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

Вид материала

Семинар

Содержание Опыт внедрения в рабочий цикл камеры сгорания гту предварительного смешения топлива Разработка камеры сгорания на природном газе Пути совершенствования камеры сгорания гту В.А. Щуровский, Ю.Н. Синицын Состояние отработки малоэмиссионных Опыт доводки экологических характеристик В.Н. Пармон, З.Р. Исмагилов История проектирования, доводки и перспективы улучшения характеристик низкоэмиссионной камеры сгорания двигателей семейства аи-3 Особенности рабочего процесса Поиск компромиссных технических решений при оптимизации эмиссионных характеристик камеры сгорания Г.С. Акопова, Н.Г. Гладкая Жаропрочные свариваемые сплавы Теплозащитные покрытия для деталей перспективных газотурбинных двигателей О работах отдела камер сгорания циам применительно к камерам сгорания Экологические характеристики Исследование вибрационного горения Применение методов вычислительной П.А. Бухштаб, В.М. Захаров, Р.С. Кашапов, А.Б. Лебедев, Д.А. Любимов,А.Н. Секундов, А.М. Старик, Н.С. Титова, С.А. Щепин, К.Я. Я Возможности применения детальной кинетики А.А. Диденко, С.О. Некрасова ... 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.

Первый межведомственный научно-технический семинар по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок


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


14-16 декабря

Москва, ЦИАМ


Организаторы

• Совет РАН по проблемам развития энергетики России
  
• ЦИАМ
  
• Всероссийский теплотехнический институт (ОАО ВТИ)
  

А.Г. Тумановский, М.Н. Гутник, В.Д. Васильев
(ОАО «ВТИ», г. Москва; e-mail: vti@cnt.ru)

Проблемы создания малотоксичных камер
сгорания для стационарных ГТУ

При разработке перспективных ГТУ одной из главных проблем является создание малотоксичных камер сгорания, которые наряду с высокими экономическими и эксплуатационными показателями должны иметь минимальные выбросы вредных веществ (оксидов азота, продуктов неполного сгорания) в широком диапазоне изменения режимных параметров. В последние 10÷15 лет отечественные и зарубежные газотурбинные фирмы ведут интенсивную работу по созданию камер сгорания с организацией сжигания предварительно перемешанных топливовоздушных смесей с коэффициентом избытка воздуха в зоне горения α_I=1,9÷2,5. При внедрении этого способа сжигания в камерах сгорания практически всех ведущих газотурбинных фирм получены концентрации оксидов азота на рабочих режимах не выше 8÷25 млн^1 (О₂=15 %). Однако при отработке и эксплуатации камер сгорания с сжиганием «бедных» гомогенных топливовоздушных смесей возникают серьезные проблемы по обеспечению ее надежной эксплуатации и получения гарантированных показателей по вредным выбросам. Их удается избежать при создании малотоксичных камер сгорания с использованием современных методов расчета, экспериментальных исследований и эксплуатационного опыта.

В докладе приводятся разработки проведенных в ОАО «ВТИ» расчетных и экспериментальных исследований многочисленных конструктивных вариантов малотоксичных камер сгорания, направленные на обеспечение «бедных» топливовоздушных смесей устойчивого горения без срывов, проскоков и пульсаций давлений, минимальных концентраций продуктов неполного сгорания на переменных режимах ГТУ.

Даются рекомендации по объединению усилий квалифицированных специалистов и возможностей экспериментальных баз стационарного и авиационного газотурбостроения по созданию и отработке малотоксичных камер сгорания для перспективных энергетических и авиационных ГТУ.


Р.С. Кашапов и др.
(ООО НПФ «Теплофизика», г. Уфа; e-mail:tfl@fromru.com)

ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ В РАБОЧИЙ ЦИКЛ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТУ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ ТОПЛИВА
С ВОЗДУХОМ

Рассматриваются вопросы создания систем организации горения с низким уровнем эмиссии NO_x для газовых турбин газоперекачивающих агрегатов (ГПА) типа ГТК-10И (МS3000, GE) и ГТК-10-4 (Невский завод).

Со времени промышленного внедрения в 1994 г. горелочных устройств с предварительным смешением топлива (ПСТ) на ГПА ГТК-10-4 системы организации горения с низким уровнем эмиссии NO_x установлены на 128 агрегатах. По данным на июнь 2004 г. модернизированные установки эксплуатировались в течение более 3,5 млн ч, средний срок службы базовых элементов конструкции камер сгорания ПСТ около
30,0 тыс. ч. Опыт эксплуатации выявил некоторые особенности применения данных систем на ГПА.

Также в работе представлены результаты использования элементов автоматического регулирования саморегуляции при создании камеры сгорания ПСТ для ГПА типа ГТК-10И. Отмечены пути совершенствования разработанных в НПФ "Теплофизика" конструкций камер сгорания ПСТ и проведены результаты исследований в этом направлении.


Е.Д. Свердлов, Г.К. Ведешкин, А.Н. Дубовицкий, Д.А. Усенко

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

РАЗРАБОТКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
С УРОВНЕМ ЭМИССИИ NO_x И CO < 10 ppm

В работе представлены результаты разработки и совершенствования новых низкоэмиссионных технологий сжигания углеводородных горючих и создания низкоэмиссионных горелок и камер сгорания перспективных ГТУ и других энергетических систем, а также анализ проблем, возникающих при создании низкоэмиссионных камер сгорания (НКС) с горением «бедной», заранее перемешанной топливовоздушной смеси.

Предложена оригинальная схема организации рабочего процесса в НКС, отличающаяся:

• эффективным струйным топливовоздушным смесителем, работающим без закрутки потока газа и устойчивым к проскокам пламени;
  
• развитой рециркуляционной стабилизацией горения, обеспечивающей устойчивый процесс горения «бедной» топливовоздушной смеси без подпитки дополнительным топливом зоны рециркуляции;
  
• чисто конвективной схемой воздушного охлаждения стенок жаровой трубы (без вдува воздуха в пристеночную зону горения);
  
• регулированием НКС за счет изменения как расхода топлива, так и расхода воздуха через фронтовое устройство камеры.
  

Приведены результаты экспериментальных исследований предложенной НКС в реальном диапазоне условий работы (р_к = 1…20 бар, Т_в = 300…740 К).

Продемонстрирована возможность получения эмиссионных характеристик (NO_x и СO < 10 ppm), приближающихся к минимально достижимым уровням для рассматриваемых условий работы.

Представлены амплитудно-частотные характеристики НКС и методы управления низкочастотной неустойчивостью термохимических процессов.

Предложены принципы организации рабочего процесса в смесителе, обеспечивающие высокую эффективность смешения и устойчивость к проскокам пламени из камеры сгорания.

Комплексное решение проблем позволило создать опытную НКС, обеспечивающую низкую эмиссию вредных выбросов, широкий диапазон низкоэмиссионной работы, низкий уровень пульсаций давления и устойчивость к проскокам пламени.

Е.Ю. Марчуков, В.В. Куприк, С.А. Федоров, В.Г. Гончаров
(НТЦ им. А.Люльки – ОАО «НПО Сатурн», г. Москва)

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТУ
ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ УЛЬТРАНИЗКИХ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА NO_x

В докладе представлена новая технология достижения ультранизких выбросов оксидов азота NO_x, основанная на воздушной каталитической конверсии части углеводородного топлива (природного газа) и синтез-газ, содержащего водород Н₂ и оксид углерода СО, и его сжигание в камере сгорания газотурбинной установки.

Известно, что водород и окись углерода имеют более широкие концентрационные пределы воспламенения и высокую скорость горения. Это позволяет, при наличии в топливовоздушной смеси водорода и окиси углерода, сжигать в камере сгорания очень бедные смеси с низкой температурой горения и таким образом получить низкие концентрации оксидов азота NO_x.

На НТЦ им. А. Люльки отработана новая технология, которая на модельной камере сгорания дала снижение вредных выбросов оксидов азота NO_x до уровня 5 ppm.


В.А. Щуровский, Ю.Н. Синицын
(ООО «ВНИИГАЗ» АОА «Газпром», г. Москва)

Снижение выбросов вредных веществ ГТУ
на компрес­сорных станциях ОАО «Газпром»

• Состояние эмиссионных характеристик и показателей парка ГТУ.

• Концепция и итоги реализации программ ограничения NO_x.

• Результаты испытаний ГТУ на компрессорных станциях.

• Вопросы контроля, мониторинга и учета выбросов.

• Нормативно-методическая документация.

В.В. Беляев, В.Н. Лавров, А.М. Постников, Н.В. Церерин, Ю.И. Цыбизов
(ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова», г. Самара; e-mail: sntk@sntk.saminfo.ru)

СОСТОЯНИЕ ОТРАБОТКИ МАЛОЭМИССИОННЫХ
КАМЕР СГОРАНИЯ ГТД НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СЕМЕЙСТВА «НК»

Перед разработчиком современного ГТД наземного применения стоит проблема оптимального выбора параметров термодинамического цикла в сочетании с “жесткими” экологическими характеристиками, сроками отработки конструкции, себестоимостью, высокой надежностью и эксплуатационной технологичностью. Большая роль в решении этих проблем отводится выбору схемы и отработке конструкции камеры сгорания (КС). Задача создания КС значительно осложнена тем, что в настоящее время отсутствуют завершенная теория малоэмиссионного горения, а также современная доводочная база при наличии острого дефицита финансирования. Все перечисленное обусловливает каждое ОКБ развивать свои концепции создания КС, основу которых составляет собственный опыт отработки КС по параметрам, надежности и эмиссии.

В ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» накоплен опыт создания различных типов КС: традиционные авиационного типа, многофорсуночные кольцевые, двухзонные кольцевые и двухзонные с выносными жаровыми трубами, работающие на керосине, природном газе и на криогенных топливах (СПГ и водород).

Обобщены характеристики, включая экологические для ГТУ как с умеренным (π_к<13, НК-16СТ, НК-18СТ), так и с высокими параметрами термодинамического цикла (π_к>20, НК-36СТ, НК-37, НК-38СТ).

В докладе представлены достигнутые эмиссионные характеристики, трудности в доводке малоэмиссионных КС различных типов. На основании результатов обобщения опыта отработки этих типов КС сформулированы основные проблемы обеспечения сверхнизких выбросов NO_x и CO для ГТУ семейства «НК».

А.В. Охлобыстин, О.В. Брындин, В.В. Птицын, В.В. Токарев
(ОАО «НПО Сатурн», г. Рыбинск; e-mail: saturn@npo-saturn.ru)

ОПЫТ ДОВОДКИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
КАМЕР СГОРАНИЯ в ОАО «НПО Сатурн»

В данной работе рассмотрены проблемы создания и доводки в ОАО «НПО Сатурн камер сгорания двигателей промышленных ГТД ДО-49Р, ГТД-6РМ, ГТД-4РМ, ГТД-6,3РМ, ГТД-10РМ и М75РУ.

Основываясь на опыте создания камеры сгорания авиационного ГТД пятого поколения (изд.77), созданы камеры сгорания для работы на природном газе двигателей ГТД-4РМ, ГТД-6,3РМ и ГТД-10РМ для газоперекачивающих агрегатов. На базе того же двигателя созданы камеры сгорания двигателя М75РУ, предназначенного для работы на дизельном топливе на морских судах.

С большой степенью унификации с камерой сгорания авиационного ГТД Д-30КУ-154(МКС) разработана камера сгорания для электростанции ГТЭ-6РМ, предназначенной для работы, как на природном газе, так и на дизельном топливе.

Выполнен комплекс работ по модернизации камеры сгорания ГТД ДО-49Р для электростанции, работающей на природном газе.

Обобщение собственных экспериментальных результатов по всем изделиям позволило разработать варианты жаровых труб с улучшенными экологическими характеристиками. Представлены результаты испытаний камеры сгорания на отсеках, газогенераторах и в составе двигателей. Показана возможность дальнейшего снижения уровня NO_x.


В.Н. Пармон, З.Р. Исмагилов
(Институт катализа им. Г.К. Борескова, г. Новосибирск; e-mail: zri@catalysis.nsk.su)

Создание новых катализаторов
для камер сгорания ГТУ

Использование катализаторов для проведения процесса сжигания топлив в камерах сгорания газовых турбин является новым подходом в энергетике, который позволяет значительно снизить концентрации NO_x, СО и НС в выхлопных газах (ниже 10 ppm). К катализаторам, используемым в камерах сгорания газовых турбин, предъявляются особые требования: высокой активности, термостабильности (до 1000–1400 °С), устойчивости к перепадам температур, возможности работы при повышенных давлениях и высоких скоростях газового потока (до 40 м/с).

В докладе представлены результаты

- по разработке и исследованию катализаторов на основе благородных металлов и смешанных оксидных систем, нанесенных на гранулированные керамические носители, для сжигания метана в газовых турбинах. С помощью методов рентгенофазового анализа, удельной поверхности, химического анализа и активности в реакции окисления метана на лабораторном стенде определены оптимальные химические составы катализаторов в отношении активности и термостабильности. Изготовлены опытные партии оптимальных катализаторов двух различных составов и переданы для проведения испытаний в малогабаритном модуле натурной каталитической камеры сгорания газовой турбины;

- по изготовлению катализаторов сжигания метана на металлической фольге методом напыления с целью дальнейшего изготовления катализаторов в виде сотовых металлических блоков. Исследовано влияние параметров процесса (химический состав напыляемого материала, обработка поверхности, режимов напыления) на адгезию покрытий на металлической поверхности. На основании полученных данных разработан способ получения каталитических покрытий с высокими адгезионными и термостабильными свойствами на фольге.

И.Ф. Кравченко, В.Н. Гусев, А.И. Кирилюк, В.И. Пацерин, В.А. Минаков
(ЗМКБ «Прогресс», г. Запорожье; e-mail: progress@ivchenko-progress.com)

ИСТОРИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ДОВОДКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕМЕЙСТВА АИ-336

Кратко описана история создания низкоэмиссионной камеры сгорания, которая берет свое начало в середине 90-х годов ХХ века. При этом уделено внимание экспериментальным работам на лабораторных установках, предшествовавшим созданию этой камеры сгорания. Детально рассмотрены начатые с 1997 года доводочные работы на полноразмерной камере сгорания в составе двигателя и отдельных элементов на отсеках, в результате которых оптимизирован алгоритм управления и решены проблемы нестабильности запуска, виброгорения и погасания.

Представлены результаты эмиссионных характеристик серийного экземпляра камеры сгорания по окончании доводочных работ и имеющиеся на сегодняшний день ресурсные показатели, достигнутые в эксплуатации.

Показаны особенности модульной конструкции узла камеры сгорания, позволяющие использовать ее в составе ГТУ семейства АИ-336 мощностью от 4 до 10 МВт.

Широко рассмотрены вопросы дальнейшего улучшения характеристик низкоэмиссионной камеры сгорания и продемонстрированы результаты испытаний лабораторных установок, которые говорят о значительном улучшении пусковых, срывных и эмиссионных показателей.

В.Г. Ванцовский, Б.В. Исаков, А.Б. Михайлов, В.В. Романов

(«Зоря-Машпроект», г. Николаев; e-mail: spe@mashproekt.nikolaev.ua)

ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
В НИЗКОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ
ДВИГАТЕЛЯ ДГ80

Газотурбинный двигатель ДГ80 предназначен для привода нагнетателя газоперекачивающего агрегата. Номинальная мощность двигателя
_е = 25 МВт, КПД = 34,8 %, частота вращения выходного вала 3700 об/мин.

Первый серийный двигатель ДН80Л, изготовленный в 1998 году, имел традиционную камеру сгорания (система диффузионного горения), уровень выбросов оксидов азота NO_x на номинальном режиме находился в пределах 350–400 мг/м³, оксида углерода СО около 10 мг/м³ при 15 % О₂. Основные номинальные режимные параметры двигателя:

t₀₂ = 462 C, t₀₃ = 1245 C, р₀₂ = 21,1 кгс/см², G_в = 86,4 кг/с, _кс = 2,7.

С марта 2001 г. внедрена в серийное производство низкоэмиссионная камера сгорания, которая обеспечивает на номинальном режиме работы двигателя NО_x  50 мг/м³, СО  30 мг/м³ при 15 % О₂.

Камера сгорания двигателя ДН80Л трубчато-кольцевая противоточная состоит из 16 жаровых труб, соединенных между собой пламя-перебрасывающими патрубками. Система охлаждения жаровой трубы – пленочная.

Для двигателя ДГ80 разработана малотоксичная система сжигания газообразного топлива, в основе которой лежит способ сжигания предварительно подготовленной бедной топливовоздушной смеси. Основным элементом малотоксичной системы является горелочное устройство, которое состоит из двух радиальных завихрителей первого и второго каналов, за которыми расположены кольцевые камеры смешения. Доля воздуха, поступающего через завихритель первого канала, составляет 12 % суммарного расхода через жаровую трубу; через завихритель второго канала поступает 61 %. Топливный газ раздается через отверстия диаметром 0,6 мм, выполненные в лопатках радиальных завихрителей первого и второго каналов.

Запуск двигателя и выход на режим 0,1N_е осуществляется подачей топлива только в завихритель первого канала, в котором топливо смешивается с воздухом. Поток через завихритель входит в кольцевую предварительную камеру, где смешивание завершается прежде, чем поток войдет в центральную предкамеру. В предкамере горение стабилизируется рециркуляционной зоной.

На режиме запуска двигателя и до режима 0,1 N_е в завихрителе первого канала готовится богатая гомогенная топливовоздушная смесь, что позволяет на этих режимах поддерживать устойчивое горение в основной зоне, при коэффициенте избытка воздуха в зоне горения _кс = 2,5–3,5.

С режима 0,1 N_е осуществляется подача топлива в завихритель второго канала, в котором начинается и в кольцевой камере смешения заканчивается подготовка бедной гомогенной топливовоздушной смеси. Горение бедной топливовоздушной смеси, приготовленной в завихрителе второго канала, стабилизируется горением богатой смеси завихрителя первого канала.

На режиме 0,7–1,0 N_е топливо раздается по каналам в соотношении, обеспечивающем требуемые экологические характеристики.

Топливная система двигателя двухканальная. Распределение топлива по каналам осуществляется согласно алгоритму в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель и его нагрузки.

А.В. Охлобыстин, О.В. Виноградова, В.В. Птицын, В.Н. Шишкин
(ОАО «НПО Сатурн», г. Рыбинск; e-mail: saturn@npo-saturn.ru)

ПОИСК КОМПРОМИССНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

В работе проанализированы методом структурного анализа результаты испытаний опытных камер сгорания двигателей ГТД-6РМ ОАО «НПО Сатурн. Несколько вариантов камер сгорания с мероприятиями по снижению выбросов были спроектированы и испытаны.

Обеспечение требуемых экологических характеристик ГТД является чрезвычайно сложной инженерной задачей. Из-за отсутствия достоверной модели расчета физических процессов задачу приходится решать экспериментально. При испытаниях, как правило, используются одновременно несколько изменений в конструкции. Особенно сложным является одновременное обеспечение требуемого уровня выбросов и по NO_x, и по СО.

В связи с этим задача многопараметрической и многокритериальной оптимизации камеры сгорания в условиях жестких ограничений на эксперименты является важной и актуальной. Необходимо за счет разработки специальных методических подходов задачу оптимизации решать в реальных условиях информационной недостаточности, когда число опытов не превышает 8–10 при значительном количестве входных переменных (сопоставимые размеры, площади, углы и т.д.).

В данной работе предложен метод структурного анализа экспериментов при доводке камеры сгорания. Получены структурные уравнения связи уровня выбросов вредных веществ с конструктивными параметрами камер сгорания. Рассмотрены различные варианты эвристического поиска компромиссных решений, позволяющие существенно улучшить экологические характеристики на основе минимальных доработок конструкции.

Г.С. Акопова, Н.Г. Гладкая
(ООО ВНИИГАЗ ОАО «Газпром», г. Москва; e-mail: gladkaya@vniigaz.gazprom.ru)

Экспериментальная оценка экологической эффективности модернизированных камер сгорания газоперекачивающих агрегатов

Одной из важнейших практических задач природоохранной деятельности газотранспортных предприятий ОАО «Газпром» является сокращение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ (оксидов азота, углерода, метана) при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (ГПА).

В настоящее время завершен первый этап в решении этой задачи – модернизация камер сгорания наиболее широко эксплуатируемых типоразмеров газотурбинных и газомоторных ГПА. Реализовано несколько вариантов модернизации ГПА типа ГТК-10, ГТ-750-6, ГПА-Ц-16, 10 ГКМ и др.

Более чем пятилетний опыт эксплуатации и результаты мониторинга экологических характеристик позволили оценить фактическую экологическую эффективность модернизированных ГПА.

Итоговый анализ достижений модернизации камер сгорания ГПА позволил обосновать экологические требования к вновь разрабатываемым малоэмиссионным агрегатам и перспективные направления работ по сокращению выбросов NO_x.

С.А. Моисеев, В.Б. Латышев
(ФГУП ВИАМ, г. Москва; e-mail: admin@viam.ru)

ЖАРОПРОЧНЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ СПЛАВЫ
ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УЗЛОВ СОВРЕМЕННЫХ
И ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВИАЦИОННЫХ ГТД

В докладе рассмотрены свойства современных жаропрочных сплавов, которые могут быть использованы для камер сгорания и дожигания, экранов, форсунок, корпусов камер сгорания и КВД, высокотемпературных газоводов и др. К таким материалам относятся новые сплавы марок ВЖ155, ВЖ159, ВЖ145, ВЖ169 и др., которые могут обеспечить требуемую надежность и ресурс новых авиационных ГТД.

С.А. Мубояджян, Ю.И. Головкин
(ФГУП ВИАМ, г. Москва; e-mail: admin@viam.ru)

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В докладе рассмотрены некоторые аспекты в области газотермических теплозащитных покрытий для деталей горячего тракта ГТД,
а также вопросы создания соединительного слоя теплозащитных покрытий при помощи ионно-плазменной технологии высоких энергий, применительно к лопаткам ТВД.

С.А. Волков

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

О РАБОТАХ ОТДЕЛА КАМЕР СГОРАНИЯ ЦИАМ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КАМЕРАМ СГОРАНИЯ
С ПОНИЖЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Одним из основных направлений в деятельности отдела камер сгорания ЦИАМ являются работы, направленные на создание различных научно-технических разработок применительно к наземным газотурбинным установкам (ГТУ). Целью этих работ являются:

- создание опережающего научно-технического задела по малоэмиссионным высокоресурсным камерам сгорания перспективных ГТУ;

- доработка авиационных камер сгорания для применения их в наземных ГТУ в рамках конверсионных программ;

- разработка новых и модификация существующих камер сгорания ГТУ с целью обеспечения экологических, ресурсных и других требований;

- разработка стендового оборудования и модернизация стендов для проведения испытаний камер сгорания ГТУ;

- проведение экспертизы и сертификации разработанных другими предприятиями камер сгорания ГТУ.

В рамках ФЦП «Национальная технологическая база» в отделе разрабатывается современная технология создания малоэмиссионных камер сгорания для ГТД наземного применения нового поколения с повышенными термодинамическими параметрами (давлением до 35 кгс/см² и температурой газов до 2000 К). К настоящему времени разработана технология создания фронтовых модулей с гомогенизацией горючей смеси (патент РФ № 38218), изготовлен и испытан образец такого модуля. Разработаны, изготовлены (совместно с ВИАМ) и испытаны образцы систем охлаждения жаровой трубы с ресурсом более 20000 ч. Разработана, изготовлена и испытана двухтопливная (газ + жидкость) форсунка.

В рамках программ с Министерством науки и технологии экспериментально подтверждены принципиальные схемы перспективных камер сгорания для ГТУ мощностью 10 и 20 МВт со степенью повышения давления π_Σ= 10…15 и каталитической камеры сгорания для ГТУ мощность 50…100 кВт со степенью повышения давления π_Σ= 4…5.

В рамках проводимой в авиационной отрасли конверсии в отделе проведены следующие работы:

- разработаны и экспериментально отработаны мероприятия по применению авиационной камеры сгорания изделия 77 для ГТУ-4РМ (совместно с НПО «Сатурн», г. Рыбинск);

- разработан базовый вариант камеры сгорания для ГТУ-6РМ на основе малоэмиссионной камеры сгорания авиационного двигателя Д-30КУ-154, созданной совместно с НПО «Сатурн» (патент РФ № 39686 на фронтовой модуль, заявка № 2003132123 на патент камеры сгорания);

- разработаны мероприятия по доработке камеры сгорания ГТУ-20СТ, созданной на базе изделия 55 (совместно с ТМКБ «Союз», г. Москва);

- спроектирован и изготовлен отсек и разрабатывается вариант камеры сгорания ГТЭ-20С, создаваемой на базе авиационного двигателя АЛ-21
(в рамках утвержденной ММПП «Салют, ГУП ВИАМ, ЦИАМ программы).

В рамках создания малоэмиссионной камеры сгорания для ГТУ МЭС-60 (ММПП «Салют», г. Москва) в ЦИАМ проведены испытания базового варианта жаровой трубы и подготовлены предложения по ее доработке. Применительно к ГТУ-180 (ОАО «ЛМЗ», г. С.-Петербург) в отделе совместно с ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) разработана система охлаждения создаваемой камеры сгорания. В настоящее время в отделе проводятся экспериментальные работы по оптимизации конструкции камеры сгорания ГТУ-2,5/4/6П для работы на газовом и дизельном топливах (совместно с ОАО «Авиадвигатель») и расчетно-проектные работы по созданию малоэмиссионного варианта камеры сгорания для ГТУ НК-14СТ (совместно с ОАО «СКБМ», г. Самара).

Для обеспечения испытаний камер сгорания при повышенных давлениях (до 40 кгс/см²) и температурах газов (до 2000 К) в отделе разработан и изготовлен (совместно с ОАО «Металлист-Самара») высокотемпературный дроссель (патент РФ № 26098), успешно прошедший испытания в указанных условиях на стенде Ц-16К НИЦ ЦИАМ. Для создаваемого в ОАО «ЛМЗ» стенда испытаний камеры сгорания ГТУ-180 в отделе была разработана и поставлена заказчику турель для измерения полей давления и температур за камерой. В отделе проводится модернизация собственных стендов для испытаний форсунок (У-373), элементов камер сгорания (У-288 и У-315) и отсеков камер сгорания (Ц5-4). Активно осваиваются современные методы численного моделирования рабочего процесса и проектирования камер сгорания.

Сотрудниками отдела проведена экспертиза конструкций камер сгорания ГТУ-150, ГТУ-180 и ГТЭ-65 (ОАО «ЛМЗ»), ГТУ МЭС-60 (ММПП «Салют»), проведена сертификация ГТУ семейства АИ-336 с мощностью 6,3; 8 и 19 МВт (ЗМКБ «Прогресс», г. Запорожье). По инициативе и активном участии отдела разработан ГОСТ Р ИСО 11042–2001 «Установки газотурбинные. Методы определения выбросов вредных веществ» и другие нормативные документы.

Е.В Коротич, В.Е. Спицын, Б.В. Исаков, В.В. Романов

(«Зоря-Машпроект», г. Николаев; e-mail: spe@mashproekt.nikolaev.us)

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КАМЕР СГОРАНИЯ С ДИФФУЗИОННЫМ ГОРЕНИЕМ

К совершенствованию экологических характеристик выпускаемых ГТД НПП «Машпроект» приступил в начале 90-х г ХХ века. На тот период все выпускаемые двигатели по эмиссии NO_x не удовлетворяли требованиям ГОСТ 28755–90 (NO_x ≤ 150 мг/м³). Для обеспечения уровня
NO_x ≤ 150 мг/м³ объем модернизации камеры сгорания определяется в зависимости от параметров двигателя: степени повышения давления воздуха в компрессоре π_к и температуры газов перед турбиной t₀₃.

Для двигателей ДТ71, ДГ90, Д049 снижение уровня NO_x обеспечивается за счет более значительного обеднения топливовоздушной смеси в зоне горения и организации нескольких диффузионных факелов, что позволяет снизить температуру факела в первичной зоне и значительно уменьшить время пребывания газов в зоне высоких температур. Топливная система одноканальная.

С помощью такого решения достигнут уровень NO_x ≤ 150 мг/м³ и
СО < 300 мг/м³ для двигателей типа ДГ90 (N_e =16 МВт), ДТ71 (N_e =6 МВт) и Д049 (N_e =2,5 МВт).

Конструктивные особенности микрофакельной 3-горелочной камеры сгорания ДГ90:

• фронтовое устройство состоит из 3 завихрителей и охлаждаемой торцевой стенки;
  
• зоны горения по сравнению с исходной одногорелочной жаровой трубой сокращены в 3 раза;
  
• коэффициент избытка воздуха в зоне горения равен 1,5…1,6.
  

Камера сгорания двигателя ДТ71 состоит из десяти трехгорелочных жаровых труб, каждая горелка состоит из завихрителя и предваритель-
ной камеры смешения. В предварительной камере смешивания подготавливается топливовоздушная смесь с _кс = 1,2…1,3. Как и в двигателе ДГ90, коэффициент избытка воздуха в зоне горения жаровой трубы
_кс = 1,5…1,6.

Камера сгорания двигателя Д049 состоит из двух пятигорелочных жаровых труб, конструкция горелки аналогична конструкции горелки двигателя ДТ71.

В.И. Фурлетов, В.П. Ляшенко, Г.К. Ведешкин

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

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ
В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГТУ НА МОДЕЛИ

Известна склонность вновь проектируемых малоэмиссионных камер сгорания к вибрационному горению. Доклад посвящен физическому и математическому моделированию этого процесса.

1. Критерий приближенного моделирования вибрационного горения
   

(1)

получен из условия самовозбуждения колебаний _g  _d, где _g и _d – соответственно коэффициенты генерации и диссипации звуковой энергии. При вычислении коэффициента _g используется математическое выражение для критерия Релея и вводится ряд упрощающих предположений относительно переменной и средней скорости тепловыделения. При вычислении коэффициента _d предполагается, что единственным источником потерь является вынос энергии из камеры сгорания через фронтовое устройство. Примером такой камеры сгорания является малоэмиссионная камера ГТУ GTХ-100.

Из (1) следует, что при моделировании вибрационного горения нужно выдерживать соотношение между генерацией и диссипацией энергии колебаний. Параметрами, характеризующими генерацию звуковой энергии, являются степень подогрева q и показатель взаимодействия N(), который для химико-кинетического механизма обратной связи является функцией q, порядка химической реакции и показателя экспоненты E_act/RT_b (E_act – энергия активации, T_b – температура продуктов сгорания). Показатель взаимодействия N() слабо зависит от частоты и не зависит от величины среднего давления газа в камере. Параметрами, характеризующими затухание звуковой энергии, в (1) являются вещественная часть акустической проводимости  и ее модуль , также независящие от среднего давления газа в камере.

Полученный результат означает, что исследование вибрационного горения следует проводить на том же топливе и в том же диапазоне составов смеси, на которых работает натурная камера.

Зона горения в состоянии поддерживать колебания газа в широком диапазоне частот практически при любом механизме обратной связи, поэтому один и тот же механизм вибрационного горения может оказаться ведущим в камерах сгорания разной размерности. Зависимость от частоты, а следовательно, от геометрических свойств камеры (поскольку
f  L/c, где L – характерный размер камеры, с – скорость звука), проявляется, в основном, через изменение в затухании колебаний; в данном случае через зависимость акустической проводимости  от частоты. Акустическая проводимость фронтовой плиты зависит от ее проницаемости, акустической проводимости на входе в канал (она зависит от акустических свойств подводящего тракта), отношения длины канала смешения горелки к длине звуковой волны в ней, коэффициентов гидравлического сопротивления на входе в горелку и на ее выходе.

Отсюда следует, что основные закономерности вибрационного горения могут быть изучены на полноразмерной камере сгорания при пониженных значениях давления. Величина давления при этом должна оставаться достаточно высокой, чтобы сохранить характер течения газа на выходе из камеры. Течение газа должно оставаться критическим с теми же числами Маха на входе в сопло, что и в натурной камере.

2. При уменьшении геометрических размеров и формы камеры сгорания можно говорить только о приближенном моделировании вибрационного горения. При этом следует иметь в виду, что уменьшение размеров горелки может затронуть генерирующие свойства пламени и изменить эффективность различных механизмов обратной связи. Поэтому при проектировании модельной камеры сгорания требуется сохранять в модели натурные горелки и основные габаритные размеры кольцевого канала (его высоту, расстояние между горелками, длину и изменение площади проходного сечения по длине). Это обеспечивает наилучшее моделирование самовозбуждения объемных, продольных, радиальных и комбинированных продольно-радиальных колебаний.
   

Наибольшую трудность представляет моделирование тангенциальных колебаний. Согласно проведенным расчетам причина заключается в том, что распределение давления в объеме камеры сгорания существенным образом зависит от радиусов ее обечаек. Чем они меньше (а также, чем выше номер тангенциальной моды), тем сильнее амплитуда колебаний давления изменяется по высоте и по окружности кольцевой камеры сгорания. В натурной камере большого размера поперечное распределение амплитуды колебаний давления близко к распределению в плоском прямоугольном канале. Распределение амплитуды колебаний давления существенным образом влияет на генерацию энергии в зоне горения и на ее "вынос" (благодаря излучению и вихреобразованию) через горелки. Поэтому модели с размером меньшим, чем натурная камера, не дают возможности исследовать все моды тангенциальных колебаний и прежде всего низшие моды этих колебаний. Необходима трехмерная нестационарная программа расчета, позволяющая учесть реальное распределение средних параметров течения (прежде всего температуры) внутри камеры сгорания и ее геометрию.

3. Такая программа была разработана и применена к оценке устойчивости рабочего процесса в модельной камере сгорания. Численное исследование проводилось на основе решения полной нелинейной системы уравнений, описывающей турбулентное горение газовой смеси. Система уравнений включает уравнения Рейнольдса для сжимаемого газа, нестационарные уравнения k- модели турбулентности и уравнения феноменологической модели горения. По предположению колебания скорости тепловыделения зависят от колебаний давления газа. При слабых колебаниях принятая зависимость от давления аналогична модели горения Крокко с показателем взаимодействия n. При увеличении n происходит самовозбуждение колебаний на частоте, близкой к частоте собственных колебаний газа в полости модельной камеры. Чем меньшим оказывается это граничное значение n, тем выше неустойчивость процесса горения.

Согласно расчетам процесс горения оказался наиболее неустойчивым к первой тангенциальной моде колебаний. Этот вывод был подтвержден экспериментально. Эксперимент подтвердил также вывод о влиянии длины каналов на устойчивость процесса горения.

4. После этого было проведено численное исследование устойчивости натурной камеры сгорания, число горелок в которой было в 3 раза больше. И в этом случае испытания подтвердили вывод, что камера сгорания натурной установки при заданных параметрах течения неустойчива к низкочастотным объемным (100 Гц) и, несмотря на большой ее поперечный размер, к поперечным колебаниям, имеющим очень высокую частоту (1670 и 2590 Гц). Эти высокочастотные колебания относятся к 10 и 16 тангенциальным модам.

5. Полученные результаты позволяют:

 использовать критерии моделирования для проектирования модельных камер сгорания с целью исследования влияния на устойчивость горения режимных параметров и проверки эффективности мероприятий по ее повышению;

 использовать найденные методы повышения устойчивости (за счет пилотного газа и длины горелок) для доводки натурных камер сгорания ГТУ;

 использовать нестационарную программу расчета аэродинамических характеристик камеры сгорания для определения параметров наиболее опасной моды колебаний (ее частоты и распределения амплитуды в полости камеры).


Ю.Г. Куценко, Н.А. Андрюков
(ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь; e-mail: office@avid.ru)

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДА АЗОТА И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Проектирование и доводка камер сгорания – сложный процесс, который включает в себя большой объем конструкторской и экспериментальной работы. Применение методов вычислительной газовой динамики позволяет снизить объем экспериментальных работ по доводке камер сгорания и внести изменения в конструкцию камер сгорания на ранних стадиях проектирования. В ОАО «Авиадвигатель» активно применяется коммерческий газодинамический пакет CFX-TASCflow для расчета структуры течения и анализа процесса образования оксида азота в камерах сгорания газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

При моделировании физико-химических процессов в камере сгорания особое внимание уделяется точному описанию процесса образования оксида азота. Анализ результатов расчетов показывает, что наибольший вклад в суммарный выход оксида азота дает термальный механизм Зельдовича. Предсказание уровня эмиссии оксида азота сильно зависит от методов расчета концентрации атомарного кислорода и осреднения скорости реакции с использованием -функции плотности распределения вероятности.

С использованием пакета CFX-TASCflow проведены газодинамические расчеты нескольких вариантов конструкций камеры сгорания промышленного ГТД. Данные варианты конструкций отличались между собой распределением вторичного воздуха по жаровой трубе (расположением основных отверстий). При проведении анализа результатов численного эксперимента выявлено, что основным критерием, определяющим уровень эмиссии оксида азота, является время пребывания продуктов сгорания в высокотемпературных зонах. Результаты проведенной серии параметрических расчетов позволили выбрать конструкцию камеры сгорания, характеризующуюся минимальным уровнем эмиссии оксида азота.

П.А. Бухштаб, В.М. Захаров, Р.С. Кашапов, А.Б. Лебедев, Д.А. Любимов,
А.Н. Секундов, А.М. Старик, Н.С. Титова, С.А. Щепин, К.Я. Якубовский

(ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», г. Москва, ООО НПФ «Теплофизика», г. Уфа;
e-mail: sekundov@ciam.ru, tf1@fromru.com)

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕТАЛЬНОЙ КИНЕТИКИ
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГТУ

С использованием нескольких моделей горения метана проведены трехмерные численные расчеты течений в трубчатой диффузионной камере сгорания авиационного типа (ЦИАМ-М) и в 6-горелочной малоэмиссионной гомогенной камере (Уфа «Теплофизика»). Проанализированы особенности гидродинамики и теплообмена, уточнены модели турбулентности. На основе этих расчетов построены реакторные модели обеих камер. Протестированы возможности предсказания концентраций CO, NO_x, C_nH_m на выходе указанных камер с применением современных детальных кинетических схем окисления метана: Bowman-Miller (52 компоненты, 250 реакций), Gas Research Institute (48 компонент, 279 реакций) и две схемы группы А.М. Старика (57 компонент, 385 реакций). Результаты расчетов сопоставлены с опытными данными.


А.А. Диденко, С.О. Некрасова

(СГАУ им. С.П. Королева, г. Самара; e-mail: didenko@ssau.ru)

Анализ химико-кинетических механизмов образования оксИдов азота NO_х в условиях камер сгорания газовых турбин

Описывается упрощенная математическая модель химической кинетики окисления в воздухе углеводородного горючего (типа авиационного керосина) и образования оксидов азота NO_х (NO, NO₂, N₂O). В модели химической кинетики рассматривается участие 34 веществ в 54 реакциях. Образование NO_х представлено несколькими реакциями и механизмами: Зельдовича; через NO₂- и N₂O- механизмы, через появление HNO,
а также цианистых соединений типа CN, HCN и аминов NH_i. Химические реакции протекают в некоторой условной реакционной зоне с параметрами по давлению р_к и температуре Т_к воздуха на входе, общим коэффициентом избытка воздуха α и временем пребывания в ней τ, характерными для камер сгорания современных и перспективных ГТД и ГТУ:
р_к = 20…50 атм, Т_к = 700…900 К, α = 0,8…1,6 и τ = 0,1…15 мс.

Изучается вклад в образование NO_х отдельных и групп реакций различных механизмов на начальной, срединной и конечной стадии протекания общей реакции окисления горючего, а также на послепламенных участках с высоким значением температуры газа.

А.А. Диденко, С.В. Лукачев

(СГАУ им. С.П. Королева, г. Самара; e-mail: didenko@ssau.ru, lukachev@ssau.ru)

Экологические характеристИки камер сгорания газовых турбин: СРАВНЕНИЕ УРОВНЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ «ТЕРМИЧЕСКИХ» оксИдов азота NO, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СГОРАНИИ ВОДОРОДА
И АВИАКЕРОСИНА в условиях камер сгорания газовых турбин

Используются по отдельности разработанные ранее математические модели химической кинетики окисления в воздухе углеводородного горючего С_nH_m (типа авиационного керосина) и водорода Н₂ и образования оксидов азота NO_х (NO, NO₂, N₂O). В модели окисления керосина рассматривается участие 34 веществ, которые реагируют в 54 химических реакциях. В модели окисления водорода, соответственно, – 19 веществ и 58 химических реакций. Образование «термических» NO рассматривается как с решением полной системы дифференциальных уравнений химической кинетики, так и в предположении быстрого окисления горючего. В последнем случае сначала производился расчет равновесного состава продуктов сгорания и адиабатической температуры пламени, а затем методами химической кинетики рассчитывалась концентрация «термических» NO. Расчеты были выполнены для условий, характерных для камер сгорания современных и перспективных ГТД и ГТУ: температура и давление воздуха Т_к = 800 К, р_к = 25 атм, коэффициент избытка воздуха
α = 0,5...2,5, время пребывания газа в зоне горения τ = 0,1...30 мс.

Для всего диапазона значений α и τ индексы эмиссии NO при сгорании Н₂ получаются в 2...2,5 раза большими, чем при окислении керосина. Однако, если сравнивать по абсолютным массовым единицам и при достижении одинаковых температур в камере сгорания, то более опасными по концентрации NO оказываются продукты сгорания керосина. В работе приводятся подробные результаты сравнения.


С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев, И.В. Чечет
(СГАУ им. С.П. Королева, г. Самара; e-mail: lukachev@ssau.ru, pfu@ssau.ru, chechet@ssau.ru)

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
ОБРАЗОВАНИЯ КАНЦЕРОГЕННЫХ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ДЕТАЛЬНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

В докладе рассматриваются особенности создания баз данных термодинамических свойств индивидуальных веществ и элементарных химических реакций для моделирования процессов горения углеводородных топлив. Отражается многообразие представлений данных различными авторами. Проанализированы и сведены к универсальному виду формы представления коэффициентов полиномов для расчета энтальпии, энтропии и удельной теплоемкости веществ, а также констант скоростей химических реакций. Создан программный продукт, позволяющий хранить, пополнять и конвертировать данные в различные форматы, производить необходимые сортировки и выборки по любому признаку. С его помощью сформирована детальная кинетическая схема горения углеводородных топлив, отражающая пути образования и расходования совокупности вредных веществ (состоящих из атомов C, H, N, O), в частности, канцерогенных ПАУ. Проведены сравнения данных, полученных путем тестовых расчетов на основе созданной кинетической схемы, с результатами расчетов и экспериментов других авторов, что позволяет в дальнейшем выявить пути образования бенз(а)пирена и других ПАУ.

В.И. Антоновский, А.П. Пеков, С.М. Хайрулин