Совершенствование метода расчета полноты сгорания топлива в газотурбинном двигателе прогнозированием кривой выгорания

• Автор: Евдокимов, Олег Анатольевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Рыбинск
• Количество страниц: 126 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ПОВЫШЕНИЕ ПОЛНОТЫ ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ И ГОРЕЛОЧНЫХ МОДУЛЯХ. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Полнота сгорания. Механизмы возникновения неполного сгорания топлива
1.2 Химическая неполнота сгорания топлива. Образование СХНУ и СО при сжигании углеводородного топлива
1.3 Результаты экспериментальных исследований сгорания топлива в потоке
1.4 Методы аналитического расчета полноты сгорания топлива.
1.5 Способы организации низкоэмиссионного горения в камерах
сгорания и горелочных устройствах
Выводы по главе
2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ПОТОКЕ
2.1 Постановка задач исследования. Методика численного моделирования
2.2 Исследование выгорания предварительно подготовленной топливовоздушной смеси
2.3 Численное моделирование диффузионного горения
топлива
Выводы по главе
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ И ГОРЕЛОЧНЫХ МОДУЛЯХ
ЗЛ Методика эксперимента и стенд ее реализации
3.2 Метрологическое обеспечение и оценка погрешностей эксперимента
3.3 Методика приведения концентраций компонентов продуктов сгорания к стандартному содержанию кислорода
3.4 Математическое планирование эксперимента
3.5 Экспериментальное исследование рабочего процесса поточной камеры сгорания
3.6 Экспериментальное исследование рабочего процесса
диффузионного горелочного модуля с прямоточным слоем смешения
3.7 Экспериментальное исследование рабочего процесса
индивидуальной камеры сгорания
Выводы по главе
4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА КРИВОЙ ВЫГОРАНИЯ В КАМЕРАХ
СГОРАНИЯ И ГОРЕЛОЧНЫХ МОДУЛЯХ
4.1 Уточнение методики расчета процесса выгорания топлива
4.2 Примеры расчета процесса выгорания в устройствах
энергетического назначения
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы и степень разработанности темы исследования
Важной задачей на стадии проектирования камер сгорания и горелочных модулей является расчёт основных термогазодинамических параметров, к числу которых, относятся среднемассовая температура в зоне горения, полнота сгорания топлива, эмиссия загрязняющих атмосферу веществ. Большое количество применяемых на практике методов расчёта камер сгорания основано на использовании балансовых соотношений для энергии, массы и зачастую не позволяет учесть влияние геометрии проточной части на процессы газодинамики, тепломассообмена и горения, определяющие интересующие проектировщиков интегральные характеристики и, в первую очередь, полноту сгорания топлива. Это связано с нелинейной взаимосвязью комплекса аэротермохимических процессов, протекающих в зоне горения, и сложностью их описания с помощью упрощённых физико-математических моделей, не всегда дающих адекватные результаты [1-14].
Применение для оценки полноты сгорания интенсивно развивающихся методов численного моделирования также часто сталкивается с непреодолимыми трудностями, обусловленными существенными для практики проектирования затратами времени и вычислительных ресурсов и связано с упрощением кинетических схем протекания реакции окисления, используемых в большинстве газодинамических пакетов, путём исключения промежуточных стадий горения. Последнее допущение позволяет в несколько раз сократить время расчёта камеры сгорания, однако, результаты, полученные с использованием упрощённых

эффективности выгорания топлива, поскольку для определения температуры газов в реакторе необходимо заранее знать величину полноты сгорания. В работах [101, 102] были представлены зависимости суммарной скорости тепловыделения от температуры входящего воздуха.
Анализ выражения (1.31) показывает, что теория, основанная на лимитирующей скорости элементарной реакции, приводит к зависимости полноты сгорания топлива близкой к формуле, получаемой при помощи моделирования по скорости распространения пламени. Это связано с тем, что для получения этих выражений использовались одни и те же зависимости от давления и температуры, и используется, например, при обобщении экспериментальных данных по полноте сгорания для геометрически подобных камер. Различия между представленными методами появляются при сравнении камер сгорания, существенно отличающихся по своей конструкции. Выражение полноты сгорания топлива в модели по скорости распространения пламени учитывает влияние на процесс горения площади поперечного сечения жаровой трубы, в то время, как модель «реактора идеального смешения» в качестве геометрического фактора учитывает лишь объем зоны горения. Помимо этого, зависимость полноты сгорания топлива (1.29) содержит в себе множитель, учитывающий потери полного давления в камере сгорания, что существенно расширяет диапазон её применимости.
Согласно [1], скорость реакции между топливом и воздухом может быть определена из уравнения материального баланса
н Г - —
Д1^о=^.Г2.еЛ.г.р».хт.х»-? (Р34)

где хр - концентрация топлива; х0 - концентрация кислорода;
При этом делаются следующие предположения:
- израсходованные в реакции вещества образуют равновесную смесь С02, СО, Н2, Н20 при температуре Г. В «бедных» смесях топливо сгорает только до С02 и Н20;