Проектирование камеры сгорания с выносными горелочными устройствами для малоразмерного ГТУ мощностью 75 кВт
- Авторы: Ястребов В.В.1, Попова Т.Б.1, Искворин Д.С.1, Зубрилин И.А.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
- Выпуск: Том 1 (2023)
- Страницы: 443-444
- Раздел: Теплотехника и тепловые машины
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr2023/article/view/430224
- ID: 430224
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Одной из тенденций развития распределенной энергетики является разработка газотурбинных электростанций в диапазоне генерации 50–200 кВт.
Несмотря на рост популярности возобновляемых источников энергии, большое внимание уделяется разработке, проектированию и экспериментальным исследованиям многотопливных микротурбинных систем нового поколения в рамках международных проектов по сокращению выбросов. Прогнозируется, что использование новейших технологий производства и проектирования приведет к получению малоразмерных газотурбинных приводов для электростанций, которые будут лучше соответствовать экологическим нормам, иметь большую энергопроизводительность, надежность, долговечность и будут более экономичными в применении, чем существующие на рынке в настоящее время. Поэтому исследования в этой области приобретают еще большее значение. Более того, несмотря на растущий спрос на МГТД в нашей стране, заметно практическое отсутствие наработок в данном направлении.
В последнее время электростанции данной мощности стали широко распространены среди предприятий нефтегазовой отрасли, а также применяются в сельскохозяйственной промышленности.
Это объясняется коэффициентом энергоэффективности выше среднего и продолжительным сроком службы. Также на это влияет и способность данных установок работать на разнообразных видах топлива, включая СПГ, дизель, водород, биотопливо, парафин и природный газеты
Цель — предоставить этапы разработки жаровой трубы и форкамеры для МГТУ мощностью 75 кВт с наличием теплообменника.
Методы. Были изучены малоразмерные газотурбинные установки похожей компоновки аналогичного класса мощности, представленные на рынке РФ. Было получено, что подавляющее большинство МГТУ данного класса в РФ представлены зарубежными компаниями [1].
На этапе разработки жаровой трубы и форкамер для МГТУ были просчитаны необходимые геометрические размеры, которые сравнивались со статистическим соотношением различных камер сгорания данного класса [2].
Присутствие теплообменника в такого рода установках создает специальные условия работы камеры сгорания, приводящие к пониженной степени нагрева в камере сгорания (1,3–1,4 вместо 1,8–2,0 в стандартной компоновке без теплообменника) и, как следствие, высокому коэффициенту избытка воздуха α = 7–10 на выходе из жаровой трубы. Кроме того, повышенная температура входящего воздуха после рекуператора, Тк = 770 К, затрудняет создание системы отверстий охлаждения стенок жаровой трубы КС МГТУ.
Было решено локализировать с помощью микроразмерных камер сгорания (форкамер) зоны горения для обеспечения высокой полноты сгорания и равномерного температурного поля.
При расчете в трехмерной постановке были использованы следующие модели: модель турбулентности — Reynolds Stress Model; пристеночная функция — Scalable; модель горения — Partially Premixed Combustion; Flamelet, PDF; кинематический механизм — GRI 3.0; окислитель воздух — O2 = 21 %, N2 = 79 %; Tк = 770,2 °K; топливо — СН4 = 100 %; Тт = A293 °К.
Результаты. Были рассчитаны 15 вариантов камеры сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя (рис. 1).
Рис. 1. Графики изменения потерь полного давления и коэффициента избытка воздуха на выходе из форкамеры от площади отверстий в завихрителе
Желаемым результатом является отличие рассчитанных выходных проектных параметров от проектного расчета меньше 3 %.
Выводы. После предварительных расчетов было решено увеличить площадь охлаждающих отверстий и сечений форкамеры, чтобы локализовать горение в форкамере и уменьшить перепад давления и максимальную неравномерность температурного поля.
Ключевые слова
Полный текст
Обоснование. Одной из тенденций развития распределенной энергетики является разработка газотурбинных электростанций в диапазоне генерации 50–200 кВт.
Несмотря на рост популярности возобновляемых источников энергии, большое внимание уделяется разработке, проектированию и экспериментальным исследованиям многотопливных микротурбинных систем нового поколения в рамках международных проектов по сокращению выбросов. Прогнозируется, что использование новейших технологий производства и проектирования приведет к получению малоразмерных газотурбинных приводов для электростанций, которые будут лучше соответствовать экологическим нормам, иметь большую энергопроизводительность, надежность, долговечность и будут более экономичными в применении, чем существующие на рынке в настоящее время. Поэтому исследования в этой области приобретают еще большее значение. Более того, несмотря на растущий спрос на МГТД в нашей стране, заметно практическое отсутствие наработок в данном направлении.
В последнее время электростанции данной мощности стали широко распространены среди предприятий нефтегазовой отрасли, а также применяются в сельскохозяйственной промышленности.
Это объясняется коэффициентом энергоэффективности выше среднего и продолжительным сроком службы. Также на это влияет и способность данных установок работать на разнообразных видах топлива, включая СПГ, дизель, водород, биотопливо, парафин и природный газеты
Цель — предоставить этапы разработки жаровой трубы и форкамеры для МГТУ мощностью 75 кВт с наличием теплообменника.
Методы. Были изучены малоразмерные газотурбинные установки похожей компоновки аналогичного класса мощности, представленные на рынке РФ. Было получено, что подавляющее большинство МГТУ данного класса в РФ представлены зарубежными компаниями [1].
На этапе разработки жаровой трубы и форкамер для МГТУ были просчитаны необходимые геометрические размеры, которые сравнивались со статистическим соотношением различных камер сгорания данного класса [2].
Присутствие теплообменника в такого рода установках создает специальные условия работы камеры сгорания, приводящие к пониженной степени нагрева в камере сгорания (1,3–1,4 вместо 1,8–2,0 в стандартной компоновке без теплообменника) и, как следствие, высокому коэффициенту избытка воздуха α = 7–10 на выходе из жаровой трубы. Кроме того, повышенная температура входящего воздуха после рекуператора, Тк = 770 К, затрудняет создание системы отверстий охлаждения стенок жаровой трубы КС МГТУ.
Было решено локализировать с помощью микроразмерных камер сгорания (форкамер) зоны горения для обеспечения высокой полноты сгорания и равномерного температурного поля.
При расчете в трехмерной постановке были использованы следующие модели: модель турбулентности — Reynolds Stress Model; пристеночная функция — Scalable; модель горения — Partially Premixed Combustion; Flamelet, PDF; кинематический механизм — GRI 3.0; окислитель воздух — O2 = 21 %, N2 = 79 %; Tк = 770,2 °K; топливо — СН4 = 100 %; Тт = A293 °К.
Результаты. Были рассчитаны 15 вариантов камеры сгорания малоразмерного газотурбинного двигателя (рис. 1).
Рис. 1. Графики изменения потерь полного давления и коэффициента избытка воздуха на выходе из форкамеры от площади отверстий в завихрителе
Желаемым результатом является отличие рассчитанных выходных проектных параметров от проектного расчета меньше 3 %.
Выводы. После предварительных расчетов было решено увеличить площадь охлаждающих отверстий и сечений форкамеры, чтобы локализовать горение в форкамере и уменьшить перепад давления и максимальную неравномерность температурного поля.
Об авторах
Всеволод Владимирович Ястребов
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Автор, ответственный за переписку.
Email: seva.yastrebov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1757-4030
студент, группа 2228-010403D, Институт двигателей и энергетических установок
Россия, СамараТатьяна Борисовна Попова
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: popova_tb@mail.ru
студент, группа 3102-240405D, Передовая инженерная аэрокосмическая школа
Россия, СамараДаниил Сергеевич Искворин
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: daniil.iskvorin@mail.ru
студент, группа 3102-240405D, Передовая инженерная аэрокосмическая школа
Россия, СамараИван Александрович Зубрилин
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: zubrilin416@mail.ru
Список литературы
- Викулов О.В., Рыбаков Ю.Л. Газовые микротурбины как перспективный продукт конверсии военного двигателестроения // Инноватика и экспертиза. 2021. № 1. С. 160–167. doi: 10.35264/1996-2274-2021-1-160-167
- Ланский А.М., Лукачев С.В., Матевеев С.Г., и др. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД. Самара: Самарский университет, 2016. 259 с.
Дополнительные файлы
