Optimization and debugging of a low-toxic combustion chamber with the use of numerical modeling of intrachamber processes

Abstract


In recent years, there has been a trend towards an increase in demand for microturbines. The microturbine application area is very wide. These are hybrid power plants for transport and specialized equipment, as well as power plants for providing electricity to homes, towns, businesses. When developing advanced gas turbine units, it is necessary to take into account sufficiently high requirements for economic and operational indicators. To improve the performance of microturbines, it is necessary to optimize and refine the basic elements. In particular, to reduce the emission of harmful substances, it is necessary to develop low-toxic combustion chambers. In this paper, we present the results of optimization and fine-tuning of a low-toxic combustion chamber with the use of numerical modeling of intra-chamber processes. The applied models of flow, combustion, radiation, NOx emission are described. The main parameters of the computational grid built for ¼ of the full-size combustion chamber are given. The boundary conditions necessary for the development of mathematical modeling of the flow and combustion processes are formulated. The results of comparison of the initial and optimized geometry of the combustion chamber in the form of patterns of temperature distribution, velocities, total pressure in the swirler, and the distribution of the mass fraction of nitrogen oxides NOx are presented. According to the results of optimization calculations, it can be concluded that relatively small changes in the size, shape and number of secondary air holes, the shape and dimensions of the flame tube, the diameter of the blade swirler and the shape and size of the nozzles of the gas injector have a significant effect on such indicators of the working process as: form, volume and location of the combustion zone; location and intensity of the mixing zone, which, as a consequence, greatly affects the integral parameters of the combustion chamber.

Full Text

Введение Роль распределенной энергетики в развитии экономики страны на фоне проблем энергетики является большой и в последнее время становится все заметнее. Будущее развития энергетической отрасли в России все чаще связывают с распределенной малой энергетикой. В качестве перспективных энергоустановок для малой распределенной энергетики рассматриваются работающие на дешевом топливе, природном газе, энергоустановки на базе газотурбинных установок малой мощности (микротурбин) [1]. Спрос на микротурбины в течение последних 5 лет растет ежегодно на 20…30%. В настоящее время спектр применения микротурбины очень широк. Это энергетические установки для обеспечения электричеством домов, поселков, предприятий, супермаркетов, больниц и других, а также гибридные силовые установки для транспорта и специализированной техники. При разработке перспективных газотурбинных установок (ГТУ) необходимо учитывать достаточно жесткие требования к экономическим и эксплуатационным показателям, разрабатываемые ГТУ, должны иметь минимальные выбросы вредных веществ (оксидов азота, продуктов неполного сгорания). Для уменьшения эмиссии вредных веществ необходимо разрабатывать малотоксичные камеры сгорания (КС). Конструкция камер сгорания должна удовлетворять следующим основным требованиям: · процесс горения должен быть устойчивым; · величина коэффициента полноты сгорания топлива должна составлять не менее 0,90…0,98; · гидравлические потери должны быть не более 5…8%; · обеспечивать равномерность и стабильность полей температур, скоростей и давлений газа на выходе из КС. Цель исследования Целью данной работы являлась оптимизация и доводка разрабатываемой малотоксичной камеры сгорания с применением численного моделирования внутрикамерных процессов. Материалы, методы исследования и их обсуждение Для оптимизации и доводки геометрии КС необходимо провести трехмерное численное моделирование процессов течения и горения в проточной части устройства. Расчеты включают в себя несколько этапов, таких как подготовка расчетной модели, выбор физических моделей и ГУ, непосредственно расчеты и анализ результатов. В камере сгорания моделировалось стационарное, вязкое, турбулентное, неизотермическое, реагирующее и излучающее течение сжимаемой смеси газов (воздуха и метана) при высокой температуре. Были приняты следующие основные допущения: · теплообмен между элементами конструкции КС, а также КС и окружающей средой не учитывается (адиабатическая постановка); · задержка самовоспламенения не учитывается; · процесс зажигания топлива не моделируется. Принятые допущения позволяют моделировать стационарный рабочий процесс КС для оценки ее основных параметров и уточнения размеров. Модель течения Течения в камере сгорания отличаются высокой сложностью. Это связано с наличием в потоке возвратных течений, а также зон взаимодействия основного потока с пристеночным слоем и стенкой КС. В качестве основного подхода для описания подобных течений используются методы вычислительной гидродинамики (CFD), основанные на численном решении пространственных и нестационарных уравнений Навье-Стокса. Уравнения Навье-Стокса включают в себя уравнения неразрывности, движения, энергии и диффузии. Если в потоке происходят химические реакции, то задача усложняется введением уравнений модели протекания данных реакций. Аналитическое решение уравнений Навье-Стокса невозможно, в частности, в случае турбулентных течений из-за их нестационарного и случайного характера, поэтому в инженерных расчетах используется подход, предложенный Осборном Рейнольдсом, в котором мгновенные значения параметров потока представляются в виде суммы осредненной величины и ее пульсационной составляющей. Осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes) [2] имеют вид: ; Данная система уравнений содержит девять неизвестных членов (шесть членов вида - и три члена вида - ). Уравнения Рейнольдса описывают осредненное по времени течение жидкости, их особенность состоит в том, что в них появились новые неизвестные функции (тензор турбулентных напряжений трения или тензор рейнольдсовых напряжений), и система уравнений оказывается незамкнутой. Чтобы вычислить эти члены требуются дополнительные уравнения, которые называются моделью турбулентности. Существуют различные модели турбулентности, отличающиеся друг от друга уровнем сложности описания турбулентных течений. Поэтому ключевым вопросом является поиск компромисса между физической адекватностью модели и приемлемым для практического применения уровнем ее сложности. Так как для успешного моделирования рабочих процессов в КС необходимо рассчитывать как пристеночные течения, так и течение в ядре потока, и, согласно результатам [2], в настоящей работе выбор был сделан в пользу модели турбулентности SST, которая является некой гибридной моделью турбулентности, основанной на использовании в пристенной области

About the authors

A. S Gornovskiy

Moscow Polytechnic University


A. G Valeev

Moscow Polytechnic University


L. A Kosach

Moscow Polytechnic University


A. V Kostyukov

Moscow Polytechnic University

Email: Kostukov123@yandex.ru

Ph.D.

References

  1. Косач Л.А., Горновский А.С., Костюков А.В. Многоцелевые высокоэффективные микротурбины // Известия МГТУ «МАМИ». 2014. № 4(22). Т. 1. С. 36-41.
  2. Горновский А.С., Валеев А.Г. Численное моделирование горения метана // Наукоград. Научно-публицистический журнал. 2015. № 3(5). С. 56-62.
  3. ANSYS CFX Documentation. Режим доступа: http://users.encs.concordia.ca/home/m/m_mamu/ANSYS%20CFX%20documentation/cfx_intr.pdf. (Дата обращения 21.07.2017).
  4. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and numerical combustion. Erdwards, 2005. 540 p.
  5. Muller C.M., Breitbach H., Peters N. Partially premixed turbulent flame propagation in jet flames. 25th Symposium (International) on combustion. The combustion institute, 1994. Режим доступа: http://www.ansys.com/-/media/Ansys/corporate/resourcelibrary/conference-paper/2004-Int-ANSYS-Conf-202.PDF. (Дата обращения 21.07.2017).
  6. Pitsch H., Chen M., Peters N. Unsteady flamelet modeling of turbulent hydrogen-air diffusion flames. 27th Symposium (International) on combustion. The combustion institute, 1998.
  7. Pitsch H., Peters N. A consistent flamelet formulation for non-premixed combustion considering differential diffusion effects. Combustion and flame, 1998, pp. 1057-1064. doi: 10.1016/S0082-0784(98)80506-7.
  8. Warnatz J., Mass U., Dibble R.W. Combustion. Springer-Verlag, 1996, pp.219-221.
  9. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. Москва. Мир, 1990. 660 с.
  10. Булысова Л.А. Использование программного комплекса FlowVision при доводке конструкции малотоксичной камеры сгорания. Всероссийский теплотехнический институт. Москва, 2014.
  11. ГОСТ Р ИСО 11042-1-2001. Установки газотурбинные. Методы определения выбросов вредных веществ. М.: Изд-во стандартов, 2002. 29 с.

Statistics

Views

Abstract - 8

PDF (Russian) - 3

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2017 Gornovskiy A.S., Valeev A.G., Kosach L.A., Kostyukov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies