Многоуровневое моделирование стабилизации пламени в камерах сгорания ГТУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Слободянский, Илья Александрович

• Слободянский, Илья Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Слободянский, Илья Александрович

Перечень условных обозначений, символов и индексов.

Краткая аннотация.

Научная новизна.

Практическая значимость.

Апробация работы.

Публикации.

Введение.

1. Современное состояние исследуемого вопроса.

Постановка задачи исследования.

1.1. Общие принципы стабилизации пламени в потоке.

2. Моделирование и расчет рабочего процесса в камере сгорания ГТД. с применением методов вычислительной газовой динамики.

3. Исследование газодинамической структуры. в трубчато-кольцевой камере сгорания.

3.1. Особенности рабочего процесса в камерах сгорания ГТД.

3.2. Исследование истечения закрученной кольцевой струи лопаточного завихрителя в полузакрытое пространство, ограниченное обечайкой жаровой трубы.

3.3. Исследование газодинамической структуры течения в первичной зоне камеры при подводе вторичного воздуха.

3.4. Исследование эжекции вторичного воздуха в первичную зону камеры сгорания ГТД с лопаточным завихрителем.

3.5. Выбор модели горения для описания стабилизации пламени. на микроуровне.

3.6. Влияние горения на структуру течения и массообмен в первичной зоне

4. Исследование стабилизации горения в камере сгорания ГТУ. на основе многоуровневого моделирования.

4.1. Расчет переходных режимов ГТНР-25И и их идентификация. по результатам измерений.

4.2. Исследование конструктивных особенностей модернизированной. камеры сгорания на расход воздуха по жаровым трубам.

4.3. Выявление причин погасания пламени в некоторых жаровых трубах. 118 при запуске ГТНР-25И.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоуровневое моделирование стабилизации пламени в камерах сгорания ГТУ»

Удовлетворение современных требований к газотурбинным установкам невозможно без создания камеры сгорания с высокими показателями эффективности процесса горения. Одним из необходимых условий для этого является формирование и поддержание фронта пламени в определенных точках пространства жаровой трубы во всем диапазоне эксплуатационных режимов двигателя. Нарушение процесса стабилизации иламени в камерах сгорания ГТД может привести к резкому увеличению выбросов загрязняющих веществ, снижению полноты сгорания, а также к снижению срока службы элементов конструкций двигателя.

Вопросу исследования стабилизации пламени и разработки подходов для описания границ устойчивой работы камер сгорания посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых. Стабилизация пламени в камерах сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок является одним из наиболее трудно поддающихся физическому моделированию процессов вследствие большого количества факторов, влияющих на условия существования стационарного фронта пламени. Методы расчета пределов стабилизации пламени как правило основываются на полуэмпирических подходах к прогнозированию срывных характеристик, позволяющих обобщить экспериментальные результаты с помощью критериальных зависимостей, полученных для определенного класса камер сгорания на основе принятых допущений о механизме стабилизации пламени.

Конечно, более жесткие требования по запасу устойчивой работы предъявляются к камерам сгорания авиационных ГТД. Однако и для наземных газотурбинных энергетических установок эта проблема остается актуальной. В частности, практика эксплуатации газоперекачивающих агрегатов ГТНР-25И показывает, что «потеря пламени» в отдельных жаровых трубах камеры сгорания приводит к существенному перекосу температурного поля на входе в турбину, и как следствие, аварийному останову агрегата.

В данной работе показана эффективность применения многоуровневого подхода для решения данной проблемы, основанного на совместном использовании математических моделей различных уровней сложности.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе проведен анализ работ других авторов, посвященных описанию стабилизации пламени в камерах сгорания ГТД. Выбраны основные критериальные зависимости, сформулированы цели и задачи исследования. Во второй главе представлен алгоритм и основные модели, используемые нри моделировании стабилизации пламени с помощью средств вычислительной газовой динамики. В частности, в данной работе использовался программный комплекс FLUENT с препроцессором GAMBIT. В третьей главе дан анализ влияния различных конструктивных и режимных параметров па формирование газодинамической структуры течения в первичной зоне камеры сгорания. Выбор моделей расчета осуществлялся путем сравнения данных натурных экспериментов других авторов и результатов численного моделирования, полученных автором настоящей работы. В четвертой главе представлены результаты многоуровневого моделирования стабилизации пламени применительно к камере сгорания ГПА ГТНР-25И. При определении параметров граничных условий на входе и выходе из камеры сгорания использовался программный комплекс ГРАД, позволяющий получать осредненные по двенадцати жаровым трубам значения искомых параметров с учетом тепловой инерционности установленного теплообменника. Проведен анализ неравномерности расходов воздуха, выполненный в ПК FLUENT, с учетом несимметричности подвода воздуха к жаровым трубам. Неравномерность в расходах воздуха сильно влияет на формирование различных условий для стабилизации пламени в разных жаровых трубах.

Результаты данного расчета позволили объяснить иогасание лишь некоторых жаровых труб и акцентировать дальнейшее внимание на моделировании стабилизации пламени в «наихудших» жаровых трубах. Применение многоуровневого моделирования показало, что прогнозирование пределов стабилизации пламени на основе критериальных зависимостей может обеспечивать достаточную для инженерных расчетов точность определения границ устойчивой работы камер сгорания. Однако отсутствие достоверной информации о локальных параметрах топливовоздушной смеси в зоне горения существенно ограничивает возможности данного подхода. Применение средств вычислительной газовой динамики позволило получить уточненные локальные параметры потока внутри первичной зоны, а также выявить фактические зоны стабилизации горения и понять причины их формирования. На основании полученных результатов разработаны рекомендации по увеличению запаса устойчивой работы исследуемой камеры сгорания.

Основные результаты данной работы внедрены ООО «ТатТрансГаз» при модернизации камер сгорания ГПА ГТНР-25И с целью предотвращения аварийных остановов агрегата. Положительные результаты эксплуатации агрегатов с модернизированными камерами сгорания свидетельствуют о достоверности проведенных расчетов и возможности использования многоуровневого моделирования для исследования стабилизации пламени в камерах сгорания ГТУ.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Слободянский, Илья Александрович

Заключение

В заключении представлены основные выводы, полученные в данной работе, содержащие следующие положения:

1. Рассмотрены два основных подхода к описанию пределов устойчивой работы камер сгорания ГТУ: макромоделирование и моделирование на микроуровне.

2. На основе трехмерного моделирования получены закономерности формирования структуры течения и масообмена в первичной зоне камеры сгорания.

3. Показано, что совместный анализ критериальных зависимостей и моделирования на микроурвне позволяет более точно описывать границу бедного срыва пламени.

4. На основе многоуровневого подхода получено, что критериаьные зависимости целесообразно применять на этапах предварительных расчетов, а при доводке и модернизации камер сгорания ГТД более эффективным является моделирование на микроуровне.

5. Предложены практические рекомендации по модернизации камеры сгорания ГТНР-25И с целью расширения границ устойчивой работы в режиме запуска.

На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по расширению пределов устойчивой работы камеры сгорания на режимах разгона агрегата. Это привело к снижению до нормы неравномерности температурного поля на входе в турбину и восстановлению безотказного запуска и разгона агрегата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Слободянский, Илья Александрович, 2006 год

1. Талантов А.В. Основы тории горения, Часть I, изд-во КАИ, 1975.

2. С.М. Ильяшенко, А.В. Талантов Теория и расчет прямоточных кмер сгорания. М 1961

3. Раушенбах В.Б., Белый С.А., Беспалов И.В., и др. Физические основы рабочего процессов камерах сгорания воздушно-реактивныхдвигателей. М. Машиностроение 1964

4. А.И. Михайлов, Г.М. Горбунов, В.В. Борисов и др. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей. Оборонгиз , 1959

5. Ю.М. Пчелкин Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М. Машиностроение 1984

6. Я.П. Сторожук Камеры сгорания стационарных газотурбинных и парогазовых установок. Ленинград, Машиностроение, 1978

7. Б.Г. Мингазов Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Конструкция, моделирование и расчет. Изд-во Казан. Гос. Техн у-т, 2004

8. С.Н. Вахнеев, И.И. Онищик, И.Л. Христофоров «Влияние расхода воздуха через фронтовое устройство на эжекцию вторичного воздуха в первичную зону камеры сгорания ГТД» Процессы горения в потоке, Изд-во КАИб Казань 1984, с.10-15

9. Саркисов А.А., Рудаков О.А., Саливон Н.Д. и др. «Расчет устойчивости горения ГТД» Вестник СГАУ, серия: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей, выпуск 3, Самара 2000, с 262-266

10. А.В. Талантов «Анализ условий стабилизации пламени основе модели гомогенного реактора» ИВУЗ Авиационная техника №3,1978, с 92-99

11. Ю.Г. Куценко «Пименение чиленных методов газовой динамки для асчета камеры сгорания газотурбинногодвигателя ПС-90А» ИВУЗ авиационная техника №3, 2004, с 67-71

12. Литвинов Ю.А., Боровик В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства виационных турбореактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. - 288 с

13. Ballal D.R., Lefebvre А.Н. General Model of Spark Ignition for Gaseous and Liquid Fuel/Air Mixtures // Proc. 18th Symposium (International) on Combustion. 1981.-P. 1737- 1746

14. Peters J.E., Mellor A.M. Liqued Fuel Spray Ignition Predictions for JP-10 // Journal of Energy. 1983. - Vol. 7, № 1. - P. 95 - 96

15. Peters J.E. Predicted TF41 Performance with the AGARD Reasearch Fuel // Journal of Aircraft. 1984. - Vol. 21, № 10. - P. 787 - 791

16. Лебедев Б.П. О моделировании камер сгорания газотурбинных двигателей // Конференция по ГТД. М.: МВТУ им. Баумана, 1958. - С. 20 - 27

17. Костюк В.Е., Кравченко И.Ф. Анализ современных подходов к прогнозированию пусковых и срывных характеристик камер сгорания ГТД.

18. Макромоделирование. // Авиацинно-космическая техника и технология. -2004-№4-с 42-52

19. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем.:М. Высш. Шк. -1986, 304 с

20. Харитонов В.Ф. Методы, используемые при проектировании камер сгорания ГТД //Изв. вузов. Авиц. техника. 2001. - №3. - с. 23-25

21. Костюк В.Е., Кравченко И.Ф. Анализ современных подходов к прогнозированию пусковых и срывных характеристик камер сгорания ГТД.1.. Моделирование на микроуровне // Авиацинно-космическая техника и технология. 2004 - № 7 - с 25-375

22. Кислов О.В., Немыкин В.А. Программа расчета течеЕшя и гореЕшя однородной топливовоздушной смеси в камере сгорания прямоточного типа. М.:ВВИА им. Проф. Н.Е. Жуковского, 1998 - с. 32

23. Костюк В.Е. Программа расчета жидкой фазы газокапельного потока// Сборник алгоритмов и программ ХВВАИУ. Харьков: ХВВАИУ, 1988 -Вып. 4, с. 24-42

24. Ягодкин В.И., Фурлетов В.И. Методы и результаты экспериментальных и расчетных исследований пневматических форсунок и смесеобразования во фронтовых устройствах камеры сгорания.: М, ЦИАМ 2002, 82с (Технический отчет №1616)

25. Anand M.S., Pridin С.Н. Combstion CFD- a Key Driver to Reducing Development Cost and Time //15th International Smpsium on Aerobreath Engines (XV IS ABE), Bangalore, India, September 2-7, 2001 (ISABE-2001-1087)

26. Advanced combution code: Overall discription, prediction of a jet diffusion flame and combustor fowfiels / A.K. Topadi, C. Prkash, H. Hura, H.C. Mongia // ASME paper 98-GT-299,1998

27. Liu, Nan-Suey. NNC a modeling and simulation tool for combution systems //ASME/IGTI Turbo Expo 2000 Panel

28. Костюк B.E., Кудринский В.З. Математическая модель розжига камеры сгорания ГТД // Материалы 4-й науч.-тех. конф. училища Харьков: ХВВАИУ, 1998.-с. 132-137

29. Методика расчетно-эксиериментального исследования розжига камеры сгорания ГТД / В.Е. Костюк, Ю.Н. Нечаев, С.В. Тарханов, В.З. Кудринский // Процессы и характеристики авиационных двигателей. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1989. - с. 213-225

30. Костюк В.Е., Кудринский В.З. Численное исследование характеристик высотного запуска камеры сгорания ТРДД ПС-90А // Научно-методические материалы по теории авиационных двигателей. Харьков: ВВАИУ, 1989. -вып. 8. -с.3-20

31. Rizk N.K., Mongia H.C. Three-Dmentional Combustor Performance Validation With Hgh-Density Fuels // J. Propolsuion and Power. 1990. - vol. 6, №5 - p. 660-667

32. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathemetical models of turbulent combustion with special emphesis on soot and combustion. In 16th Simp (Int'l) on Combustion. The Combustion Institute, 1976

33. Magnussen B.F. On the Structure of Turbulence and Generalized Eddy Dissipation Concept for Chemical Reactio in Turbulent Fow. Nineteeth AIAA Meeting, St. Louis, 1981

34. Bray K.N., Peters N. Laminar Flamelets in Turbulent Flames // Turbulent Reactig Flow / P.A. Libby and F.A. Williams, editors, Academic press, 1994 -p. 63-114

35. Zimont V. Gas Premixed Combustion at High Turbulence. Turbulent Flame Closure Model Combustion Model // Expermental Thermal and Fluid Science. -2000. -No21. -p.179-186

36. Zimont V.L., Lipatnikov A.N. A Numirical Model of Premixed Turbulent Cobustion of Gases. // Chem. Phys. Report. 1995. -No 14(7). - p. 993-1025

37. Pope S.B. PDF Methods for Turbulent Reactive Flows // Progress Energy Combustion Science. 1985. - No 11. - p. 119

38. Вильяме Ф.А. Теория горения / пер. с англ. М.: Недра, 1971

39. Бортников М.Т. Стабилизация процесса горения в камерах сгорания. Труды ЦИАМ №613. М.: ЦИАМ, 1974. - 64 с.

40. Мингазов Б.Г., Слободянский И.А. Исследование эжекции вторичного воздуха в первичную зону камеры сгорания ГТД // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 2006 №1, - с.69-70

41. Мингазов Б.Г., Осипов Б.М., Слободянский И.А., Явкин В.Б. Исследование устойчивости горения в камерах сгорания газоперекачивающего агрегата.

42. Труды V Всерос.науч.-техн. конф. Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей, вып. 5, изд-во СГАУ, 2004, - с. 121-129

43. Мингазов Б.Г., Слободянский И.А., Явкин В.Б. CFD Исследование структуры течения в первичной зоне камеры сгорания ГТУ. Конференция пользователей программного комплекса FLUENT, www.processflow.ru -2004. 8с.

44. Мингазов Б.Г., Слободянский И.А., Явкин В.Б. Исследование пределов устойчивой работы камеры сгорания ГТД методами вычислительной газовой динамики. Конференция пользователей программного комплекса FLUENT, www.processflow.ru 2005. - 7с.

45. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с

46. Постников A.M. Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ. -Самара: Издво Самар. на-уч. центра РАН, 2002. 286 с.

47. Benezekein М. Prjpulsion strategy for the 21 Century: A Vision into the Future // 15th International Symposium on Airbreathing Engines (XV IS ABE), Bangalore, India, (September 2-7, 2001). (ISABE- 2001-1005).

48. ГОСТ 23851-79. Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения. М.: Изд. стандартов, 1980. - 100 с.

49. ОСТ 100407-80. Характеристики пусковые основных камер сгорания ГТД. Общие требования. М.: Изд. стандартов, 1980. - 43 с.

50. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984. - 605 с.

51. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.

52. Некоторые вопросы проектирования авиационных газотурбинных двигателей / Е.А. Гриценко, В.П. Данильченко, С.В. Лукачев, Ю.Л. Ковылов, В.Е. Резник, Ю.И. Цыбизов. Самара: СНЦ РАН, 2002. - 527 с.

53. ЦИАМ 50 лет: Обзор основных направлений научной деятельности. М.: ЦИАМ, 1980.-455 с.

54. Литвинов Ю.А., Боровик В.О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1979.-288 с.

55. Дунский В.Ф. Исследование стабилизации пламени в следе за плохообтекаемым телом. М.: ЦИАМ, 1951. - 9 с. (Тр. ЦИАМ № 208).

56. Лебедев Б.П. О моделировании камер сгорания газотурбинных двигателей // Конференция по ГТД. М.: МВТУ им. Баумана, 1958. - С. 20 - 27.

57. Longwell J.P., Frost Е.Е., Weiss М.А. Flame Stability in Bluff Body Recirculation Zones // Ind. Eng. Chem. 1953. - Vol. 45. - No. 8. - P. 1629 -1633.

58. Ведешкин Г.К., Марков Ф.Г., Свердлов Е.Д. Сравнительные характеристики факельной и газодинамической стабилизации горения // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков: ХАИ, 2001. -Вып. 26. Двигатели и энергоустановки. - С. 42 - 45.

59. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. - 739 с.

60. Зельдович Я.Б., Симонов Н.Н. К теории искрового воспламенения газовых взрывчатых смесей // Журнал физической химии. 1949. - Т. 23, Вып. 11.-С. 1361 - 1374.

61. Ballal D.R., Lefebvre А.Н. General Model of Spark Ignition for Gaseous and Liquid Fuel/Air Mixtures // Proc. 18th Symposium (International) on Combustion. 1981^- P. 1737 - 1746.

62. Lefebvre A.H. Fuel Effects on Gas Turbine Combustion Ignition, Stability and Combustion Efficiency // Trans. ASME. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 1985. - Vol. 107, № 1. - P. 24 - 37

63. Peters J.E., Mellor A.M. Liqued Fuel Spray Ignition Predictions for JP-10 // Journal of Energy. 1983. - Vol. 7, № 1. - P. 95 - 96.

64. Peters J.E. Predicted TF41 Performance with the AGARD Reasearch Fuel // Journal of Aircraft. 1984. - Vol. 21, № 10. - P. 787 - 791.

65. Taylor J.R., Widener S.K. Altitude Ignition / Lean Deceleration Study // AIAA Pap.- 1986.-№ 1530.-8 p.

66. Практического применения результатов диссертации Слободянского И.А. не тему «Многоуровневое моделирование стабилизации пламени в камерах сгорания ГТУ»