Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания гту

Вид материала

Семинар

Содержание Филиал ОАО «Силовые машины» ОАО «ЛМЗ», г. Санкт-Петербург; e-mail: a.pekov@lmz.ru) Экспериментальное и расчетное исследование систем охлаждения стенок жаровых труб В. П. Савченко Список литературы Результаты исследований характеристик однозонной камеры сгорания при «бедной» М.Н. Гутник, В.Д. Васильев, Л.А. Булысова Опыт разработки и внедрения в эксплуатацию низкоэмиссионной камеры сгорания Оценка влияния режимных и конструктивных факторов на образование вредных выбросов Опыт создания и доводки низкоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного привода гпа И.И. Кутыш, Д.И. Кутыш, И.Н. Гутник Исследование качества распыливания водотопливной эмульсии в метастабильном состоянии применительно к камерам сгорания наземных г Оценка оптимального содержания воды Для стационарных гту С.И. Сучков, М.Н. Гутник, А.А. Сомов N = 1,9 %) (рис. 3). На других углях количество выбросов NOх Методика доводки низкоэмиссионных Расчет, проектирование и эксплуатация Стенды испытательной станции Опыт создания и доводки изкоэмиссионной камеры сгорания для микротурбины "netz" Перспективные реакторы-конвекторы жидкого топлива для низкоэмиссионных камер сгорания ... Полное содержание

Подобный материал:

• Межвузовская научно-практическая конференция «Опыт, проблемы и перспективы социально-экономического, 90.07kb.
• Межвузовская научно-практическая конференция "Современное образование в негосударственном, 44.04kb.
• Положение о городской конференции «Инновации в образовании: опыт, проблемы, перспективы», 53.88kb.
• I. атэс. История создания, характер деятельности, 306.7kb.
• Международная научно-практическая конференция, 143.9kb.
• Состояние, проблемы и перспективы развития. Материалы VII международной научно-практической, 2398.87kb.
• Состояние, проблемы и перспективы развития. Материалы VIII международной научно-практической, 2761.66kb.
• Состояние, проблемы и перспективы развития. Материалы V международной научно-практической, 1714.39kb.
• Состояние, проблемы и перспективы развития. Материалы IX международной научно-практической, 2233.33kb.
• Состояние, проблемы и перспективы развития. Материалы VI международной научно-практической, 1888.69kb.

(Филиал ОАО «Силовые машины» ОАО «ЛМЗ», г. Санкт-Петербург;
e-mail: a.pekov@lmz.ru)

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ
В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

По результатам экспериментальных исследований теплового излучения пламени в камерах сгорания ГТУ получены зависимости для определения концентрации частиц сажи, коэффициента ослабления луча сажистыми частицами. Введены понятия эффективной температуры излучения пламени, коэффициентов макронеравномерности и микронеравномерности температуры продуктов сгорания, представлены формулы для их вычисления, полученные на основе экспериментальных и расчетно-аналити-ческих исследований. Предложена методика расчета теплового излучения пламени в камерах сгорания газотурбинных установок. Приводится сравнение результатов расчета температуры стенки жаровой трубы камеры сгорания энергетической ГТУ с использованием предложенной методики с результатами натурных испытаний.


А.Д. Рекин, Д.А. Усенко
(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва; e-mail: volkov@ciam.ru, gtu@ciam.ru)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНОК ЖАРОВЫХ ТРУБ
ДЛЯ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТУ

Разработка малоэмиссионных камер сгорания основывается на предварительном смешении топлива с воздухом. В этом случае образование сажи в жаровой трубе будет малым. Кроме того, для обеспечения малых выбросов оксидов азота температура продуктов сгорания не должна превышать 1800 К. При указанных выше условиях радиационные потоки тепла от пламени к стенкам будут тоже малыми, поэтому тепловая защита стенок жаровой трубы может ограничиться только наружным конвективным охлаждением. Однако при этом необходимо значительно интенсифицировать конвективное охлаждение, применяя ребра, штыри или другие интенсификаторы, и использовать теплозащитные покрытия.

В этой работе рассмотрен способ интенсификации конвективного охлаждения с помощью поперечных и продольных ребер и с помощью ударных струй. На основании результатов экспериментов показано, что с помощью поперечных ребер трудно получить увеличение теплоотдачи от стенки в 1,5 раза при разумных потерях давления.

С помощью ударных струй можно получить значительное увеличение теплоотдачи, но на коротком участке канала. На длинном участке канала использование ударных струй возможно при значительном конструктивном усложнении канала конвективного охлаждения.

Применение продольных ребер является наиболее эффективным средством интенсификации теплоотдачи при малых потерях давления, особенно, в случае изготовления ребер из меди с последующей их пайкой
к основному материалу стенки жаровой трубы.


В. П. Савченко

(ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова», г. Самара; e-mail: sntk@sntk.saminfo.ru)

О механизме влияния интенсификации процесса турбулентного смешения на устойчивость горения в камерах двигателей аэрокосмического и энергетического
назначения

Несмотря на то, что вопросам вибрационного горения в камерах сгорания (КС) посвящено большое число работ, ещё недостаточно разработаны механизмы возникновения неустойчивости горения, что не позволяет их использовать в практике проектирования и доводки КС.

В ходе доводки на СНТК КС двигателей различного назначения получены зависимости характеристик высокочастотной (ВЧ) и низкочастотной (НЧ) неустойчивости горения от газодинамической структуры потока на выходе из фронтовых устройств (ФУ) КС, от дальнобойности струй форсунок и факелов, образованных на этих струях [1...3], отражающих интенсивность процесса турбулентного смешения в КС.

В основу разработанной автоколебательной системы положены условия обратной связи, основанные на закономерностях, установленных
Гиневским А.С., Власовым В.Е., Фурлетовым В.И., в частности, на воздействии возникающих акустических пульсаций давления в турбулентных струях на их прикорневую часть, которое сопровождается образованием вихревых структур, распространяющихся вдоль потока струи.

При интенcификации процесса турбулентного смешения в КС происходит увеличение углового расширения факелов форсунок [1] или горелок [2, 3] при повышении степени их турбулизации и амплитуды акустических пульсаций давления во фронте пламени, а, следовательно, усиление акустического воздействия на прикорневую часть факелов, вызывающего усиление образования вихревых структур, поступающих во фронт пламени, и возникновение неустойчивости горения.

При интенсификации кинетического горения в КС за счёт изменения состава смеси или за счёт повышения химической активности компонентов топлива усиливаются акустические пульсации давления во фронте пламени и их воздействие на прикорневую часть струй форсунок и возникновение неустойчивости горения.

Эти влияния представлены в виде автоколебательной системы, учитывающей время запаздывания, зависящее от скорости истечения смеси в КС, длины факелов форсунок, начальной неравномерности подачи компонентов топлива в КС, интенсификации и растягивания выгорания смеси вдоль КС, усилительных свойств зоны горения, изменения акустического поля в КС [1] и т.д.

На базе исследованных закономерностей повышение эффективности горения достигалось за счёт применения многофорсуночных КС, а устойчивости горения – за счёт повышения дальнобойности струй форсунок. Обобщение влияния указанных факторов позволило разработать полуэмпирическую методологию оптимизации эффективности, устойчивости горения и эмиссии вредных веществ и реализовать в конструкции КС двигателей семейства «НК». Этот опыт целесообразно использовать при создании современных высокоэффективных и надёжных двигателей аэрокосмического и энергетического назначения.


Список литературы

1. Савченко В.П. Обобщение опыта организации турбулентного горения в камерах сгорания аэрокосмического и энергетического назначения // Тез. докладов международн. научн.-техн. конф. памяти В.Е. Дорошенко. – г. Самара,
2002. – С. 129–134.

2. Савченко В.П. Повышение эффективности и устойчивости горения в камерах с выносными жаровыми трубами двигателей ГТУ.// Труды V Всеросс. научно-техн.конф. «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей». – г. Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2004. – Вып. 5. – С. 166–174.

3. Савченко В.П., Лавров В.Н., Маркушин А.Н., Цыбизов Ю.И. Совершенствоваение методологии проектирования и доводки камер сгорания // Труды V Всеросс. науч-технич. конф. «Процессы горения теплообмена и экологии тепловых двигателей» – г. Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2004. – Вып. 5. – С. 174–178.


А. Ф. Ивах, Г. П. Гребенюк
(ФГУП «НПП Мотор», г. Уфа; e-mail: ufamotor@land.ru)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОЗОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПРИ «БЕДНОЙ»
И «БОГАТО-БЕДНОЙ» СХЕМАХ СЖИГАНИЯ
ТОПЛИВНОГО ГАЗА

Как показывает опыт, основной путь снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания – сведение к минимуму времени существования зон горения с температурой выше температуры окисления азота атмосферного воздуха ( 1800 К), реализуемый в двух разных схемах организации процесса горения:

• первая, сжигание основной массы предварительно перемешенного топлива в смеси «бедного» состава _фу = 1,8–2,0 и оставшейся небольшой части в дежурном факеле с _ф 1,0;
  
• вторая, сжигание предварительно перемешенного топлива в смеси «богатого» состава (_фу = 0,7–0,8) с ее быстрым разбавлением и переводом на «бедное» горение до _з.г. = 1,6–1,8 и гашением начальной температуры факела до Т_ф  1800 К.
  

При конвертировании камеры сгорания (КС) газотурбинного привода энергоустановки ГТЭ-10/95, создаваемого на базе авиационного двигателя Р13-300, проведен комплекс экспериментальных исследований обеих схем сжигания топливного газа в составе одногорелочного отсека КС с последующей проверкой в составе ГТЭ.

По результатам исследований первой схемы получена обобщенная зависимость С_NOx =  (С_CO, _фу, _см) и выявлены следующие особенности генерации NO_х при горении предварительно перемешанной бедной ТВС [1]:

• забеднение _фу с 1,3 до 1,7 без предварительного перемешивания (_см = 0,2 мс) не снижает генерацию NO_x из-за относительно большого объема зон горения с  ~1,0;
  
• забеднение предварительно перемешенной ТВС (_см = 2 мс) с _фу = 1,3 до 1,7 снижает уровень NO_x в 2 раза;
  
• предварительное перемешивание ТВС (_см = 2 мс) при _фу  1,3 не снижает NO_x, т.к. не устраняет относительно большего объема зон горения с  1,0
  

Полученные в составе отсека результаты показали принципиальную возможность достижения минимума концентрации с_NOх  50 мг/м³ в конструкции смесительной головки (СГ), обеспечивающей увеличение времени на предварительное перемешивание ТВС с 0,2 до 2 мс и ее забеднение до _фу = 1,7 (_кс = 4,0). Однако, в силу жестких требований по запасу устойчивости горения, в камере сгорания ГТП удалось реализовать только компромиссный вариант с _фу = 1,4 и _см = 0,2 мс с подачей в центр СГ 10 % не перемешенного газа и получить в результате на режиме 10 МВт концентрации NO_x и СО соответственно 85–90 мг/м³ и 40–50 мг/м³.

Основной этап исследований «богато-бедной» (R-Q-L) схемы выполнен в формате серийной трубчато-кольцевой камеры сгорания для двух схем фронтового устройства с составом смеси _фу = 0,7–0,8:

- с радиальным завихрителем с предварительным смешением ТВС и ее подачей в зону горения через смесительный модуль;

- с серийным периферийным завихрителем с подачей топливного газа в зону горения без предварительного смешения.

Исследования обоих вариантов Ф.У. проводились параллельно, их направленность имела целью реализацию максимума объема зоны горения с завершением горения «богатой» ТВС на возможно короткой длине и выбором места зоны гашения за счет оптимизации закона подвода воздуха по тракту жаровой трубы.

В варианте с периферийным завихрителем получен требуемый уровень традиционных характеристик – _г  0,99,  1,25,  1,10
(h = 0,6–0,7), _{кс бедн. ср.} 30 и снижение генерации NO_х с 170 мг/м³ у серийной КС до менее 50 кг/м³ [2]. В варианте с радиальным завихрителем и смесительным модулем уровня параметров КС с периферийным завихрителем достичь не удалось, особенно по неравномерности ТПГ, максимальную величину которой не удалось получить ниже 1,301,35 для всех исследованных вариантов.

Результаты исследований показали, что для камер сгорания умеренного уровня параметров цикла (=573 К, = 0,75 МПа, = 1173 К)
решение двуединой задачи обеспечения высокоэффективного горения в требуемом для ГТЭ диапазоне устойчивой работы _кс  _к с низкой концентрацией NO_x может быть реализовано и в рамках отработанных газодинамических и прочностных схем базовых авиационных КС организацией процесса горения по «богато-бедной» схеме. При этом фазовое состояние топливного газа и богатый состав смеси на начальном участке горения не требуют предварительного перемешивания.

Обоснованность этих положений базируется на результатах отработки по «богато-бедной» схеме горения камер сгорания энергоустановок
ГТУ-4П и ГТЭ-10/95, практически одинаковых по параметрам цикла, но отличающихся уровнем скоростей на входе в камеру сгорания _к = 0,28 и _к = 0,41 соответственно, в которых при существенно разных законах подвода воздуха по длине КС получены требуемые характеристики при уровне концентрации оксидов азота NO_x  50 мг/м³.

М.Н. Гутник, В.Д. Васильев, Л.А. Булысова

(ОАО «ВТИ», г. Москва; e-mail: vti@cnt.ru)

Расчётные И экспериментальные исследования малотоксичных камер сгорания
для энергетических ГТУ

На протяжении последних лет мы являемся свидетелями активного освоения сжигания различных топлив в малотоксичных камерах сгорания стационарных ГТУ с выбросами NO_x = 10–25 ppm (20–50 мг/м³) при практически полном сгорании топлива (СО в продуктах сгорания близко к нулю).

Основной проблемой при создании таких малотоксичных камер сгорания со сжиганием гомогенных смесей является обеспечение устойчивого горения без срывов, проскоков и низкочастотных пульсаций факела.

Разработанные и испытанные на полноразмерном стенде ВТИ малотоксичные камеры сгорания различаются конструкцией дежурной горелки, способом предварительного перемешивания топлива с воздухом, соотношения между зонами по воздуху и топливу и способом охлаждения пламенной трубы.

В настоящем докладе рассмотрены результаты стендовой отработки этих камер сгорания. Проведённые экспериментальные исследования рабочего процесса показали, что на рабочих режимах (t_r = 1100–1200 °С) при достижении α_пр = 1,9–2,2 и минимальной подаче топлива на центральную горелку В_диф = 5 % концентрация NO_x для всех испытанных камер сгорания составляет 8–15 мг/м³ (при 15 % O₂), (р_кс = 0,12 МПа), а полнота выгорания на рабочих режимах 99,9 %. При подаче топлива только в зону предварительного перемешивания горение происходит только в очень узком диапазоне и может возникнуть срыв пламени или вибрационное горение. Наличие дежурной (диффузионной) горелки, устойчиво работающей при малых расходах топлива через неё, позволяет устойчиво работать в широком диапазоне нагрузок без срывов и вибраций факела с минимальными выбросами вредных веществ.

При испытаниях этих камер сгорания большое внимание уделялось снижению концентрации оксидов углерода на переменных режимах. Разработали мероприятия, снижающие СО на переменных режимах до
СO < 300 мг/м³.

С помощью программного обеспечения проведены расчётные исследования на первых этапах конструирования малотоксичной камеры сгорания, были выбраны геометрические параметры, определены поля скорости для оценки процессов массообмена, проведены численные исследования процессов перемешивания и выгорания природного газа в топочном объеме камеры сгорания, получены температурные поля при горении предварительно перемешанной топливовоздушной смеси, определены оптимальные соотношения топлива для пилотной и основной горелки, получены поля концентрации оксидов азота при сжигании гомогенных смесей.

Проведенные исследования разработанных горелочных устройств с предварительным смесеобразованием продемонстрировали перспективность использования двухзонной «бедно-бедной» схемы при создании малотоксичных камер сгорания. Намечены пути дальнейшего совершенствования конструкции камер сгорания.


Е.Ю. Марчуков, В.В. Куприк, М.М. Гойхенберг, С.А. Федоров, В.Г. Гончаров

(НТЦ им. А. Люльки – ОАО «НПО Сатурн», г. Москва)

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ НИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
ГТУ АЛ-31 СТ

В докладе представлен опыт всех этапов создания низкоэмиссионной камеры сгорания ГТУ АЛ-31СТ от разработки до внедрения в промышленную эксплуатацию.

В докладе рассмотрены следующие проблемы и задачи:

- выбор конструктивной схемы многомодульной камеры сгорания ГТУ, создаваемой на базе авиационного ГТД;

- доводка экологических и других рабочих характеристик базового элемента камеры сгорания – модуля-гомогенизатора на модельной установке;

- экспериментальные исследования основных рабочих характеристик (по запуску, устойчивости горения, полям температур и др.) на полноразмерной камере сгорания;

- экспериментальные испытания низкоэмиссионной камеры сгорания в составе ГТУ АЛ-31СТ и отработка САУ;

- опыт внедрения низкоэмиссионной камеры сгорания в промышленную эксплуатацию.


В.А. Асосков, Н.С. Шестаков, М.В. Барашков, А.А. Николаев

(ОАО «НПО ЦКТИ», г. Санкт-Петербург)

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕЖИМНЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ОБРАЗОВАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ И СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАЛОТОКСИЧНЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ С ДИФФУЗИОННЫМ И КИНЕТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ

В докладе рассмотрены способы снижения токсичности выбросов в камерах сгорания разрабатываемых и эксплуатирующихся газотурбинных установок. Приведены результаты стендовых исследований горелочных устройств и камер сгорания при различных параметрах воздуха и способы его сжигания с топливом: предварительное перемешивание или в объеме камеры сгорания, а также при балластировании зоны горения инертной средой (пар или инертный газ).


В.Б. Сударев
(ЗАО «ОРМА», г. Санкт-Петербург, e-mail: soudarev@mail.ru)

ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ДОВОДКИ НИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА ГПА

Приведены данные расчетного и экспериментального исследования низкоэмиссионной камеры сгорания, реализующей сжигание топлива в системе встречно-закрученных коаксиальных струй воздуха и топливо-воздушной смеси.

Показаны особенности течения и потокосмешения, влияние геометрии зоны предварительного смешения и выдува на эпюры скоростей и концентраций в первичной зоне.

Описана подготовка фронтового устройства к промышленным испытаниям, приведены результаты промышленного эксперимента и анализ полученных данных.

Даны рекомендации по конструктивному совершенствованию, направленные на дальнейшее улучшение камеры сгорания.


И.И. Кутыш, Д.И. Кутыш, И.Н. Гутник
[ЗАО «ВЭКОНТ»; МАИ (ТУ), e-mail: ecohibent@businovo.ru; ОАО «ВТИ»,
e-mail: vti@cnt.ru]

Результаты экспериментальных исследований режимов пневматического распыливания жидкости с помощью металлокерамического проницаемого элемента

Детально исследованы режимы пневматического распыливания жидкости с помощью металлокерамического проницаемого элемента в широких диапазонах изменения чисел Вебера, Рейнольдса и Маха, а также расходов газа и жидкости.

Установлены критические значения чисел Вебера и отношения расходов газа и жидко­сти, при которых обеспечивается высокое качество двухфазной смеси (однородность и ста­бильность).

Даны рекомендации по оптимальному проектированию устройства предварительной подготовки смеси жидкого или газообразного топлива и воздуха для малоэмиссионной камеры сгорания стационарной ГТУ.


В.К. Верхоломов, Г.Ф. Маслов

(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва)

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА РАСПЫЛИВАНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В МЕТАСТАБИЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КАМЕРАМ СГОРАНИЯ НАЗЕМНЫХ ГТУ

Для высококачественного распыливания тяжелых углеводородов как непосредственно в камере сгорания (КС) наземных ГТУ, так и в термоокислительном реакторе с предварительным получением синтез-газа в ЦИАМ предложен эффективный метод «взрывного» распыливания вязких топлив, основанный на переводе топлива в метастабильное состояние с последующим ударным, взрывообразным вскипанием на входе в КС. Метод базируется на теории метастабильных жидкостей, наиболее полно изложенной в работах В.П. Скрипова.

В случаях тяжелых углеводородов предлагается их использовать в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ) из-за исключительно высокой способности воды к перегреву и взрывообразному вскипанию.

Введение воды в состав топлива будет также способствовать снижению эмиссии оксидов азота и окиси углерода.

С помощью разработанного в ЦИАМ диспергирующего устройства отработана технология приготовления высокостабильных ВТЭ: средний диаметр капель воды в эмульсии составил~35мкм.

На стенде Ц-16В НИЦ ЦИАМ проведено экспериментальное исследование качества распыливания ВТЭ (дизельное топливо + вода) в метастабильном состоянии. Стенд оснащен лазерным измерителем дисперсности капель и телесъемкой факела распыливания с записью на видеомагнитофон.

Экспериментально подтверждено, что вода является основным «взрывообразующим» компонентом эмульсии, от содержания и температуры перегрева которой зависит качество распыливания ВТЭ.

Получено, что с увеличением содержания воды (q_В) качество распыливания ВТЭ в верхней области метастабильных состояний улучшается. Так, при значении приведенной температуры  = Т_Ф/Т_кр≈ 0,85 с увеличением q_В с 33 до 39 % средний диаметр капель в факеле распыливания уменьшится с 11 до 8мкм, т.е.  на 30 %.


В.К. Верхоломов, Е.В. Суриков

(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва)

ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ
В ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
В ПРОЦЕССЕ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОНВЕРСИИ
ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СИНТЕЗ-ГАЗА
ДЛЯ СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ

В связи с ростом в топливном балансе страны удельного веса низкосортных углеводородных топлив, включая и образующиеся в промышленности нефтеотходы, значительный практический интерес имеет конверсия их в синтез-газ, который после соответствующей очистки может быть использован в стационарных газотурбинных установках (ГТУ). Такие ГТУ, созданные на базе отечественных авиационных двигателей и работа которых основана на применении простого термодинамического цикла, находят широкое применение в промышленной энергетике. При этом тяжелые углеводороды перспективно использовать в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ).

Для оценки оптимального содержания воды в эмульсии, в качестве которой принято дизельное топливо (ДТ) + вода, проведены термодинамические расчеты. При этом содержание воды (q_В) изменялось от 0 до 60 %. В процессе термоокислительной конверсии рассмотренный диапазон для коэффициента избытка воздуха () составил =0,050,6, а для температуры воздуха = 2981700 К. В качестве критерия эффективности процесса газификации тяжелых углеводородов приняты абсолютная и относительная теплотворные способности образующегося синтез-газа Н_Uгг и , где – теплотворная способность «сухого» топлива (q_В=0).

В результате расчетов установлено, что от 40 до 80 % воды, содержащейся в ВТЭ, участвует в термохимических процессах конверсии углеводородного топлива в синтез-газ, что в итоге приводит к повышению КПД газификации на 612 % (Н_Uгг=0,890,95) в сравнении с «сухим» топливом (Н_Uгг ≈ 0,84) и к снижению оптимального значения  (с 0,35 при q_В=0 до 0,25 при q_В=45 %).

Получены обобщенные энергетические характеристики синтез-газа в зависимости от содержания воды в топливе и подогрева воздуха. Оптимальное содержание воды в ВТЭ, при котором достигает максимума, зависит от температуры подогрева воздуха и с повышением с 1100 до 1700 К уменьшается соответственно с 45 до 32 %.

С.И. Сучков, М.Н. Гутник, А.А. Сомов

(ОАО «ВТИ», г. Москва; e-mail: vti@cnt.ru)

Исследование сжиганиЯ генераторного газа
в камере горения газовой турбины

В ВТИ проведены исследования системы воздушной газификации углей и отходов в плотном слое с жидким шлакоудалением и сухой золо- и сероочисткой. Разработка этой системы ориентирована на применение в циклах ПГУ. В объем этих исследований входило изучение сжигания генераторного газа в камере горения газовой турбины.



Опыты показали, что генераторный газ горновой газификации углей на чисто воздушном дутье при стабильном ведение этого процесса может успешно применяться в газовых турбинах при широком варьировании режимных условий его сжигания. По нашей оценке, реакционная способность генераторного газа с Q_i^r > 4395 кДж/м³ (1050 ккал/м³) близка к реакционной способности природного газа, что можно объяснить наличием в нем водорода. Адиабатическая темпера-тура горения генераторного газа антрацита и кузнецкого тощего угля составляет соответственно 1619 С и 1666 С, на бурых углях она выше. Такой газ при подогреве воздуха может быть беспрепятственно использован в высокотемпера-турных газовых турбинах.

По данным наших исследований, до 50 % материнского азота при горновой газификации углей переходит в NH₃ генераторного газа. По этой причине сжигание генераторного газа сопровождается повышенными выбросами NO_х (рис. 1). Многовариантная про- работка сокращения выбросов NO_х показала, что технологические приемы на генератор-

ном газе результативны из-за наличия в нем NH₃, позволя-ющего при определенных условиях организовать селек- тивную реакцию восстановления оксидов азота. Исследо-вания показали высокую эффективность относительного простого способа подавления NO_х с помощью двухступенчатого сжигания генераторного газа. Для ее реализации существующая газотурбинная камера горения была реконструирована с организацией второй ступени сжигания на начальном участке газохода отходящих газов (рис. 2). С помощью этого метода сокращение выбросов NO_х до величин, ниже нормативных для твердого топлива, было получено даже на кузнецком угле с аномально высоким содержанием материнского а


Рис. 3. Зависимость выбросов NO_х от коэффициента избытка воздуха

зота
( N^daf = 1,9 %) (рис. 3).

На других углях количество выбросов NO_х в 1,5–2 раза меньше. Величина их, приведенная к теплоте сгорания исходного угля, составила для различных углей 0,065–0,120 г/МДж при нормативном значении
0,13 г/МДж.


Выводы:

1. Качество и состав генераторного газа горновой газификации углей допускает широкое варьирование параметров сжигания и применение его в высокотемпературных газовых турбинах.

2. Простой метод ступенчатого сжигания генераторного газа обеспечивает выбросы NO_х ниже нормативных для твердых топлив.

Г.К. Ведешкин, В.И. Фурлетов, Е.Д. Свердлов, Д.А. Усенко

(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва; e-mail: gtu@ciam.ru; furletov@ciam.ru)

МЕТОДИКА ДОВОДКИ НИЗКОЭМИССИОННЫХ
КАМЕР СГОРАНИЯ

В докладе рассматривается последовательность получения характеристик низкоэмиссионных камер сгорания, которая оптимизирована по стоимости и времени получения каждой характеристики горения.

Рассмотрены следующие этапы исследований:

- исследование характеристик горения при атмосферном давлении;

- в одногорелочном отсеке при полном давлении;

- в кольцевой модели камеры сгорания при пониженном и полном давлении;

- в полноразмерной камере сгорания.

Приводится сравнение эмиссионных характеристик, границ устойчивости в зависимости от давления в камере сгорания для различных типов гомогенных камер сгорания. Показано также влияние давления на срывные характеристики.

Приводятся характеристики экспериментальных установок и стендов, разработанных и созданных для каждого вида испытаний.

Стенд высокого давления:

- давление в камере сгорания до 50 бар,

- температура воздуха на входе в камеру сгорания до 1000 К,

- расход воздуха до 10 кг/с.

Горючее: метан, водород, керосин, дизельное топливо, синтез-газ.

Стенд среднего давления:

- давление до 20 бар,

- температура воздуха до 800 К,

- расход воздуха до 50 кг/с.

Горючее: метан, дизельное топливо, керосин.


Д.А. Усенко

(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва; e-mail: gtu@ciam.ru)

РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
В ЦИАМ ГРЕБЕНОК ОТБОРА ПРОБ ГАЗА
И ГРЕБЕНОК ТЕРМОПАР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭМИССИИ
И ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР НА ВЫХОДЕ ИЗ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Испытание современных авиационных двигателей и газотурбинных установок невозможно без корректного измерения эмиссии и поля температур в камерах сгорания. В современных и проектируемых камерах сгорания температура газа существенно превышает 1000 С и стремится к температурам, близким к 2000 С. Для измерения таких высоких температур используются водоохлаждаемые термопарные гребенки с платино-родиевыми и иридий-родиевыми термопарами. В процессе эксплуатации таких гребенок выявились следующие проблемы:

• Непостоянство характеристик термопары в процессе работы.
  
• Большие погрешности показаний термопар.
  

• Недостаточная надежность термопар.
  

На основе опыта эксплуатации термопарных гребенок была разработана типовая конструкция водоохлаждаемой гребенки с индивидуальными каналами для зарядки термопар. Такой подход позволяет достаточно просто зарядить и разрядить каждую термопару в отдельности, не разбирая остальные, тем самым, позволяя легко заменить вышедшие из строя термопары в короткие промежутки времени между испытаниями.

Для термопар с открытым спаем выбрано компромиссное решение между надежностью термопары и точностью ее измерений и определены размеры выноса спая из гребенки.

В процессе эксплуатации могут изменяться параметры термопары, такие как чернота спая и ориентация его в потоке, которые влияют на величину систематической ошибки. В ОСТ 101134–86 изложена методика расчета систематической погрешности показаний термопар. Для точного определения исходных параметров расчета систематической погрешности в ЦИАМ разработана установка для тарировки термопар.

Отбор газовой пробы для анализа эмиссии из камеры сгорания отличается от отбора пробы за соплом в около атмосферных условиях. Согласно нормам ИКАО вопросы, связанные с характеристикой пробоотборного насадка, решаются по соглашению между заказчиком и исполнителем в каждом случае индивидуально. Во время эксплуатации гребенок газового отбора в ЦИАМ выявились следующие проблемы:

• Не соответствие составов анализируемой пробы и газа в месте отбора.
  
• Разная температура пробы на выходе из гребенки при изменении режима работы камеры.
  
• Быстрое засорение насадков.
  

Важной проблемой является правильное охлаждение пробы в пробоотборнике: чтобы на всех режимах работы камеры, когда производится отбор пробы в пробе, СО не доокислилось в СО₂ и не образовывался конденсат. Для решения поставленной задачи насадки в ЦИАМ проектируются с использованием принципа аэродинамического замораживания. Такие насадки засоряются медленнее, чем трубчатые соответствующего диаметра.

Обычно охлаждение гребенок производится холодной водой, текущей по замкнутому контуру. Часто возникает ситуация, когда давление в камере выше, чем давление охлаждающей воды. В этой ситуации недостаток охлаждения приводит к мгновенному разрушению гребенки. Необходим тщательный контроль за тепловым состоянием гребенки во время испытания и очистка каналов охлаждения от накипи. При температуре газового потока свыше 1300 С настоятельно рекомендуется корпус гребенки покрывать теплозащитным покрытием.

• 
  

А.С. Лебедев, А.П. Пеков, Н.Н. Пономарев

(Филиал ОАО «Силовые машины» ОАО «ЛМЗ», г. Санкт-Петербург;
e-mail: a.lebedev@lmz.ru, a.pekov@lmz.ru)

СТЕНДЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ

Испытательная станция включает в себя 5 стендов:

1. Стенд для испытания камер сгорания позволяет испытывать натурные жаровые трубы камер сгорания. Подготовлены к испытаниям камеры сгорания ГТЭ-180 и ГТЭ-65. Испытания проводятся при расходе до
   30 кг/с, давлении до 9 кгс/см² и температуре на входе до 540 С. Применение эжекторных систем позволило снизить энергозатраты на подогрев воздуха. Особенностью стенда является применение смесителя которое позволяет на разгонных режимах наряду с изменением давления моделировать и изменение температуры в реальном масштабе времени. Применена автоматизированная система управления, задающая программу изменения давления и температур воздуха перед камерой и давления топлива перед горелками по времени. Выполнен блок подачи газообразного топлива, имитирующий работу системы газораспределения ГТУ и обеспечивающий быстрый переход с гомогенного на диффузионный режим горения. Для сбора информации используется автоматизированная измерительная система.
   
2. Стенд для холодных испытаний топливной аппаратуры предназначен для испытания форсунок. Стенд оборудован лазерной системой, установленной на основании с 4 степенями свободы.
   
3. Стенд для испытания единичных горелок. Исследования осуществляются на жидком или газообразном топливе при горении или дистиллированной воде при исследовании распыла. Стенд оборудован лазерной системой, позволяющей измерять дисперсность распыла, концентрацию и угол факела жидкости. При применении доплеровского насадка измеряются две составляющие скоростей.
   
4. Стенд для холодных продувок элементов камер сгорания. Стенд предназначен для определения аэродинамических характеристик и доводки элементов камер сгорания (пламенные трубы, завихрители, горелочные устройства, переходные патрубки, диффузоры).
   
5. Кроме этого в состав станции включен стенд для тепловых испытаний охлаждаемых лопаток турбины.
   

В.А. Акулов, Г.А. Новаченко

(ЗАО ППП «Промэнергомашреновация», г. Санкт-Петербург; e-mail: german_n@infos.ru)

ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ДОВОДКИ ИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДЛЯ МИКРОТУРБИНЫ "NETZ"

В 2003 г. Первый брненский машиностроительный завод, Велка Битеш, поручил ЗАО ППП «Промэнергомашреновация» создание низкоэмиссионной камеры сгорания на газообразном топливе для микротурбины "NETZ" мощностью 100 кВт. Камера сгорания создавалась с учетом следующих требований:

- достижение низкого уровня эмиссий NO_x и СО в максимально большом диапазоне нагрузок (NO_x до 9 ppm, СО до IS ppm на 100 % нагрузке);

- работа камеры сгорания в составе ГТУ с рекуператором (температура на входе в КС до 578 С).

Для реализации этих требований была разработана конструкция камеры сгорания в составе:

• семигорелочного фронтового устройства, обеспечивающего сжигание предварительно подготовленной бедной топливовоздушной смеси;
  
• тремя группами подключения горелок;
  
• двумя регулирующими топливными клапанами; системой регулирования проходных сечений отверстий смесителя.
  

После успешного проведения цикла стендовых испытаний, включающих в себя как испытания горелочного модуля, так и всей камеры сгорания, в конце 2003 года начались испытания двух головных ГТУ, оснащенных штатными камерами сгорания.

К настоящему моменту прошел первый цикл натурных испытаний камеры сгорания в составе ГТУ, который подтвердил правильность принятой концепции и позволил оптимизировать алгоритм работы системы управления ГТУ.

А.В. Байков, Н.Ф. Дубовкин, В.К. Верхоломов

(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва)

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕАКТОРЫ-КОНВЕКТОРЫ ЖИДКОГО ТОПЛИВА ДЛЯ НИЗКОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ

В докладе рассматривается возможность создания специальных реакторов-конвекторов для получения горючего газа из жидкого углеводородного топлива с целью питания низкоэмиссионных камер сгорания газообразным топливом.

В отличие от ранее рассматривавшихся реакторов-конвекторов, которые обеспечивали окисление углеводородного топлива до стадии образования синтез-газа, в перспективных реакторах-конвекторах предлагается использовать реакцию парциального окисления сверхбогатых смесей углеводородного топлива и атмосферного воздуха, которая сопровождается образованием легких, преимущественно непредельных углеводородных газов. В докладе приводятся оценки основных параметров реакторов-конвекторов нового типа и освещаются особенности их рабочего процесса. Показано, что разработанная в ЦИАМ методика подачи и распыливания тяжелого углеводородного топлива в виде водотопливных эмульсий в метастабильном состоянии расширяет возможности проведения реакций парциального окисления, что, с одной стороны, увеличивает диапазон рабочих параметров реактора-конвектора, а с другой стороны, делает возможным использование тяжелых углеводородных соединений в качестве топлива в ГТУ без ухудшения их экологических показателей.

Б.Г. Мингазов

(КГТУ им. Туполева, г. Казань; e-mail: feme@adeu.kstu-kai.ru)

О ТУРБУЛЕНТНОМ ГОРЕНИИ СМЕСИ В ПОТОКЕ

В докладе рассматривается рабочий процесс в камерах сгорания ГТД
с позиций турбулентного горения смеси в потоке.

За основу принята модель поверхностного распространения пламени в потоке с развитой турбулентностью. Данная модель может быть использована при известных законах изменения локальных значений составов смеси, интенсивности турбулентности, степени испарения жидкого топлива по длине жаровой трубы. Указанные закономерности получены на основе балансовых уравнений сохранения массы, тепла и движения.

Современное решение данных уравнений позволяет получить закономерности изменения локальных значений полноты сгорания, составе смеси, температуры продуктов сгорания, степени испарения жидкого топлива.

На основе полученных данных и модели Зельдовича получены также закономерности выделения NO_x в зоне горения.

Анализ обобщенных зависимостей выбросов NO_x и CO, а также полноты сгорания от состава смеси в зоне горения позволяет оптимизировать режимные и конструктивные параметры камеры сгорания при их доводке.

В.В. Беляев, Ю.И. Цыбизов

(ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова», г. Самара; e-mail: sntk@sntk.saminfo.ru)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТД И ГТУ

Известно, что продолжительность отработки двигателя в целом, и камеры сгорания (КС) в частности, по параметрам, надежности и эмиссии определяется длительностью получения информации о его рабочем процессе. В настоящее время для получения такой информации используют, в основном, два способа: натурный эксперимент (поузловая отработка на автономных стендах, испытания экспериментальных образцов двигателей) и численное моделирование (поверочный расчет составляющих элементов рабочего процесса). В мировой практике создания тепловых машин численное моделирование успешно используется в комплексе с натурным экспериментом. Обладая свойством полноты информации, получаемой в результате расчета, численный эксперимент позволяет в значительной мере сократить объем, сроки и, следовательно, стоимость экспериментальной отработки двигателя. Такое сокращение возможно благодаря более глубокому анализу особенностей рабочего процесса двигателя и, вследствие этого, более рациональному планированию экспериментальных доводочных работ.

В ходе совместного использования натурного и численного экспериментов проводится согласование данных, которое дает исследователю основание для корректирования технологии испытаний, а также систем измерений.

В докладе предложены основные принципы совместного использования натурного и численного экспериментов, а также некоторые результаты работ в этом направлении применительно к малоэмиссионным КС, проведенных в ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова».

С.С. Солнцев, Н.В. Исаева

(ФГУП ВИАМ, г. Москва)

КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ

Керамический композиционный материал, предназначенный для изготовления теплонагруженных деталей, представляет собой дисперсно-упрочненную систему на основе карбида кремния (SiC-SiC), работоспособную при 1500 C в окислительной среде.

Композиционный материал с керамической матрицей на основе SiC обладает низкой удельной массой (в 2–3 раза легче сталей); повышенной эрозионной, химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах; при эксплуатационных температурах – эффектом самозалечивания микродефектов и восстановления до 100 % исходных механических характеристик.

Отличительной особенностью керамического композиционного материала SiC-SiC ВИАМ является сверхвысокая стойкость (для керамики) при термоциклических нагрузках в продуктах сгорания топлива.

1500 °С ↔ 800 °С более 5000 циклов (1 ц  1 мин)

без разрушения

Сырьевые материалы для производства композиционного материала недефицитны и отличаются невысокой стоимостью.

Основными технологическими процессами получения композита, оказывающими наибольшее влияние на структуру и свойства дисперсноупрочненного квазиизотропного углеродкерамического композиционного материала, является «теплое» формообразование и высокотемпературный синтез путем реакционного спекания. Процесс реакционного спекания позволяет направленно управлять такими свойствами, как плотность, пористость, прочность при изгибе и др.

Таким образом, происходит направленное формирование в композите непрерывного каркаса, где исходные частицы включаются в непрерывную структуру, образующуюся за счет высокотемпературного синтеза из исходных компонентов.

ВИАМ ведет постоянную работу по совершенствованию эксплуатационных характеристик материала. Возможные области применения: узлы и детали газотурбинных двигательных установок, применяемых в авиастроении, нефте- и газоперекачивающих системах, энергетике, судостроении, в конструкциях планеров самолетов, машиностроении. ВИАМ готов сотрудничать в разработках по расширению применения керамических композиционных материалов.


С.С. Солнцев, Н.В. Исаева, Д.В. Гращенков

(ФГУП ВИАМ, г. Москва)

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ УГЛЕРОДКЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В отличие от металлических сплавов более легкие (в 3–4 раза легче стали) углеродкерамическне композиционные материалы могут сохранять свои прочностные характеристики в широком диапазоне температур. Эти композиты не имеют альтернативы в условиях длительного (от сотен до нескольких тысяч часов) воздействия температуры выше 1300 С.
Однако, применение углеродкерамических композиционных материалов в условиях высокотемпературных нагревов в окислительной среде невозможно без антиокислительных покрытий.

Впервые в отечественной и мировой практике в ВИАМ разработаны высокотемпературные системы покрытий для защиты от окисления и деградации углеродкерамических композиционных материалов при температурах вплоть до 2000 °С.

Новизна защитных керамических окситермогенных систем состоит в том, что получение защитных слоев и их работоспособность в течение длительного времени при температурах до 2000 °С обеспечивается за счет химических процессов взаимодействия компонентов покрытия и кислорода окружающей среды. При этом кислород задерживается во внешних слоях покрытия, обеспечивающего многоуровневую защиту углеродного материала.

Регулирование процессов химических и фазовых превращений в покрытиях позволяет обеспечить заданный срок службы, рабочую температуру и придать такие функциональные свойства как эрозионная стойкость, излучательная способность, каталитичность и др.

Новые системы высокотемпературных покрытий ВИАМ открывают перспективу практического применения уникальных углеродкерамических композиционных материалов в окислительной среде вплоть до
2000 °С в энергетике, авиации, металлургии, машиностроении.

С.С. Солнцев, Д.В. Гращенков, А.С. Наумова

(ФГУП ВИАМ, г. Москва; e-mail: admin@viam.ru)

УГЛЕСТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ
И ДЕТАЛЕЙ

Стеклокерамические композиционные материалы предназначены для изготовления теплонагруженных узлов и деталей конструкционного назначения. Например:

Композиционные материалы со стеклокерамической матрицей обладают низкой удельной массой (в 2–4 раза легче сталей и сплавов), относительно высокой температурой эксплуатации (на 300–400 °С выше, чем у полимерных КМ), относительно высокой вязкостью разрушения, химической инертностью, коррозионной стойкостью, высоким сопротивлением к зарождению и росту трещин, высокими удельными механическими характеристиками.

Сырьевые материалы для производства стеклокерамического композиционного материала недефицитны и отличаются невысокой стоимостью.

Основным технологическим процессом получения композита, оказывающим наибольшее влияние на его структуру и свойства, является «горячее» формование.

Гетерогенная система «стекломатрица – наполнитель», сочетая положительные свойства компонентов и обладая комплексом новых свойств, неприсущих ни одному из них в отдельности, позволяет кардинально повысить прочность и трещиностойкость хрупких стекломатериалов.

ВИАМ ведет постоянную работу по совершенствованию эксплуатационных характеристик материала. Для улучшения механических характеристик (увеличение прочности до 1000 МПа) работа продолжается в направлении создания структуры и состава композита, обеспечивающих максимальную реализацию прочностных характеристик наполнителя в КМ. ВИАМ готов сотрудничать в разработках по расширению применения и ассортимента стеклокерамических композиционных материалов.

А.А Белоконь, Б.И.Брайнин, В.М.Захаров, О.Н.Фаворский, К.М.Хритов

(НИЦ «ЭКОЛЭН», ФГУП ЦИАМ, г.Москва braynin@ciam.ru)


ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ

КАТАЛИЗАТОРОВ, РАЗРАБОТАННЫХ ИНСТИТУТОМ КАТАЛИЗА СО РАН, В КАМЕРАХ

СГОРАНИЯ МИНИ-ГТУ


Предложена технология проведения испытаний модельной каталитической камеры сгорания, позволяющая оценить характеристики каталитических блоков (пакетов) для камер сгорания ГТУ.

Оценены активность и термостойкость каталитических пакетов, изготовленных на основе использования двух типов гранулированных катализаторов, разработанных Институтом катализа СО РАН, - меднохромового и марганцевого.

Показаны реальные перспективы применения марганцевого катализатора ИКТ-12-40 в каталитических камерах сгорания ГТУ.