CC BY
22
УДК 621.43.056
Щвецов В.Л.1, Решитько В.П.1, Гринштейн М.И.1, Костюк В.Е.2, Кирилаш Е.И.2
1 ОАО «Турбоатом», Украина 2 Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГАЗА И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТУ, ОСНАЩЕННОЙ СТРУЙНО-СТАБИЛИЗАТОРНЫМ ФРОНТОВЫМ УСТРОЙСТВОМ
Выполнено численное моделирование течения газа с горением и сложного сопряженного теплообмена в кольцевой камере сгорания газотурбинной установки ГТЭ-190, оснащенной струйно-стабилизаторным фронтовым устройством, с целью прогнозирования структуры течения, потерь полного давления, неравномерности температурного поля газа и теплового состояния камеры сгорания на этапе ее проектирования. Трехмерное реагирующее течение многокомпонентной газовой смеси, полагавшееся стационарным и несжимаемым, моделировалось системой осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых полуэмпирической моделью турбулентности к — е. Результаты численного моделирования подтвердили возможность прогнозирования характеристик камеры сгорания для опережающей разработки конструктивных решений и сокращения объема испытаний.
Ключевык слова: газотурбинная установка, камера сгорания, струйно-стабилизатор-ное фронтовое устройство, течение, горение, сопряженный теплообмен, численное моделирование.
Введение
Опыт проектирования газотурбинной установки ГТЭ-190 показал необходимость углубленного исследования рабочего процесса кольцевой камеры сгорания (КС), оснащенной струйно-ста-билизаторным фронтовым устройством (ССФУ), с целью выработки эффективных конструктивных решений, обеспечивающей требуемые характеристики КС.
Прототипом ССФУ является струйная горелка с линейной компоновкой (СГЛ), разработанная в НТУУ «КПИ» [1] и в дальнейшем исследованная в том числе совместно с ОАО «Турбо-атом» с Институтом газа НАН Украины (ИГ-НАНУ), которая хорошо зарекомендовала себя в системах термической и термокаталитической нейтрализации промышленных газовых выбросов, а также в блоках горелочных устройств на выхлопе ГТУ [2].
В настоящее время численное моделирование становится одним из наиболее экономичных и удобных способов анализа сложных газодинамических и тепловых процессов в узлах ГТУ [3 — 5].
В данной статье рассмотрены результаты численного моделирования течения газа с горением и сложного сопряженного теплообмена в кольцевой КС, оснащенной ССФУ, с целью про-
гнозирования структуры течения, потерь полного давления, неравномерности температурного поля газа и теплового состояния КС на этапе ее проектирования.
1. Математическая модель
Трехмерное течение смеси воздуха, топливного газа (метана) и продуктов сгорания, включавших 18 компонентов, находящихся в состоянии химического равновесия, полагавшееся стационарным и несжимаемым, моделировалось системой осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых моделью турбулентности к — е Ши и др. [6].
Полагалось, что мгновенное термохимическое состояние потока однозначно определяется консервативной скалярной величиной — безразмерной функцией Шваба-Зельдовича, которая имеет смысл массовой доли восстановленного топлива. Взаимодействие химических реакций, полагавшихся бесконечно быстрыми, и турбулентности описывалось с помощью функции плотности распределения вероятности, аппроксимируемой р-функцией.
Сопряженный теплообмен моделировался трехмерным уравнением сохранения энергии, которое в твердых внутренних стенках, полагавшихся тонкими, вырождалось в одномерное урав-
© Швецов В.Л., Решитько В .П., Гринштейн М.И., Костюк В.Е., Кирилаш Е.И., 2011 ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
нение теплопроводности. Лучистый теплообмен моделировался в диффузионном приближении путем разложения интенсивности излучения в ряд ортогональных сферических гармоник с использования первых четырех членов ряда (модель Р-1).
Связь между термодинамическими параметрами устанавливалась уравнением состояния смеси идеальных газов.
Численное решение системы дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) отыскивалось в пределах расчетной области, охватывающей зеркально симметричную половину одногорелочного сектора (1/48) проточной части КС. Расчетная область покрывалась неравномерной неструктурированной гибридной сеткой, включавшей около 2 млн. ячеек в форме гексаэдров, тетраэдров и пирамид (рис.1).
В качестве граничных условий на входных границах расчетной области задавались направление потока, массовый расход реагента, полная температура, параметры турбулентности, массовая доля восстановленного топлива и ее дисперсия. На выходной границе задавалось нулевое избыточное статическое давление газа. На зеркально симметричных боковых границах задавалось условие непротекания. На омываемых газом границах твердых стенок задавались условия прилипания и равенства нулю турбулентной вязкости. На внешних стенках, ограничивающих расчетную область, задавалось условие нулевого теплового потока.
2. Методика расчета
Численное интегрирование ДУЧП осуществлялось итерационно методом контрольного объема с использованием схемы аппроксимации конвективных членов третьего порядка точности MUSCL ВанЛира [7]. Уравнение неразрывности в пределе малых чисел Маха удовлетворялось с помощью алгоритма коррекции давления SIMPLE [8]. Значения переменных в пристеночных ячейках вычислялись с использованием эмпирических пристеночных функций.
Относительная потеря полного давления в КС вычислялась по формуле
Sp* = Рк
Р
г • 100 %
Рк
(1)
где р*к и р*г — среднемассовые полные давления во входном и выходном сечениях КС соответственно.
Средний относительный подогрев газа в выходном сечении КС вычислялся по формуле
© i
сР
T - T
11.ср 1 к
* *
T - T
1 г.срм 1 к
(2)
где Т* ср — средняя полная температура газа в 1-м поясе замера; Т*г срм— среднемассовая полная температура газа в выходном сечении КС; Т*к — полная температура воздуха на входе в КС.
Рис. 1. Расчетная сетка в сечении, проходящем между топливными трубами
Среднемассовое по сечению значение параметра ф (полного давления, полной температуры) рассчитывалось по формуле
Фо
где р
|фр| V • dA| Jp| V • dA|
плотность;
!ф Pi 1=1
V; • A;
Zpi 1=1
• A;
(3)
скорость; a — пло-
щадь; i — номер грани расчетной ячейки, при-
надлежащей данному сечению; т — количество граней расчетных ячеек, принадлежащих данному сечению.
3. Анализ полученных результатов
В рамках разработанной математической модели удалось получить расчетные оценки ряда характеристик одногорелочного отсека кольцевой КС, оснащенной ССФУ: термогазодинамической структуры течения, неравномерности температурного поля газа на выходе КС и теплового состояния ее стенок.
Компьютерная визуализация результатов численного расчета показала, что в непосредственной близости от ССФУ и внутри жаровой трубы (ЖТ) течение имеет существенно трехмерную структуру, характеризующуюся наличием сложной системы вихревых шнуров и зон обратных токов, тогда как на диффузорном участке проточной части, предшествующем входу в ССФУ, сохраняется двухмерная осесимметричная структура потока. При этом основная доля (порядка 70 %) потерь полного давления в проточной части между компрессором и турбиной приходится на СФФУ и ЖТ. Поэтому эффективным способом их снижения может быть увеличение размеров отверстий.
Расчеты показали, что осевой поток воздуха, поступающий из диффузора КС, разделяется ЖТ на три части, две из которых, обтекая ЖТ снаружи, поступают в отверстия перфорации оболочек ЖТ, а одна (центральная) — в ССФУ, где, протекая через отверстия перфорации и щели, приобретает вращательное движение в двух взаимно противоположных направлениях по высоте ЖТ. В результате из каждой зеркально симметричной половины ССФУ в ЖТ истекают две противоположно закрученные струи, в результате чего внутри ЖТ образуется фронт пламени в виде 24 факелов, локализованных ниже по течению за стыками пластин ССФУ. Полученное в результате численного моделирования распределение температуры газа за ССФУ показано на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная изоповерхность температуры газа Тг = 2150К за ССФУ
Поток воздуха, истекающий из отверстий перфорации ЖТ, образует вдоль стенок сплошную охлаждающую завесу. Продукты сгорания факела, смешиваясь с периферийными слоями холодного воздуха, истекающего из щелей меж-
ду ССФУ и ЖТ, и с воздухом охлаждающей завесы стенок ЖТ, формируют поле температуры газа на выходе КС (рис.3).
\ / /
__ ^ __—
-—"
Рис. 3. Расчетная радиальная эпюра среднего относительного подогрева газа в выходном сечении КС
Результаты расчета в целом подтвердили эффективность примененной системы охлаждения стенок КС: средние температуры всех оболочек КС не превысили допустимых значений. В то же время имеются локальные перегревы стенок жаровой пластины ССФУ, наружной ЖТ и наружной топливной трубы, что требует разработки соответствующих конструктивных мероприятий для их устранения.
Заключение
Результаты численного моделирования подтвердили возможность прогнозирования гидравлических характеристик, температурного поля газа и теплового состояния КС ГТУ, оснащенной ССФУ, с целью опережающей разработки эффективных конструктивных решений и сокращения объема испытаний.
Перечень ссылок
1. Пат. 34812 Укр., MnKF23D14/02, F23D14/ 22. Газовий пальник / Г.М. Любчик, Г.С. Марченко. — опубл. 2001, бюл. № 2.
2. Любчик Г.Н. Разработки НПО проблем горения НТУУ «КПП» в направлении создания передовых технологий сжигания топлив //Энергетика: економика, технологии, экология, 2006, № 1. - С.83-92.
3. Аэродинамический расчет и оптимальное проектирование проточной части турбомашин: монография / А.В. Бойко, Ю.Н. Говорущенко, С.В. Ершов, А.В.Русанов, С.Д.Северин. - X: НТУ «ХПП», 2002. - 356 с.
4. Куценко Ю.Г. Применение численных методов газовой динамики для расчета камеры сгорания газотурбинного двигателя ПС-90А /
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 77 -
Ю.Г. Куценко // Изв. вузов. Авиац. техника. — 2004. — № 3. — С. 67-71.
5. Srinivasa Rao M. Performance Improvement of an Aero Gas Turbine Combustor/ M. Srinivasa Rao, G. Sivaramakrishna // Proceedings of ASME Turbo Expo. — Orlando, Florida, USA. — 2009 (June 812; GT2009-59928). — 8 p.
6. Shih T.-H. A New Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows Model Development and Validation / T.-H. Shih, W.W. Liou, A.Shabbir, Z. Yang, J. Zhu // Computers Fluids. — 1995.— No. 24(3). — P. 227-238.
7. Van Leer B. Toward the Ultimate Concervative Difference Scheme. IV. A Second Order Sequel to Godunov's Method / B. Van Leer // Journal of Computational Physics. - 1979. - № 32. - C.101-136.
8. Vandoormaal J.P. Enhancements of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flows / J.P. Vandoormaal, G.D. Raithby // Numer. Heat Transfer, 1984. No. 7. - P. 147-163.
Поступила в редакцию 01.07.2011
В.Л. Швецов, В.П. Решитько, M.I. Гринштейн, В.6. Костюк, O.I. Кирилаш. Про-гнозування пдрав.мчних характеристик, температурного поля газа i теплового стану камери згоряння ГТУ, яка оснащена струминно-стабшзаторним фронтовим пристроем
Виконано числове моделювання течи газу з горнням i складного спряженого теплооб-млну в ктьцевш камерi згоряння газотурбшног установки ГТЕ-190, яка оснащена струмин-но-стабтзаторним фронтовим пристроем, з метою прогнозування структури течи, утра-ти повного тиску, нер1вном1рност1 температурного поля газу i теплового стану камери згоряння на етат гг проектування. Тривимiрна реагуюча mечiя багатокомпонентног газо-вог сум0 припускалась стащонарною i нестисливою i моделювалась системою осередне-них за Рейнольдсомрiвнянь Нав'е-Стокса, що замкнет натвемтричною моделлю турбу-ленmносmi k — е. Результати числового моделювання тдтвердили можливють прогнозування характеристик камери згоряння для випереджальног розробки конструктивныхршень i скорочення об'ему випробувань.
Ключов1 слова: газотурбшна установка, камера згоряння, струминно-стабшзаторний фронтовий пристрш, mечiя, горшня, спряжений теплообмЫ, числове моделювання.
V.L. Shvetsov, V.P. Reshitko, M.I. Greenshtein, V.Ye. Kostyuk, O.I. Kirilash. Prediction of hydraulic characteristics, gas temperature field and heat state of the gas turbine power
plant combustor equipped with stream- stabilizered flame tube heat
Numerical simulation of the gas flow with combustion and complex conjugate heat exchange in the annular gas turbine power plant combustor GTE-190 equipped with stream-stabilizered flame tube heat is performed. The simulation goal is the prediction of the flow structure, total pressure drop, gas temperature field nonuniformity and heat state of the combustor during its design phase. Three-dimensional reacting flow of the multicomponent gas mixture supposed stationary and incompressible is simulated by the Reynolds averaged Navier-Stokes equations system, closed by the semiempirical k — e turbulence model. Numerical simulation results confirmed the possibility of the combustor characteristics prediction for the design concept anticipatory development and the test extent reduction.
Key words: gas turbine power plant, combustor, stream-stabilizered flame tube heat, flow, combustion, conjugate heat exchange, numerical simulation.
