Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов (23.08.2010)

Автор: Куценко Юрий Геннадьевич

Куценко Юрий Геннадьевич

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ

ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ

МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.07.05 – Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Пермь – 2010

Работа выполнена в ОАО «Авиадвигатель»

Научный руководитель: д.т.н., профессор Августинович В.Г.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Мингазов Б.Г.

д.т.н., профессор Рутовский В.Б.

д.т.н., профессор, Амарантов Г.Н.

Ведущая организация: ОАО «Самарский научно-технический

комплекс им. Н.Д. Кузнецова»

Защита состоится “15” ноября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.06 в Пермском государственном техническом университете (614000, г. Пермь, Комсомольский проспект, 23, ауд. 423).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан «__» _____ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор В.И. Свирщев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Главной проблемой создания малоэмиссионных (с низким содержанием оксидов азота в выхлопных газах) камер сгорания ГТД является обеспечение их надежной и эффективной работы в составе энергетических установок. Для снижения уровня эмиссии оксида азота камерами сгорания ГТД отечественными и зарубежными разработчиками применяются четыре основные технологии организации малоэмиссионного горения:

«Богато-бедное» горение;

Сжигание «бедной» гомогенной топливо-воздушной смеси;

«Мокрые» методы снижения NOx – подача в камеру сгорания топлива или окислителя, смешанного с водяным паром ;

Сжигание низкокалорийного топлива – синтез-газа, полученного путем каталитического разложения природного газа.

Само по себе достижение низкого уровня эмиссии оксидов азота может быть получено «обеднением» топливовоздушной смеси или снижением температуры пламени. Но необходимость одновременного выполнения эксплуатационных и энергетических требований существенно усложняет эту задачу, так как любая технология снижения эмиссии оксидов азота сопровождается снижением надежности системы в целом. Например, к числу важнейших недопустимых явлений, сопровождающих процессы в малоэмиссионных камерах сгорания с «бедным» фронтом (генеральное направление в мире) и являющихся их постоянными «спутниками», относятся низкая полнота сгорания, термоакустические пульсации, «бедный» срыв пламени и проскок пламени в зону подготовки топливовоздушной смеси. Чтобы спроектировать современную малоэмиссионную камеру сгорания, необходимо пройти по узкой грани между выполнением требований по уровню эмиссии оксидов азота и запасами по отношению к вышеперечисленным явлениям, то есть знать или оценивать величину диапазона по составу смеси. Следовательно, при проведении расчетно-экспериментальных работ по проектированию малоэмиссионной камеры сгорания возникает потребность в оценке следующих ее важнейших характеристик:

Уровня эмиссии загрязняющих веществ: NOx, CO;

Полноты сгорания топлива;

Пределов стабилизации пламени в гомогенной и диффузионной зонах горения.

Для проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей необходима разработка методологии проектирования на основе математических моделей физико-химических процессов. При создании методологии проектирования в первую очередь необходимо:

Уточнить существующие математические модели для расчета уровня эмиссии оксида азота;

Разработать математическую модель для расчета уровня эмиссии оксида углерода;

Разработать математическую модель для оценки пределов стабилизации фронта пламени.

Успешное решение этих проблем позволит перейти к нахождению параметрического компромисса, то есть собственно и определить основные проектные параметры надежно работающей малоэмиссионной камеры сгорания в зависимости от конкретных условий, в том числе с учетом геометрических (конструктивных) ограничений. Или, иначе, разработать методологию проектирования реальных малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей.

Однако, на пути к решению поставленной задачи необходимо не только выбрать (то есть идентифицировать с экспериментом) модели турбулентности и кинетических механизмов окисления углеводородного топлива из уже имеющегося набора, но и, что значительно сложнее, разработать способ пространственной идентификации типов пламени (гомогенное и диффузионное) в трехмерном реагирующем пространстве сильно закрученного потока, обладающего свойствами нелинейности, если говорить о его математическом описании. Необходимость этой идентификации обусловлена тем обстоятельством, что в настоящее время отсутсвуют математические модели смешанного фронта пламени (диффузионного и гомогенного). А реальный фронт пламени в современной камере сгорания, как правило, смешанный.


загрузка...