Влияние особенностей конструкции камер сгорания двигателей НК-16СТ, НК-16-18СТ на содержание углекислого газа в продуктах сгорания

Полный текст

Введение

Камера сгорания – один из основных элементов, определяющих надежность и эффективность работы газотурбинных двигателей (ГТД). Рабочий процесс камеры сгорания ГТД очень сложен и определяется множеством факторов: аэродинамикой потоков воздуха и газа, характером подачи топлива и его смешения с воздухом и испарения, воспламенением, стабилизацией пламени, условиями массо- и теплообмена, закономерностями горения по длине камеры сгорания. Несмотря на существенные различия в общей компоновке и большое разнообразие в конструкторском оформлении отдельных элементов камер сгорания различных двигателей, они в своей основе имеют общие принципы организации рабочего процесса [1].

Особенностью процесса сгорания в газотурбинном двигателе является то, что суммарный состав смеси топлива с воздухом лежит за пределами воспламеняемости, а температура цикла ниже температуры мгновенного воспламенения любых углеводородных топлив. Горение в двигателе происходит в потоке воздуха, скорость которого значительно выше скорости распространения пламени углеводородных топлив. Скорость потока в камерах сгорания стационарных двигателей составляет 30–80 м/с, авиационных – до 50–120 м/с. К тому же сгорание должно происходить в весьма ограниченном объеме, а потому с высокой скоростью тепловыделения при очень быстром протекании процессов смешения и горения. Независимо от указанных ограничений, в двигателе необходимо обеспечить устойчивое горение, высокую полноту сгорания, воспламеняемость и низкие выбросы токсичных веществ.

В настоящее время вопросы снижения парниковых газов, в частности выбросов СО₂, в выхлопных газах ГТД являются актуальными для энергетики и газотранспортной отрасли. Особый интерес представляет влияние организации горения в камере сгорания на образование СО₂ в зависимости от режимов работы ГТД [2].

Современные газообразные топлива представляют собой смесь различных углеводородных соединений. Условную химическую формулу такого топлива можно представить в виде C_mH_n. Для метана m ~1, n ~4.

В технических расчетах атмосферный воздух принимают как смесь азота и кислорода, тогда условную химическую формулу воздуха можно представить соотношением (О₂ + 3,76N₂). Коэффициент 3,76 показывает, что в воздухе на 1 молекулу кислорода приходится примерно 3,76 молекул азота.

Химическую реакцию окисления углеводородного топлива в воздухе можно записать символически в виде стехиометрического уравнения

4C_mH_n + (4m + n)·(O₂ + 3,76N₂) = 4mCO₂ + 2nH₂O + 3,76(4m + n)N₂.   (1)

Стехиометрическое уравнение записано в предположении полного превращения топлива в основные продукты сгорания и полной химической инертности атмосферного азота.  Стехиометрическое уравнение дает макроскопическое описание процесса окисления топлива и позволяет определить такие важные характеристики, как стехиометрическое соотношение для топлива L₀ и состав продуктов полного сгорания, а именно: 

$L_0=\frac{\left(4m+n\right)\left({\mu }_{\mathrm{0,2}}+\mathrm{3,76}\cdot {\mu }_{N_2}\right)}{4(m\cdot {\mu }_c+n\cdot {\mu }_{М})}=\frac{\mathrm{34,32}(4m+n)}{12m+n}\frac{\text{кг воздуха}}{\text{кг топлива}},$   (2)

где µ – молекулярная масса соответствующего вещества,

$C_{{\text{CO}}_2}=\frac{4m\cdot 100}{4m+2n+\mathrm{3,76}\left(4m+n\right)}\%,$   (3)

$C_{{\text{Н}}_{\text{2}}\text{O}}=\frac{2n\cdot 100}{4m+2n+\mathrm{3,76}\left(4m+n\right)}\%,$   (4)

$C_{{\text{N}}_2}=\frac{\mathrm{3,76}(4m+n)\cdot 100}{4m+2n+\mathrm{3,76}\left(4m+n\right)}\%.$   (5)

Для метана m = 1, n = 4, то

$L_0\approx \mathrm{17,2};{С}_{{\text{СО}}_{\text{2}}}\approx \mathrm{9,5};{С}_{{\text{Н}}_{\text{2}}\text{О}}\approx 19;\text{ }{С}_{{\text{N}}_{\text{2}}}\approx \mathrm{71,5}\%.$

В процессе окисления углеродосодержащих топлив окись углерода СО образуется как промежуточное вещество. Превращение СО в СО₂ в большей степени определяется элементарной реакцией [3]

СО + ОН → СО₂ + Н .   (6)

Так как эта реакция является единственной, определяющей превращение СО в СО₂, то можно сделать вывод, что весь углерод, первоначально содержащийся в топливе, превращается в СО₂. Отсюда следует, что содержание СО₂ в продуктах сгорания будет определяться завершенностью или незавершенностью реакции его окисления.

Объект исследования

Для определения влияния конструкции камеры сгорания на содержание СО₂ в продуктах сгорания, в данной работе рассматривается два типа камер сгорания. Одна является серийной для двигателя НК-16СТ, другая – для двигателя НК-16-18СТ.

В серийной камере сгорания ГТД НК-16СТ организован диффузионный принцип сжигания топлива. Камера (рис. 1) состоит из наружного 1 и внутреннего 2 корпусов, коллектора 3, трубопроводов 4 для подачи топлива от коллектора к форсункам 5, жаровой трубы 6, включающей в себя кожухи 7 с нанесенными отверстиями 8 и патрубками смесителей 9. В кольцевом фронтовом устройстве 10 размещены 32 вихривые горелки 11. Жаровая труба – кольцевая – состоит из кольцевых секций, между которыми сформирован кольцевой канал для подачи охлаждающего воздуха, что обеспечивает конвективно-пленочное охлаждение стенок [4].

Рис. 1. Камера сгорания двигателя НК-16СТ

Fig. 1. Combustion Chamber of the Gas-turbine Engine NK-16ST

В каждой вихревой горелке организован индивидуальный подвод топливного газа посредствам форсунок, обеспечивающих струйную подачу газа [5].

Фронтовое устройство жаровой трубы ГТД НК-16-18СТ (рис. 2) содержит кольцевую головку 1, включающую наружный и внутренний топливный коллектор 2. На стенке наружного топливного коллектора равномерно расположены четыре подвода, необходимые для подачи газа во внутреннюю полость коллекторов. Полости коллекторов соединяются при помощи каналов 3, расположенных во фронтовом устройстве. Так же в нем в шахматном порядке в два ряда нанесены фигурные окна 4 с центральным отверстием и стойки крепления форсунок 5 [6; 7].

Рис. 2. Камера сгорания двигателя НК-16-18СТ

Fig. 2. Combustion Chamber of the Gas-turbine Engine NK-16-18ST

Каждая камера была испытана в составе газотурбинного двигателя. Стенд (рис. 3), где устанавливался двигатель, состоит из воздухоподводящей выравнивающей трубы, вход в которую предохраняет защитная сетка. Она необходима для предотвращения попадания посторонних частиц в трактовую часть двигателя. Для осуществления транспортировки отработавших газов в шахту выхлопа в выходной части двигателя установлено выходное устройство. В качестве загрузочного устройства свободной турбины применялся воздушный компрессор – пневмотормоз [8].

Рис. 3. Схема стенда

Fig. 3. Scheme of the Stand

Стенд оборудован необходимыми измерительными приборами. Оснащен масляной системой для выполнения смазки опор двигателя и агрегатов во время проведения испытаний. Для обеспечения запуска и подачи топливного газа к элементам топливопитания стенд содержит газовую систему. Контроль за параметрами двигателя и регулирование режимов его работы выполняется с пульта управления, оснащенного мониторами, на которые выводятся измеряемые параметры [9].

Результаты испытаний

Во время испытаний выполнялся запуск двигателей и выход на режимы необходимые для построения дроссельной характеристики. На режимах выше 10 МВт, в соответствии со стандартом [10] в выхлопной шахте производился отбор проб продуктов сгорания и определялись концентрации токсичных веществ в них.

Для отбора проб использовался газоотборный зонд, погружаемый в специальное окно, выполненное в стенке выхлопной шахты, а для определения концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания использовался газоанализатор Testo 350. По измеренной величине концентрации кислорода (O₂) в продуктах сгорания рассчитывается содержание CO₂:

$c\left({\text{CO}}_2\right)=\frac{c\left({{\text{CO}}_2}_{\max }\right)\left(21-c\left({\text{O}}_2\right)\right)}{21}$,    (7)

где c(CO_2 max) – максимальное значение концентрации CO₂, %; 21 – концентрация O₂ в воздухе, %; c(O₂) – измеренная концентрация O₂ в продуктах сгорания, %.

Согласно быстродействию прибора, время проведения одного измерения составляло 40 с. Обработанные газоанализатором данные выводились на экран, а также фиксировались при помощи печатного устройства, встроенного в газоанализатор [11].

Для перевода массовых концентраций CO₂ из % в г/м³ принят ряд условий: температура выхлопных газов равна 618,15 K, давление выхлопных газов равно атмосферному при нормальных условиях и соответствует 101 325 Па.

Объем одного моль углекислого газа при температуре 618,15 K рассчитывается по формуле

$V_{m{\text{CO}}_2{T}_{\text{г}}}=V_{m{\text{CO}}_2{T}_{\text{н}}}\left(\frac{T_{\text{г}}}{T_{\text{н}}}\right)$   (8)

и составит 50,69 л, где $T_{\text{г}}$ = 618,15 K, $T_{\text{н}}$ = 273,15 K, $V_{m{\text{CO}}_2{T}_{\text{н}}}$ = 22,40 л – объем 1 моль CO₂ при 273,15 K.

Так как масса 1 моль CO₂ ${М}_{m{\text{CO}}_2}$ равна 44 г, то масса 1 л будет рассчитана по соотношению ${М}_{m{\text{CO}}_2}/V_{m{\text{CO}}_2{T}_{\text{г}}}$ и равна 0,868 г/л. Объем 1 % от 1 м³ составляет 10 л. Отсюда следует, что масса 1 % от 1 м³ равна 10 л ∙ 0,868 г/л и равна 8,68 г [12].

Данные по содержанию CO₂ в продуктах сгорания в % и г/м³ в зависимости от режима работы двигателей свeдены в таблицу.

Из рис. 4 следует, что с увеличением режима работы двигателя содержание углекислого газа СО₂ в выхлопных газах растет, что связано с увеличением расхода топлива и воздуха с набором мощности, а значит увеличением расхода продуктов сгорания.

В выхлопных газах двигателя НК-16СТ уровень содержания углекислого газа СО₂ ниже на » 20 % по сравнению с двигателем НК-16-18СТ.

Если придерживаться ранее сделанного предположения, что единственным механизмом снижения СО₂ является не полное завершение реакции окисления, то снижение СО₂ должно приводить к увеличению выбросов СО, что подтверждается данными измерений (рис. 5).

Рис. 4. Содержание углекислого газа СО2 в продуктах сгорания: ♦ – двигатель НК-16СТ и ■ – двигатель НК-16-18СТ

Fig. 4. Content of CO2 carbon dioxide in combustion products: ♦ – engine NK-16CT и ■ – engine NK-16-18CT

Рис. 5. Содержание оксидов углерода СО в продуктах сгорания: ♦ – двигатель НК-16СТ и ■ – двигатель НК-16-18СТ

Fig. 5. Content of carbon oxides in combustion products: ♦ – engine NK-16CT и ■ – engine NK-16-18CT

Для дальнейшего анализа представлены массовые концентрации CO₂ для каждого режима работы двигателей НК-16-18СТ и НК-16СТ, а также выполнен их перевод в г/м³ по ранее выведенному соотношению 1 % = 8,68 г/м³.

Содержание СО₂ в зависимости от режима работы двигателей

Окончание таблицы

Из рис. 4 и таблицы видно, что двигатель НК-16СТ с серийной камерой сгорания имеет уровень концентрации СО₂ ниже, чем двигатель НК-16-18СТ с камерой сгорания, имеющей многофорсуночное фронтовое устройство [13].

Для расчета полноты сгорания топлива использована зависимость [14]:

${\eta }_{\text{Г}}=1-(\mathrm{0,20175}\cdot E{I}_{\text{CO}}+E{I}_{{\text{CH}}_4})\cdot {10}^{-3},$   (9)

где EI_CO – индекс эмиссии окиси углерода; EICH₄ – индекс эмиссии метана; значение 0,20175 – это коэффициент, учитывающий отношение низшей теплоты сгорания окиси углерода $Q_{\text{Н}}^{\text{CO}}$ к низшей теплоте сгорания метана $Q_{\text{Н}}^{{\text{CН}}_{\text{4}}}$, которые составляют $Q_{\text{Н}}^{\text{CO}}=10096$ кДж/кг, $Q_{\text{Н}}^{{\text{CН}}_{\text{4}}}=50042$ кДж/кг.

Рис. 6. Полнота сгорания топлива на различных режимах: ♦ – двигатель НК-16СТ, ■ – двигатель НК-16-18СТ

Fig. 6. Completeness of Combustion of Fuel on various power setting: ♦ – engine NK-16CT и ■ – engine NK-16-18CT

Индексы эмиссии $E{I}_i$ для окиси углерода и метана рассчитываются при помощи уравнения

$E{I}_i=\frac{{\mu }_i}{{\mu }_{\text{в}}}(1-{\alpha }_i\cdot L_0)\cdot {\chi }_i\cdot {10}^{-3},$   (10)

где $L_0$ = 17,2 – ранее рассчитанный стехиометрический коэффициент сгорания метана (кг воздуха / кг топлива); ${\alpha }_i$ – суммарный или местный коэффициент избытка воздуха; ${\mu }_i$ – молярная масса определяемого токсичного вещества (CO, CH₄), г/моль; ${\mu }_{\text{в}}$ – молярная масса воздуха, г/моль; ${\chi }_i$ – объемная доля токсичного вещества, ppm.

Изменение полноты сгорания характеризуется незначительным убыванием в пределах 0,5 % в диапазоне мощностей от 10 до 17 МВт, при этом на режиме 16 МВт средняя полнота для двигателя НК-16СТ составила ɳ = 0,985, для двигателя НК-16-18СТ –  ɳ = 0,996 (рис. 6).

Заключение

Подтверждена возможность уменьшения уровня концентрации СО₂ в продуктах сгорания двигателя до 20 % за счет снижения полноты сгорания топлива в камере сгорания.

Полученные данные по изменению концентрации СО₂ с изменением режима работы двигателя могут быть полезны при выборе наиболее подходящего режима для минимизации СО₂ во время его эксплуатации.

Представленные подходы к организации процессов горения могут быть использованы разработчиками при проектировании камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих на природном газе, для минимизации выбросов СО₂ с обеспечением оптимума по СО и полноты сгорания.

Об авторах

Андрей Владимирович Бакланов

Автор, ответственный за переписку.
Email: andreybaklanov@bk.ru

заместитель главного конструктора

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Камера сгорания двигателя НК-16СТ

Скачать (406KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Камера сгорания двигателя НК-16-18СТ

Скачать (520KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Схема стенда

Скачать (501KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Содержание углекислого газа СО2 в продуктах сгорания: ♦ – двигатель НК-16СТ и ■ – двигатель НК-16-18СТ

Скачать (78KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Содержание оксидов углерода СО в продуктах сгорания: ♦ – двигатель НК-16СТ и ■ – двигатель НК-16-18СТ

Скачать (82KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Полнота сгорания топлива на различных режимах: ♦ – двигатель НК-16СТ, ■ – двигатель НК-16-18СТ

Скачать (110KB)

Метаданные