗАП 100
50
20
10
5
^jujj.
/О
. В,4,." 1
2 3 .
\ □ \ 4 "--л
Я. \ 5
■
J л JE б 1<1 V
10
J II
IV V
Рис. 2. Влияние места расположения ПХР на характеристики камеры сгорания: 1,3,5,7,9 - топливо ДЛ; 2,4,6,8,10 - топливо ДТ; 1,2 - апхр = 0,50; 3,4 - апхр = 0,25; 5,6 - апхр = 0,09
V
III
II
а
7
8
9
1
в
На рис. 2, б представлены экспериментальные данные о коэффициенте полноты сгорания плазмохимических продуктов ^ в модельной камере сгорания. Из диаграммы видно, что ^ слабо зависит от типа топлива. Большее влияние оказывает состав смеси. При коэффициентах избытка воздуха в плазмохимических продуктах апхр > 0,25 полностью реагирует не менее 50% подаваемого в ПХР топлива. Наибольшая полнота сгорания наблюдается при расположении ПХР в начальных сечениях жаровой трубы (позиции I, II), наименьшая — в конце зоны обратных токов (позиции IV, V).
На рис. 2, в представлены области запуска модельной камеры по коэффициентам избытка воздуха апхр. Пусковые характеристики определены во всем возможном диапазоне изменения параметров камеры и ПХР и в обобщенном виде показаны в виде диаграмм. Видно, что область гарантированного запуска (наблюдающегося при наиболее неблагоприятном сочетании параметров камеры и ПХР) на моторном топливе ДТ практически мало отличается от области запуска на дизельном топливе ДЛ (см. соответственно ступенчатые линии 10 и 9). При благоприятном сочетании параметров верхняя граница запуска расширяется, причем наиболее существенно в случаях расположения ПХР в начальных сечениях камеры сгорания. По мере удаления ПХР от начальных сечений эффективность запуска уменьшается. В позиции V запуск камеры наблюдается только при параметрах, по значению близких к традиционному факельно-искровому способу запуска.
Из представленных данных следует, что ПХР базовой конструкции вполне работоспособен на моторном топливе. Наиболее предпочтительным является его расположение в начальных сечениях жаровой трубы. Граница естественного бедного срыва факела основного топлива по коэффициентам избытка воздуха в камере сгорания находится аСР » 10-20. При расположении ПХР в позиции II область запуска превышает эту границу в разы, а при расположении в позиции I — в десятки раз, достигая значений аздп » 150-200.
ПХР с двухсекционной реакторной камерой по условиям компоновки испытан только в двух позициях I и IV. На монотопливных режимах он обеспечивал характеристики, идентичные обычному ПХР. На режимах с посекционным вводом дизельного и моторного топлив этот ПХР в позиции IV обеспечивал аздп » 10-40, что сопоставимо с пусковыми характеристиками, свойственными расположению ПХР базовой конструкции в позиции III.
Эффективность запуска камер сгорания во многом определяется динамическими характеристиками плазмохимических средств. Для их ис-
следования проведены голографические исследования факела продуктов ПХР. Методами го-лографической интерферометрии и скоростной киносъемки установлено, что динамика процесса развития первичного плазменного факела определяется в основном расходом плазмообразу-ющего воздуха. В ПХР базовой конструкции продолжительность установления плазменного течения не превышает 40 мс. Перестройка течения в ПХР при подаче топлива осуществляется не более 400 мс. Такие динамические характеристики указывают на широкие возможности разнообразного применения плазмохимических средств для инициирования воспламенения и стабилизации горения: запуск ГТД, переход с одного вида топлива на другой, обеспечение режимов маневрирования и парциальной работы многогорелочныж низкоэмиссионныж камер сгорания.
Заключение
Комплекс проведенных экспериментальных исследований плазмохимических систем на моторном топливе позволяет сделать следующие выводы.
1. Параметры и конструктивное устройство серийно выпускаемых плазмохимических систем допускают возможность работы на моторном топливе типа ДТ.
2. При использовании плазмохимических устройств пусковая характеристика камеры сгорания ГТД на моторном топливе может быть обеспечена при значениях коэффициентов избытка воздуха в несколько раз превышающих значения границы естественного бедного срыва процесса горения основного топлива.
3. Плазмохимические средства являются весьма перспективными для повышения эффективности запуска ГТД с многогорелочными низкоэмиссионными и многотопливными камерами сгорания.
Перечень ссылок
1. Романовский Г.Ф. Плазменное воспламенение и сжигание топлив в судовых установках / Г.Ф. Романовский.—Л.: Судостроение, 1986.— 86 с.
2. Романовский Г.Ф. Плазмохимические системы судовой энергетики /Г.Ф. Романовский, С.И. Сербин. - Николаев: УГМТУ, 1998. - 246 с.
3. Конверсионные работы по проблеме сжигания высоковязких и суспензионных топлив в ГТУ / А. В. Байков, В. К. Верхоломов, Г. К. Ведешкин, Е. Д. Свердлов // Конверсия в машиностр. — 2005. - № 4-5. — С. 150-153.
4. Patent 6928821 United States, МПК7 F 02 C 7/22. Dual fuel power generation system / Gerhold Bruce W., Conocophililps Co. — Appl. N 10/814008; 31.03.2004; Publ. 16.08.2005.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
— 39 —
5. Ковецкий В.М., Ковецкая М.М. Газотур- особенности, перспективы // Проблеми загаль-бинные двигатели в энергетике: достижения, но! енергетики. — 2008 . — № 17. — С. 24—30.
Поступила в редакцию 30.06.2011
C.I. Сербш, О.М. Маринець. Пщвищення ефективност запуску ГТД плазмох1м1чни-ми засобами
Представлена резулътати експериментальних долдженъ плазмох^м^чних систем в мо-дельних камерах згоряння ГТД на низъкосортному палив1. Приведет даш про коефщент повноти згоряння, компонентний склад, структуру i динамку розвитку плазмох^м^чного факела. Проаналiзованi можливi мсця розташування nлазмохiмiчного пристрою в газо-турбЫнт камерi згоряння. Найбыъш переважним е розташування nлазмохiмiчного пристрою в началъних перетинах камери згорання. Отримана область запуску газотурбжноi камери по коеф^енту надлишку повтря у декыъка разiв ширше за область зриву полум 'я основного палива.
Ключов1 слова: газотурбнний двигун, запуск ГТД, камера згоряння, пускова характеристика, паливо дизелъне, паливо моторне, плазмотрон, nлазмохiмiчний пристрш, форсунка.
S.I. Serbin, A.N. Marinets. Improving of the gas turbine engine start efficiency by plasma-chemical tools
Results of experimental researches of plasma-chemical systems for modeling combustion chambers working on low-grade fuel are presented. Data on the combustion completeness coefficient, component composition, structure and dynamics of plasma-chemical torch is presented. Analysis of the possible locations of plasma-chemical devices in gas turbine combustion chamber is conducted. Most preferred is the location of plasma-chemical devices in the combustion chamber initial sections. The obtained starting region of gas turbine chamber is several times larger than region of the main fuel blowout.
Key words: gas-turbine engine, start of the gas-turbine engine, combustion chamber, starting description,, diesel fuel, motor fuel, plasmatron, plasma-chemical device, sprayer.
