Стартовая >> Архив >> Генерация >> Закрученные потоки

Камеры сгорания газотурбинных двигателей - Закрученные потоки

Оглавление
Закрученные потоки
Предисловие
Список обозначений
Характеристики закрученных потоков
Формирование закрученных течений
Основные эффекты закрутки
Теоретические методы
Проблемы моделирования поля течения
Осесимметричные закрученные течения
Неосесимметричные закрученные течения
Экспериментальные методы
Измерение температуры
Лазерный спекл-метод
Закрученные течения в технике
Поршневые двигатели
Газотурбинные двигатели
Топки, горелки, циклоны
Стабилизация пламени
Стабилизация пламени в однородной смеси
Спектр энергии турбулентных пульсаций
Влияние турбулентности на горение и скорость распространения пламени
Стабилизация пламени плохообтекаемым телом
Стабилизация пламени закруткой
Стабилизация пламени в камерах сгорания газотурбинных двигателей
Закрученные струи
Пламена в закрученных потоках
Вихревые явления и огневые смерчи
Характеристики турбулентности в закрученных течениях
Расчет слабозакрученных течений
Характерные особенности закрученных потоков
Рециркуляционные зоны
Размер и форма рециркуляционной зоны
Потеря устойчивости, распад вихри и прецессирующее вихревое ядро
Горение в закрученном потоке
Моделирование потоков в вихревых горелках
Пределы срыва и устойчивость пламени
Математическое моделирование потоков в вихревых горелках
Выбросы загрязняющих веществ
Промышленные топки и камеры сгорания с вихревыми горелками
Расчет сильнозакрученных струй
Расчет сильнозакрученных факелов
Проектирование вихревых горелок
Общие представления о циклонных сепараторах и камерах сгорания
Циклонные сепараторы
Циклонные камеры сгорания
Структура пламени в циклонной камере сгорания
Циклоны, циклонные камеры сгорания, образование рециркуляционного вихря
Расчет течения в циклонной камере
Труба Ранка-Хилша
Вихревые топки
Камеры сгорания газотурбинных двигателей
Шум, вызываемый неустойчивостью горения
Литература

Уменьшение выброса загрязняющих веществ камерами сгорания газотурбинных двигателей
На рис. 6.14 приведены основные данные о характеристиках горения, выбросах загрязняющих веществ и методах снижения этих выбросов для характерных режимов большой и малой мощности [32, 33].

Рис. 6.14. Данные о режимных параметрах, характеристиках горения, выбросах загрязняющих веществ и методах уменьшения выбросов для камер сгорания газотурбинных двигателей.

двухъярусная кольцевая камера сгорания
Рис. 6.15. Разрабатываемые совместно с NASA по программе экспериментальных «чистых» камер двухъярусная кольцевая камера сгорания (а) и двухзонная кольцевая камера с диагональным расположением зон горения (б) для двигателя CF6-50 компании General Electric [37].

Рис. 6.16. Распределение воздуха в камере сгорания двигателя JT9D-7 [36], проценты суммарного расхода: над чертой — первоначальное распределение, под чертой — измененное с целью снижения выбросов.


Рис. 6.17. Схема камеры типа «ворбикс» для двигателя JT9D 7 [36].

Имеются практические рекомендации [34] по способам уменьшения образования загрязняющих веществ посредством как небольших (обеднение или обогащение первичной зоны камеры топливом, уменьшение или увеличение времени пребывания, уменьшение расхода воздуха на пленочное охлаждение стенок, форсунки с пневмораспылением или распылением топлива с помощью отдельного потока высоконапорного воздуха, впрыск воды, присадки к топливу, стадийный подвод топлива с распределением стадий в окружном, радиальном или осевом направлениях), так и значительных модификаций (перепуск воздуха из компрессора, рециркуляция продуктов сгорания, регулирование распределения воздуха по длине камеры, стадийное горение и схемы с предварительным испарением и смешением топлива с воздухом). Достоинства и недостатки этих способов перечислены в табл. 6.1. Улучшения, внесенные в процесс подготовки топлива, и увеличенная аэрация сажеобразующих зон в пламени уже позволили значительно снизить дымление на режиме максимальной мощности. Выбросы газообразных загрязняющих веществ могут быть уменьшены путем изменения геометрии жаровых труб и системы впрыска топлива в комбинации, когда это целесообразно, с перепуском воздуха из компрессора на режимах малой мощности и впрыском воды на режимах большой мощности. Что касается снижения выброса NO, то похоже, что здесь потребуются крупные изменения в конструкции камер сгорания в соответствии с принципиально новыми концепциями. Наиболее многообещающими представляются подходы, связанные с регулированием распределения воздуха по длине жаровой трубы (камеры переменной геометрии) и со стадийной организацией горения (многозонные камеры) в комбинации с устройствами для предварительного испарения и смешения топлива с воздухом, в которых топливо испаряется и тщательно перемешивается с участвующим в горении воздухом в специальной предкамере, предшествующей зоне горения. В работах [35, 36] содержится анализ последних разработок в этой области.


Рис. 6.18. Перспективные варианты камеры сгорания для двигателя TFE 731-2 (класс Т1 по классификации Агентства по защите окружающей среды США), разработанные в рамках программы NASA (этап 1) по снижению выбросов загрязняющих веществ [36].
а — серийная камера с перепуском; б, в— модификации серийной камеры.


Рис. 6.19. Перспективные варианты камеры сгорания для двигателя JT8D 17 (класс Т4), разработанные по программе NASA (этап I) по снижению выбросов загрязняющих веществ [36]:
а — серийная камера; б — двухзонная камера с завихрителями; в — двухзонная камера с предварительным смешением топлива и воздуха.

В первой из них рассмотрены вопросы снижения выбросов загрязняющих веществ с помощью новых методов конструирования камер сгорания и управления их рабочим процессом, таких, как, например, регулирование распределения воздуха по длине жаровой трубы, стадийный подвод топлива, предварительное испарение и смешение топлива с воздухом.

Рис 6.20. Перспективные варианты камеры сгорания для двигателя 501-D22A (класс Р2), разработанные по программе NASA (этап I) по снижению выбросов загрязняющих вещества [36].
а — серийная камере; б — камера с обращенным течением; в — камера сгорания о предкамерой; г — двухзонная камера.
В работе [36] оцениваются трудности и обсуждаются достигнутый прогресс и будущее проблемы снижения образования загрязняющих веществ в камерах сгорания с особым вниманием к работам, проводимым исследовательским центром им. Льюиса (NASA) по программе создания экспериментальных «чистых» камер сгорания, охватывающей:

  1. двигатель компании General Electric—CF6-50 с двуярусной кольцевой камерон (рис. 6.15) [37],

2) двигатель компании Pratt and Whitney—JT9D-7 с камерой типа «ворбикс», представляющей собой кольцевую камеру со стадийной организацией горения с последовательным расположением зон горения (рис. 6.16, 6.17) [36],
а также по программе снижения выбросов загрязняющих веществ, охватывающей:

  1. двигатель компании Garrett AiResearch — TFE731-2 с кольцевой противоточной камерой (рис. 6.18),
  2. двигатель компании Pratt and Whitney — JT8D-17 о трубчатокольцевой камерой (рис. 6.19),

3) двигатель компании Detroit Diesel Allison — 501-D22A с трубчатокольцевой камерой (рис. 6.20).


Рис. 6.21. Модули с завихрителями. разработанные компаниями Lucas, General Electric и NASA [38].

Рис. 6.22. Предварительный проект двухъярусной двухзонной камеры сгорания для двигателя RB211 [38].

Рис. 6.23. Экспериментальные варианты камер сгорания с предварительным испарением и смешением топлива с образованием бедной топливно- воздушной смеси, разработанные компанией General Electric [39]:

а -камера с патрубком, снабженным заверителем с поворотными лопатками; б — камера с большим числом патрубков и кольцевым смесительным устройством (с поворотными лопатками) на входе; в — двухзонная камера с регулированием подачи воздуха в зоны горения; г — двухзонная камера с параллельными зовами горения и регулируемым смесительным устройством в основной зоне.


Рис. 6.24. Экспериментальные варианты камер сгорания с предварительным испарением и смешением топлива с образованием бедной топливно-воздушной смеси, разработанные компанией Pratt and Whitney [39]:
а — камера с регулируемым устройством для предварительного смешения топлива с воздухом, б—камера со смесительными патрубками, снабженными завихрителями; в — двухзонная камера с устройствами для предварительного испарения и смешения топлива; г—камера с регулированием подачи воздуха в зону смешения.

Следует отметить, что для всех этих перспективных концепций камер сгорания характерно широкое использование закрутив потока воздуха.
Модули с завихрителями также нашли применение, как сообщалось недавно (38), в двигателе фирмы Rolls Royce-RB211. Модули с завихрителями, разработанные NASA и фирмами Lucas и General Electric, можно видеть на рис 6.21, а на рис. 6.22 показана первоначальная конструкция двухъярусной кольцевой камеры двигателя RB211 с 72 модулями.
Обзор дальнейших исследований концепции предварительного испарения и смешения топлива с образованием обедненной топливно-воздушной смеси, проводимых компаниями General Electric и Pratt and Whitney (а также другими фирмами), содержится в работе [39]. На рис. 6.23 и 6.24 показаны некоторые из конструкторских концепций, используемых в этих исследованиях.
Еще одной областью будущих исследований является концепция камеры сгорания с усиленной рециркуляцией газа, предусматривающая формирование в первичной зоне камеры ячейки интенсивного рециркуляционного течения с помощью подвода в эту область сильнозакрученного потока или высоконапорных струй воздуха [36]. Рециркуляционная ячейка вовлекает горячие газы в область пламени, благодаря чему создается зона в которой возможно устойчивое горение бедной смеси. При наличии частичного испарения топлива и смешении его с воздухом, как показано на рис. 6.25, процесс горения в такой зоне начинает приближаться к тому, который имеет место в гомогенном реакторе интенсивного смешения.

Рис. 6.25. Камера сгорания с интенсификацией циркуляции газа [36]:
а- циркуляция обусловлена втеканием струй; б - циркуляция обусловлена закруткой потока.

Две концепции, представленные на рис. 6.25, можно характеризовать как рециркуляцию, индуцированную струями, и рециркуляцию, индуцированную воздушным вихрем Эти концепции изучались международной компанией International Harvester Company Solar Division для последующего применения в исследовательской программе с камерами кольцевой конструкции.
Настоящее и будущее камер сгорания газотурбинных двигателей
Камеры сгорания газотурбинных двигателей разнообразны по типам и формам; при этом важно отметить, что лопаточные завихрители, рассмотренные в гл. 1 и 4, часто используются в них для создания рециркуляционного течения и обеспечения стабилизации пламени в первичной зоне камеры [36, 40, 41].

Рис. 6.26. Схематическое изображение типичной камеры сгорания газотурбинного двигателя. В таблицах указаны значения эквивалентного отношения φ в дайной зоне, температура газа Г X 10-2. К; полнота сгорания топлива η, %. Верхняя строка таблиц относится к режиму р= 2,5 МПа, Т= 800 К, нижняя— кр = 0,15 МПа, Т = 300 К (р* и Т—давление н температура воздуха на входе в камеру). В левом столбце каждой таблицы приведено максимальное значение параметра, в среднем — среднее, в правом — минимальное [40].

Основы конструкции авиационных камер сгорания за многие годы изменились очень мало. На рис. 6.26 продемонстрированы их типичные схемы, характер распределения воздуха и структура поля течения [40]. В камере реализуются три зоны течения: первичная, вторичная и зона смешения (разбавления). Изучение характеристик реальных камер показывает, что такое разделение вполне оправданно На выходе любой камеры сгорания полнота сгорания топлива для широкого диапазона режимных параметров значительно превышает полноту сгорания в первичной зоне. Условия внутри первичной зоны натурной камеры достаточно сложные, и время, необходимое для того, чтобы все впрыскиваемое в камеру жидкое топливо сгорело, должно включать время испарения капель, время смешения посредством диффузии и время химической реакции. Суммарное время горения может быть записано как

Очевидно, что времена диффузии и химической реакции являются некоторыми эффективными временами и не представляют собой полной продолжительности указанных процессов, поскольку диффузия и реакция начинаются уже при появлении первой порции испаренного топлива. Следовательно, полное время будет определяться продолжительностью того процесса, который окажется самым медленным В любой реальной системе это позволяет оценить с приемлемой точностью полноту сгорания топлива, если может быть оценена скорость лимитирующего процесса [42, 43].
В работе [36] дан очень хороший обзор современного состояния проблемы выбросов загрязняющих вешеств, а также перспектив в данной области. Для камер сгорания типа «вор- бикс» характерен более низкий уровень выбросов по сравнению с исследованными камерами других типов (т. е. трубчатыми камерами с завихрителями, камерами со стадийным горением я предварительным смешением топлива с воздухом); с их помощью можно было бы обеспечить выполнение существующих национальных стандартов США по выбросам 1).
1) В 1984 г национальные стандарты США по выбросам подверглись радикальному пересмотру. По существу в новой редакции стандартов сохранилось только ограничение на выброс с отработавшими газами несгоревших углеводородов. Исключение из стандартов ограничений на выброс окислов азота делает излишним применение на данном этапе таких сложных камер, как, например, двухзонные типа «ворбикс». Требования по выбросу НС могут быть выполнены посредством довольно умеренной модификации камер обычного типа Однако что не исключает ужесточения требований по выбросам в будущем и не умаляет важности рассматриваемых в данной главе исследований и разработок камер усложненных схем. Внедрение новых концепций и технологии в авиадвигателестроении требует большого, приблизительно десятилетнего периода времени. И это было, по-видимому, главной причиной исключения из существующих стандартов требований, ориентированных на новую технологию, которая оказалась еще не вполне освоенной, чтобы обеспечить требуемый в авиации очень высокий уровень надежности и безопасности. — Прим. перев.

Рис. 6.27 Схема камеры сгорания типа «ворбикс» с уменьшенный выбросом загрязняющих веществ [36].
Схематическое изображение камеры типа «ворбикс», использовавшейся в испытаниях двигателей, приведено на рис. 6.27. Эта камера имеет две зоны горения, расположенные последовательно и разделенные секцией, представляющей собой горловину, в которой газ движется с высокой скоростью. В дежурной зоне горения пламя стабилизируется с помощью обычных завихрителей, топливо подается через 30 форсунок. Размеры зоны выбраны такими, чтобы обеспечить скорость выделения тепла достаточную для поддержания высокой полноты сгорания на режиме холостого хода. Выброс СО и несгоревших углеводородов на этом режиме минимизируется, главным образом за счет того, что величина эквивалентного отношения в дежурной зоне поддерживается достаточно большой. На режимах большой мощности величина эквивалентного отношения в дежурной зоне горения уменьшается примерно до 0,3 (с учетом воздуха на разбавление продуктов горения в этой зоне), для того чтобы минимизировать образование NO. Минимальное значение эквивалентного отношения для дежурной зоны определяется суммарным пределом устойчивого горения обедненной топливно-воздушной смеси, эффективностью горения н необходимостью поддерживать температуру газа в дежурной зоне на уровне, позволяющем испарить и воспламенить топливо основной зоны. Топливо основной зоны подается с помощью форсунок, расположенных на наружной обечайке жаровой трубы ниже по потоку от сечения выхода газов из дежурной зоны. Использовалось 60 форсунок. Воздух в основную зону — для горения и для разбавления (смешения) — вводится через 60 завихрителей, расположенных на обеих обечайках жаровой трубы.

Исследовательские программы NASA (собственные и проводимые на средства NASA другими организациями), направленные на разработку перспективных камер сгорания, выявили возможность создания камер, которые могут удовлетворить строгим стандартам на выбросы загрязняющих веществ, хотя попытки достичь ультранизких уровней выбросов пока находятся на самых ранних этапах. Для того чтобы соответствующие концепции можно было включить в реальные конструкции, потребуются дальнейшие исследования и разработки. По сравнению с существующими такие камеры сгорания будут значительно более сложными.
Наиболее перспективные концепции, разрабатываемые применительно к камерам с ультранизким уровнем выбросов, предусматривают предварительное испарение топлива и смешение его с воздухом. Моделировать рабочий процесс в камерах таких типов относительно проще, чем в традиционных камерах. Поэтому оказываются существенно большими и потенциальные возможности успешного прогноза влияния тех или иных изменений конструкции на характеристики камеры и на уровень выбросов в камерах перспективных концепций.
Газотурбинные двигатели используются практически на всех типах летательных аппаратов, на судах, в том числе на воздушной подушке, грузовых и тяжелых автомобилях, автобусах и легковых автомобилях. В сфере промышленности они нашли применение в качестве различного типа генераторов, насосов и помп. Такое разнообразие для промышленности является пре- им}ществом, но вместе с расширением области применения растут и связанные с этим проблемы конструирования и эксплуатации газотурбинных двигателей [44—46]. Кроме того, возникают и новые проблемы, вызванные строгими ограничениями выбросов загрязняющих веществ и использованием новых топлив. Все это требует определенного пересмотра концепций конструирования перспективных камер сгорания.
Три основных тенденции в эволюции параметров газотурбинного двигателя — увеличение степени повышения давления (степени сжатия) в компрессоре и температуры воздуха на входе в камеру и на входе в турбину — осуществляются с целью увеличения суммарной эффективности двигателя. Постоянная тенденция к повышению температуры газа на выходе из камеры и давления воздуха за компрессором входит, очевидно в противоречие с необходимостью увеличивать срок службы камеры и двигателя Так как разработка высокотемпературных материалов с достаточной пластичностью для изготовления жаровых труб камер сгорания отстает от повышения уровня температуры в двигателе, то решать проблему приходится за счет конструкции.

Неуклонно возрастающая стоимость нефтепродуктов, и в частности бензина и авиационных реактивных топлив, стимулирует предпринимаемые усилия по снижению удельного расхода топлива и по повышению эффективности сжигания топлива во всех типах авиационных двигателей. Одновременно должны быть удовлетворены и классические требования увеличения удельной тяги, уменьшения массы и меньшего потребления топлива при снижении эксплуатационных расходов. Но экономия топлива — это одно, а наличие топлива — другое: Существующее положение и тенденции, действующие на мировом нефтяном рынке, неизбежно приведут к появлению альтернативных видов топлива на транспорте. Эти альтернативные топлива первоначально будут представлять собой топлива на основе нефти, но ухудшенного качества, чтобы можно было увеличить выход топлива на тонну сырой нефти. Будут обязательно применяться и синтетические топлива, чтобы уменьшить зависимость от импорта нефти и ее дефицит в топливном балансе.
Синтетические топлива по своим свойствам отличаются прежде всего высоким содержанием ароматических углеводородов и большей величиной отношения числа атомов углерода к числу атомов водорода (С/Н). Это приводит к целому ряду последствий; например, повышается вероятность образования твердого углерода, снижается термостабильность топлива, увеличивается излучающая способность пламени, растет выход NO. В будущем появление топлив из других видов сырья еще больше повысит содержание ароматических соединений. Увеличение доли ароматических углеводородов приведет к уменьшению доли водорода в топливе и, следовательно, повлияет на его теплоту сгорания и плотность. Поскольку удельная теплота сгорания топлива при этом снизится, а плотность топлива возрастет, эти обстоятельства представляют собой определенную проблему для гражданской авиации.
Меняется ситуация и для промышленных газовых турбин. До последнего времени обычными топливами здесь были природный газ и малозольные продукты перегонки нефти. Но трудности с поставками подобных топлив вызывают повышенный интерес к топливам, варьирующимся от тяжелых продуктов и остатков перегонки нефти и даже твердых топлив до топлив типа низкокалорийных отходящих газов. В то же время температура газа на входе в турбину постоянно возрастает, чтобы обеспечить повышение суммарной эффективности двигателя. Тенденция к использованию более тяжелых топлив вызывает осложнения в системе подачи топлива и обострение проблемы коррозии; их комбинация чрезвычайно затрудняет выбор материалов и типов систем.

Топлива, ожидаемые в будущем создадут, кроме того, проблемы с топливными насосами; характеристики горения топлив существенно ухудшатся и в ряде случаев приведут к серьезным проблемам, связанным с зольностью.
Все перечисленные тенденции наиболее сильно скажутся в первичной зоне камеры сгорания, хотя и во вторичной зоне, и в зоне смешения также могут возникнуть проблемы, либо прямо связанные с изменениями в качестве топлива, либо являющиеся следствием тех воздействий, которые эти изменения оказывают на процесс в первичной зоне. Ожидаемые проблемы, которые необходимо решать применительно к перспективным камерам сгорания, можно суммировать следующим образом:

  1. уменьшение образования NOx,
  2.  уменьшение образования углерода (отложения сажи, дымления) и полициклических ароматических углеводородов,
  3. уменьшение выброса углеводородов с отработавшими гагами,
  4. уменьшение выброса СО с отработавшими газами,
  5. уменьшение выброса SO,
  6. уменьшение образования золы,
  7. организация эффективного пленочного охлаждения стенок (из-за увеличения потоков тепла к ним),
  8. подготовка топлива к горению,
  9. специальные проблемы, возникающие при использовании твердых топлив и низкокалорийных газовых топлив.

При сжигании альтернативных топлив основная задача состоит в том, чтобы сконструировать камеру сгорания, способную функционировать в широком диапазоне эксплуатационных условий с «чистым» выхлопом и не обнаруживать склонности к образованию сажи на протяжении всего периода эксплуатации. Для ее решения требуется достичь значительно большего продвижения в количественном описании особенностей горения — процессов турбулентного смешения и турбулентного горения, а также кинетики образования сажи и полициклических ароматических углеводородов. Образование сажи влечет за собой целый комплекс проблем 1) нагрев жаровой трубы излучением пламени; 2) отложение кокса в камере и забивание им каналов, щелей, отверстий и т. п.; 3) загрязнение окружающей среды; 4) возможное увеличение канцерогенности отработавших газов.
Стоимость очистки и потребление энергии при переработке нефти можно было бы уменьшить, если бы требования к топливу предусматривали меньшее снижение вязкости, температуры точки кипения и температуры начала кристаллизации. Для топлив, получаемых перегонкой нефти, верхний предел точки кипения определяется требованиями к характеристикам в области низких температур — вязкости и началу кристаллизации. Кристаллизация при низких температурах представляет собой потенциальную проблему, и сезонное управление этим процессом достигается комбинациями присадок к топливу и изменением верхнего предела температуры кипения. Авиационные топлива создаются из расчета эксплуатации при температурах вплоть до —50°С. Это требование означает, что верхний предел температуры кипения снижается и должен находиться в диапазоне 250 .. 300 °С. Тем самым резко сокращается число нефтяных фракций, которые могут быть включены в такое топливо. Повышенная вязкость рассматриваемого топлива приведет к увеличению размера капель и в ряде случаев к изменению распределения их по размерам в факеле распыления, что может сказаться на характеристиках стабилизации пламени, воспламенения, запуска и повторного запуска. Возможное в будущем применение присадок к топливу для уменьшения опасности пожаров н взрывов при авиакатастрофах также способствует изменению вязкости топлива и, следовательно, характеристик его распыления [47, 48]. В связи с этим возникла настоятельная необходимость в разработке средств распыления топлива, обеспечивающих приемлемую мелкодисперсность капель при широком диапазоне изменения вязкости и расхода топлива.
Перспектива создания камеры сгорания, которая могла бы позволить решить все перечисленные выше проблемы, представляется в настоящее время достаточно отдаленной. Тем не менее, если не рассматривать пока твердые топлива, определенные возможности применительно к газовым и жидким топливам все же имеются. В случаях использования жидких топлив— это камеры со стадийной организацией горения, такие, как, например, камера типа «ворбикс» (см. рис. 6.27), а также камеры с большим количеством коаксиальных кольцевых завихрителей (рис. 4.52), которые потенциально способны обеспечить достижение намеченных на будущее целей снижения выброса загрязняющих веществ, при использовании альтернативных топлив типа синтетических, производимых из сланцев и угля.
Камеры сгорания изменяемой геометрии (например, камера с большим количеством завихрителей в телескопическом варианте) в совокупности с системами для предварительного испарения топлива н смешения его с воздухом представляются подходящими устройствами для сжигания альтернативных топлив в газотурбинных двигателях при сниженном уровне выбросов загрязняющих веществ [49, 50]. Функционирование подобных устройств при обедненной смеси в первичной зоне горения (эквивалентное отношение составляет 0,6 ... 0,7) теоретически возможно для двигателя с упомянутой камерой изменяемой геометрии при условии поддержания во всей области эксплуатационных режимов постоянной величины эквивалентного отношения в первичной зоне, что гарантировало бы стабильность пламени в этой зоне. При этом сохранится необходимость в наличии вторичной зоны, чтобы обеспечить завершение горения, а также зоны смешения, чтобы снизить температуру газа перед турбиной до приемлемого для нее уровня. Достоинства таких камер следующие [49]:

  1. низкая температура газа в первичной зоне гарантирует минимальное образование NO по тепловому механизму;
  2. предварительное смешение топлива с воздухом минимизирует выход СО и углеводородов с отработавшими газами, обеспечивая быстрое выгорание топлива;
  3. сжигание обедненной смеси препятствует образованию углерода, если концентрация топлива в смеси поддерживается ниже критического значения;
  4. пламя при горении предварительно подготовленной смеси излучает минимум энергии, что позволяет экономить воздух, идущий на организацию пленочного охлаждения стенок. К недостаткам следует отнести:
  5. необходимость предварительного испарения топлива, что может вызвать осложнения, связанные с термостабильностью и с пиролизом топлива и, следовательно, с возможностью забивания топливной системы отложениями, а также изменения условий теплообмена в системе подачи топлива;
  6. возможность преждевременного воспламенения еще до зоны горения и (или) проскока пламени;
  7. необходимость создания конструкции регулируемой камеры (камеры с изменяемой геометрией), которая гарантировала бы, что в случае отказа механизма регулирования не произойдет прекращение горения;
  8. трудность обеспечения высотного запуска, что так же, как и запуск на земле, может потребовать организации «нормального» дежурного пламени с использованием форсунки обычного типа;
  9. необходимость иметь систему автоматического управления подачей топлива нового типа.

Из перечисленных трудностей наиболее серьезная связана с последствиями недостаточной термостабильности топлива, так как на сегодняшний день подходящих конструктивных решений не существует. Остальные трудности преодолеть будет также нелегко, но это, по-видимому, в пределах инженерных возможностей, и основной проблемой является время, требуемое для разработок.

Эксперименты, проведенные с лабораторными вариантами устройств для предварительного испарения топлива и смешения его с воздухом, определенно указывают на то, что значительная часть их потенциала в отношении характеристик горения может быть реализована, и внушают достаточный оптимизм в решении инженерных проблем.
Примеры трехмерного расчета течения для камер сгорания
газотурбинных двигателей

Рис. 6.28 Втияние граничных условий на расчетное распределение температуры тала на выходе из отсека коль- ц пой камеры сгорания:
J — горючий газ, 2 — пористая фронтальная стенка отсека; 3 — воздух; 4 — наружная обечайка жаровой трубы; 5 — продукты гюрамия; 6 — вторичный воздух; 7 — щель для создания завесы (пленки) охлаждающего воздуха; 8 — область ре циркуляционного течения в зоне горения, с—г—распределения        температуры (в кельвинах) на выходе при различных условиях на входе

Течение в реальных камерах сгорания газотурбинных двигателей обнаруживает много отклонений от осевой симметрии, главным образом вследствие бокового подвода воздуха через круглые отверстия, хотя при этом в первичной зоне характер течения вполне осесимметричен [51]. В одной из ранних работ [25] выполнены численные расчеты по программе TRIC (трехмерное течение с рециркуляционными зонами в декартовых координатах) с использованием модели SIMPLE; рассматривалось диффузионное пламя в секторном отсеке кольцевой камеры сгорания, который схематически отображен на рис. 6.28 в форме прямоугольного короба. Решались 12 уравнений, включая уравнения для двухкомпонентной kT — ε-модели турбулентности и для шестикомпонентной модели радиационных потоков тепла. Течение было полностью трехмерным, и выявились области сложного рециркуляционного течения.

Проявляется также значительная закрутка потока, с одной стороны, вследствие подвода вдоль верхней стенки отсека воздуха для разбавления продуктов горения, с другой — в результате распространения струнного факела горящего топлива и рециркуляционного движения, индуцированного боковым подводом воздуха. Место и угол подвода боковых струй воздуха также влияли на формирование рециркуляционного осевого течения против направления основного потока. Однако в данном случае рассмотрение будет ограничено получающимся в результате полем температуры, и прежде всего распределением температуры газа па выходе, которое особенно интересует конструкторов камер сгорания, желающих иметь заданное поле температуры перед турбиной.
Несколько полученных распределений температуры газа на выходе показано на рис. 6.28, а—г; каждое из них соответствует определенной комбинации граничных условий на входе. На рис. 6.28, а представлены данные для стандартного случая, когда топливо и воздух подводятся со скоростью 100 м/с, часть воздуха на входе поступает через отверстия в передней стенке отсека и его скорость по всей суммарной площади отверстий принимается равной в среднем 1 м/с, скорость боковых струй воздуха составляет +200 м/с по нормали к поверхности верхней стенки отсека и —200 м/с в проекции на ось z, т. е. воздух вводится под углом 45° навстречу основному потоку. На рис. 6.28,б показано, что происходит, когда воздух для пленочного охлаждения верхней стенки отсека подается со скоростью, в пять раз большей: распределение температуры оказывается значительно paвномерней. Сравнение контуров на рис. 6.28, в и г с контурами на рис. 6.28, а при стандартных условиях показывает, что направление подвода бокового воздуха радикально изменяет поле температуры и происходит это вполне объяснимым образом. Для стандартных условий (рис. 6.28, а) осевая скорость равна +200 м/с, вертикальная составляющая скорости подводимого сбоку воздуха составляет —200 м/с; для рис. 6.28, в обе эти проекции скорости равны нулю, а для рис. 6.28, г — соответственно 200 и 200 м/с. Очевидно, что эти и им подобные вариации граничных условий несложно отобразить в кодах ЭВМ, что будет большой помощью в работе конструктора камер сгорания. Приведенные распределения температуры далеки от равномерных; ни одно из них не может считаться достаточно хорошим, если иметь в виду полноту сгорания топлива и требования к полю температуры газа перед турбиной. Ясно, что рассматриваемая камера сгорания еще не является доведенной в той степени, которая была бы приемлемой для конструктора. Расчеты трехмерных течений, выполненные этими авторами, можно найти в работах [52, 53], но все особенности этих расчетов еще не выявлены, а методы и алгоритмы пока недоступны для широкого применения.

Целью недавней работы {54] было расширение области применения достаточно эффективной процедуры численного решения трехмерных уравнений Навье — Стокса, так чтобы с ее помощью можно было бы рассчитывать течение с горением в камерах сгорания круглого или прямоугольного сечения с дискретным в окружном направлении подводом воздуха. Использовалась псевдокинетическая схема окисления углеводородов, учитывались турбулентность (двухкомпонентная kт — ε-модель), испарение и сгорание капель, лучистый теплообмен Для решения была применена неявная нелинейная и нестационарная процедура, сокращенно называемая MINT [55], которая включала метод линеаризации и неявную разностную схему Дугласа— Тайна. Примеры расчетов для отсека прямоугольной камеры сгорания с дискретным подводом входящего воздуха (рис. 6.29) сопоставляются со скудными экспериментальными данными, имеющимися для камер такой геометрии. На рис. 6.30 показано изменение температуры вдоль оси входного отверстия. Соответствие с экспериментом получилось не очень хорошее, и расчетные уровни концентрации NO, как и можно было ожидать, страдают тем же недостатком. В настоящее время проводится дополнительная работа, с тем чтобы расширить возможности расчетов и повысить их качество.
Компания Garrett AiResearch — одна из немногих фирм, производящих газотурбинные двигатели, которые разрабатывают и применяют современные трехмерные методы расчета при конструировании и доводке камер сгорания [56, 57].

Рис. 6.29. Расчетная область и система координат для трехмерной прямоугольной камеры [53]:
1 — входное отверстие; 2 — стенка.


Рис. 6.30. Изменение температуры газа вдоль осевой линии входного отверстия при х= 0,5; *2 = 0; Тс = 1025 К; L = 0,01905 м [65];
1— адиабатический расчет; 2 — эксперимент.
Подробности, относящиеся к применению этих методов для камер с предварительным испарением топлива и смешением его с воздухом, сообщались лишь в общих чертах [58] (по соображениям охраны права собственности), но хорошее качественное согласие результатов с имеющимися данными, по-видимому, поощряет усилия, затраченные на создание относительно сложных камер сгорания. О расчетах выброса NO, не сообщалось, а полезность результатов расчетов концентраций UHC и СО пока несколько спорная. Расчетные и экспериментальные исследования продолжаются в направлении совершенствования описания смешения и кинетики химических реакций в реагирующих течениях.
В руководстве для пользователей [57] содержатся шесть алгоритмов для ЭВМ, которые могут быть применены для расчетов элементов рабочего процесса, показанных на рис 631, включая полностью трехмерную модель характеристик первичной зоны камеры Для этих элементов имеются следующие расчетные модели:

  1. модель течения в кольцевом канале,
  2. модель для трехмерного расчета характеристик,
  3. модель охлаждения жаровой трубы,
  4. модель смешения в переходном участке жаровой трубы,
  5. модель образования газообразных загрязняющих веществ,
  6. модель ввода топлива.


Рис. 6.31. Схема противоточной кольцевой камеры сгорания и элементы рабочего процесса, для которых имеются расчетные модели [57]:
1 — потерь давления в кольцевом канале; 2 — трехмерного течения; 3 — охлаждения жаровой трубы; 4 — смешения в переходном участке жаровой трубы; 5 — образования газообразных загрязняющих веществ; 6 — ввода топлива.

Одномерная модель течения в кольцевом канале используется для расчета потерь давления и распределения воздуха вокруг жаровой трубы. Обеспечиваемые этой моделью данные о скоростях и углах втекания струй в различные отверстия жаровой трубы применяются затем для моделей расчета течений внутри жаровой трубы. Характеристики внутреннего поля течения, включая полноту сгорания топлива, распределение температуры газа на выходе, границы срыва пламени обедненной смеси, могут быть рассчитаны с помощью программы для пространственного течения реагирующего газа с рециркуляционными зонами (система эллиптических уравнений). Программа основана на алгоритме для ЭВМ, рассмотренном в работах [58, 59]. Она используется для того, чтобы рассчитать влияние изменений в конструкции камеры сгорания на ее характеристики. Точный прогноз характеристик поясов системы охлаждения натурных камер и соответствующих уровней и градиентов температуры стенки очень важен для оценки срока службы (ресурса) жаровой трубы. Программа численного решения системы двумерных уравнений параболического типа в приближении пограничного слоя позволяет рассчитать течение вблизи жаровой трубы. Соответствующие начальные, краевые и граничные условия обеспечиваются моделью расчета характеристик и моделью течения в кольцевом канале.

Подобная же двумерная параболическая программа применяется для расчета скорости смешения в переходном участке жаровой трубы противоточной кольцевой камеры сгорания, для расчета образования загрязняющих веществ разработана двумерная параболическая программа, включающая 16-ступенчатую кинетическую схему. Модель ввода топлива позволяет получить грубую оценку характеристик системы впрыска топлива для данного поля течения в камере. Чтобы получить данные для апробации расчетной модели, проводились дополнительные эксперименты. Было достигнуто относительно хорошее согласие между результатами измерений и расчетами по программе, включающей двухкомпонентную модель турбулентности, двухступенчатую кинетическую схему и реалистическую модель горения факела распыленного топлива.
В работе [58] приведены наиболее примечательные особенности применения расчетных моделей при проектировании двух вариантов полноразмерной противоточной кольцевой камеры сгорания. Приведены расчетные профили значений отношения топливо/воздух и изотермы, а также обсуждаются предлагаемые модификации. На рис. 6.32, например, показаны расчетные изотермы при θ = 9° для варианта I и модифицированного варианта II. Значение 6 = 9° соответствует случаю, когда плоскость ху совпадает с корнем факела распыленного топлива, и там, где в первом варианте имеется большая зона с высокой температурой газа (см. изотермы Т — 2300 К), во втором варианте наблюдается небольшая подобная зона. Эти и другие результаты представляют собой полезные данные, которыми могут руководствоваться инженеры, занимающиеся горением; они способствуют также значительному сокращению расходов и времени на доводку камер.
Трубчатые камеры сгорания обычного типа, питаемые природным газом, представляют собой подходящую «испытательную площадку» для вычислительных методов, поскольку здесь легче получать необходимые экспериментальные данные [60]. В работе [61] предполагается, что в этом случае горение протекает в газовой фазе и регламентируется скоростью диффузии, а радиационным теплообменом можно пренебречь. Сравнение с экспериментом ограничивается профилями температуры газа внутри камеры ниже по потоку от шести равномерно расположенных по окружности боковых отверстий для подвода воздуха. Используется двухкомпонентная kT — ε-модель турбулентности, зона диффузионного пламени моделируется с помощью уравнения сохранения, записанного для среднеквадратичных значений пульсации концентрацииа распределение
плотности вероятности восстановленной концентрации топлива берется в форме набора дельта-функций. Для решения применялся вариант программы TRIP.  


Рис 6.32. Результаты распета изотерм (температура указана в кельвинах) в плоскости факела распыления топлива (θ = 9 ): а — вариант камеры I; б — модифицированный вариант камеры II [56].

Сектор в 60° в цилиндрической системе координат рассматривался в совокупности с одним боковым отверстием для подвода воздуха. В трех сериях расчетов (для различных параметров потока на входе) были получены поля скорости и температуры газа, а также массовой доли топлива. В варианте В характеристики пламени рассчитывались для суммарного отношения топливо/воздух, равного 0,0155, при величине отношения тонливо/воздух по массовому расходу первичного воздуха, равной 0,0397, что соответствовало большему подмешиванию бокового воздуха, чем в двух остальных сериях расчетов. Расчетные изотермы и векторы скорости для пламени в варианте В в плоскости ε = const, проходящей через центр бокового отверстия, показаны на рис. 6.33. Эти и другие расчеты показывают, что качественные тенденции воспроизводятся правильно, но пренебрежение конечностью скорости химической реакции при определении скорости тепловыделения представляет собой главный источник ошибок. Как показывает изучение расчетных и измеренных профилей температуры на рис. 6.34, точность расчета характеристик выброса загрязняющих веществ была бы неудовлетворительной. Только для пламени в варианте В наблюдается количественное соответствие профилей температуры.

Рис. 63.3. Результаты расчета векторов скорости (а) и изотерм (б) в плоскости подвода разбавляющего продукты горения воздуха для пламени (в варианте В [61]; цифрами над кривыми указана температура в кельвинах.


Рис. 6.34 Расчетные (сплошные кривые) и измеренные (штрих-пунктирные кривые) профили температуры газа в трех сечениях (см. рис 6.33, б) ниже по потоку от боковых отверстий для подвода воздуха для трех вариантов пламени, отличающихся величиной отношения топливо/воздух [61]:
а— пламя в варианте А; б—пламя в варианте В; в—пламя в варианте С.

Диалогичные расчетные исследования развиваются компанией Rolls Royce [62] для цилиндрической камеры сгорания, имеющей боковые отверстия для подвода воздуха. Вычислительная программа РАСЕ обычно требует 12 мин машинною времени компьютера IBM 370—168 СР и объема памяти 512 Кбайт для того, чтобы получить решение [63]. Топливо может подаваться как в виде газового факела, так и в виде факела распыленного жидкого топлива. Расчеты для пропанового диффузионного пламени были дополнены попытками рассчитать горение жидкого керосина. Экспериментальных данных для этого случая не имеется Расчет образования оксида азота выполнялся отдельно при использовании расширенной кинетической схемы Зельдовича.

Расчетные поля концентраций различных компонентов (включая NO, СО и UHC) в целом находились в соответствии с измеренными величинами, хотя концентрации загрязняющих веществ получались завышенными.
В трехмерной двухэтапной математической модели камеры сгорания компании Lycoming [63] 30 уравнений решаются конечно-разностным методом на сетке, состоящей из 3402 ячеек и охватывающей область течения, показанную на рис. 6.35. Каждый из расчетных вариантов требует 240 мин машинного времени компьютера ICL 1906SCP. Предполагается, что процедура расчетов по трехмерной программе может быть значительно ускорена, если использовать для первичной зоны и факела распыленного топлива оптимальную осесимметричную сетку и увязать двумерный расчет в этой зоне с трехмерным расчетом в зоне ниже по течению. С включением в расчет поля течения полной кинетической схемы требуемое машинное время и стоимость расчетов стали бы неприемлемо большими, так как около 20 дополнительных реакций — это тот минимум, который позволит описать процесс горения в случае, когда требуется рассчитать также и образование загрязняющих веществ. Это препятствие можно обойти посредством комбинирования конечно-разностной схемы с моделью химического реактора. Для этого в конечно-разностной схеме используются двухкомпонентная kT — ε-модель турбулентности и шестикомпонентная модель излучения; горение факела распыленного топлива рассчитывается для десяти дискретных групп капель (по размерам) по их траекториям с учетом испарения (чтобы получить концентрации топлива), причем химическая реакция предполагается протекающей в две отдельные стадии. Это позволяет получать местные значения концентраций СО, СO2, О2, N2, Н2O и топлива С12Н24. Расчеты можно проводить также для диффузионных пламен (как для предварительно испаренного, так и для распыленного топлива).

Рис. 6.35 Расчетная сетка 27 X 18 X 7, содержащая 3402 точки, дли камеры сгорания компании Lycoming (63).


Рис. 6.36. Распределение концентрации топлива в виде капель различного размера в камере сгорания [63]. Горение лимитируется скоростью химических реакции. Отношение воздух/топливо равно 68. Диапазоны размеров капель в микрометрах при k = 3 (см. рис. 6.37):
1— 108... 120; 2 — 84.. 96; 3 — 60 ... 72: 4 ~ 36 ... 48.
Полученные в этой фазе результаты использовались для того, чтобы приписать тем или иным областям течения характеристики либо реактора с интенсивным смешением, либо реактора с вытеснением. Увязочными расчетами вычисления переводятся во вторую фазу, в которой учитываются более реалистическая кинетика реакций, несмешанность компонентов и испарение [64].

Рис. 6.37. Результаты расчета профилей температуры в выходном сечении камеры сгорания [63]. Отношение воздух/топливо равно 68. Скорость горения лимитируется диффузней.


Рис. 6.38. Расчетные и намеренные профили различных параметров в выходном сечении камеры сгорания [63]:
а — осевая составляющая скорости: 1 — расчет, k — I. плоскость между отверстиями; 2 — расчет, k - 4. плоскость, приходящая через отверстия; 3 — эксперимент, k — 4, плоскость, проходящая через отверстия;
б — интенсивность турбулентности: 4 — расчет, 5 — эксперимент;
в — температура: 6 — расчет, k — 2; 7 — расчет, k- 4; 8 — k— 4, измерения в плоскости, проходящей через отверстия.
В настоящее время горение топлив типа керосина (с формулой С12Н24) моделируют 18 реакциями между ^компонентами. Концентрации продуктов горении, содержащиеся в малых количествах, рассчитываются, таким образом, в рамках детального механизма образования загрязняющих веществ. Результаты получаются обнадеживающими; некоторые примеры расчетов приведены на рис. 6.36—6.38. На рис. 6.36 показано типичное распределение капель для факела распыленного жидкого топлива с корневым углом в 80° в условиях процесса горения, лимитируемого скоростью реакций.
Типичное расчетное распределение температуры газа на выходе вдоль нескольких радиусов (рис. 6.37) хорошо согласуется с экспериментальными данными [66] и обнаруживает наличие максимума температуры вне осевой линии. Расчетные и экспериментально определенные на выходе профили осевой скорости, интенсивности турбулентности и температуры приведены на рис. 6.38. из которого видно, что имеет место очень хорошее соответствие между расчетом и опытными данными. В работе [64] утверждается, что гибридная модель этого типа в настоящее время представляет собой единственный путь для количественного описания образования загрязняющих веществ, так как более сложные.



 
« Дискуссия по поводу взрывобезопасности систем пылеприготовления   Защита генераторных цепей мощных энергоблоков от перенапряжений »
электрические сети