Оптимизация и доводка малотоксичной камеры сгорания с применением численного моделирования внутрикамерных процессов



Цитировать

Полный текст

Аннотация

В последние годы наблюдается тенденция к увеличению спроса на микротурбины. Зона применения микротурбины очень широка. Это гибридные силовые установки для транспорта и специализированной техники, а также энергетические установки для обеспечения электричеством домов, поселков, предприятий. При разработке перспективных газотурбинных установок необходимо учитывать достаточно высокие требования к экономическим и эксплуатационным показателям. Для улучшения показателей микротурбин необходимо проводить оптимизационные и доводочные работы основных элементов. В частности для уменьшения эмиссии вредных веществ необходимо разрабатывать малотоксичные камеры сгорания. В данной работе приводятся результаты оптимизации и доводки малотоксичной камеры сгорания с применением численного моделирования внутрикамерных процессов. Описываются применяемые модели течения, горения, радиации, эмиссии NOx. Приведены основные параметры расчетной сетки, построенной на ¼ часть полноразмерной камеры сгорания. Сформулированы граничные условия необходимые для постановки математического моделирования течения и процессов горения. Представлены результаты сравнения исходной и оптимизированной геометрии камеры сгорания в виде картин распределения температур, скоростей, полного давления в завихрителе, распределения массовой фракции оксидов азота NOx. По результатам оптимизационных расчетов можно сделать вывод, что относительно небольшие изменения размеров, формы и количества отверстий вторичного воздуха, формы и размеров жаровой трубы, диаметра лопаточного завихрителя, а также формы и размеров жиклеров газовой форсунки оказывают существенное влияние на такие показатели рабочего процесса, как: форма, объем и расположение зоны горения; расположение и интенсивность зоны смешения, что как следствие сильно влияет на интегральные параметры камеры сгорания.

Полный текст

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
×

Об авторах

А. С Горновский

Московский политехнический университет

А. Г Валеев

Московский политехнический университет

Л. А Косач

Московский политехнический университет

А. В Костюков

Московский политехнический университет

Email: Kostukov123@yandex.ru
к.т.н.

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Горновский А.С., Валеев А.Г., Косач Л.А., Костюков А.В., 2017

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.