Численное моделирование при испытаниях и наладке малоэмиссионных камер сгорания ГТУ

• Автор: Булысова, Людмила Александровна
• Шифр специальности: 05.14.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Особенности использования математического моделирования для расчетов процессов МЭКС
ГЛАВА 2 Оптимизация зоны предварительного перемешивания
ГЛАВА 3 Использование URANS - моделирования для исследования гидродинамической
нестабильности в объеме КС
ГЛАВА 4 Методика обработки и анализа результатов квазистационарных расчетов КС для
прогнозирования устойчивого протекания процессов в ней
ГЛАВА 5 Воздействие на распределение тепловыделения по длине КС
ГЛАВА 6 Доводка поля температуры
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
В настоящее время в РФ важное значение придаётся созданию и массовому производству отечественных конкурентоспособных газотурбинных установок (ГТУ) малой, средней и большой мощности как для внутреннего, так и для внешнего рынка. Большинство эксплуатируемых и выпускаемых отечественных ГТУ не удовлетворяют современным природоохранным требованиям. Доработка имеющихся или разработка новых экологически чистых камер сгорания (КС) ГТУ позволит решить обозначенную проблему.
Принцип работы малоэмиссионных КС базируется на сжигании топлива при температуре не более 1600 °С, при которой образуется немного оксидов азота. Нижний предел рабочей температуры — это бедный срыв (~ 1250 °С). Таким образом, работа КС по
температуре горения должна лежать в узком диапазоне для всех режимов работы ГТУ от холостого хода до номинальной нагрузки. Одним из способов сжигания топлива,
обеспечивающим необходимый температурный диапазон, является сжигание бедной
предварительно перемешанной топливовоздушной смеси.
Теории рабочих процессов КС посвящены сотни работ ведущих научных и производственных компаний, однако общие подходы к расчету и проектированию малоэмиссионных КС на сегодняшний день отсутствуют. Это связано с тем, что для их реализации необходимы длительная дорогостоящая экспериментальная стендовая доводка и натурные испытания в составе ГТУ. Использование математического моделирования даёт возможность существенно сократить сроки и затраты на разработку и доводку КС, но его эффективное применение в прикладных и фундаментальных исследованиях требует адекватных подходов как по возможностям, так и по правильной оценке происходящих в КС процессов. За последние 20 лет произошел переход от разработки собственных программ для решения узкой задачи к использованию мощных универсальных вычислительных комплексов, распространяемых на коммерческой основе. При разнообразии и сложности программных средств возникает ряд вопросов методического характера: насколько адекватен выбор модели, методов численного решения, размеров расчётной области, топологии и размерности расчётной сетки, требований к сходимости; какова степень достоверности результатов решения? Квалифицированный ответ на эти вопросы требует понимания основ моделируемых явлений.
В диссертации представлена методика использования трехмерного численного моделирования, позволяющая сконструировать КС, обеспечивающую низкую эмиссию оксидов азота, высокую полноту сгорания топлива, заданные перепады давления на элементах
конструкции, заданные температурные поля на выходе и устойчивое протекание процессов. В основу методики легли детальные сопоставления и анализ расчетных и экспериментальных данных.
Цели и задачи работы
разработать и использовать методику трехмерного численного моделирования рабочих процессов для создания и доводки экологически чистых КС ГТУ, устойчиво работающих с заданными показателями;
произвести выбор и обосновать применимость коммерческих программных продуктов для моделирования процессов газодинамики и горения, протекающих в КС ГТУ. Исследование на сходимость по расчетной сетке и шагу по времени. Настройка встроенных численных моделей по результатам эксперимента;
предложить пути повышения качества топливовоздушной смеси (ТВС) в зоне предварительного перемешивания (ЗПП) КС с использованием трехмерного численного моделирования. Построение корреляционных зависимостей между качеством ТВС, полученным расчётом, и экспериментально замеренными N0*;
исследовать влияние эффективности перемешивания ТВС, на выходе из ЗПП, конструктивных и режимных параметров на процесс горения в объеме КС и эпюру тепловыделения по ее длине, а также процессы вихреобразования в объёме КС с использованием LES и URANS к-е простой модели турбулентностей;
провести поиск путей выравнивания поля температуры на выходе из КС; исследовать и проанализировать расчетные и экспериментальные данные при устойчивой и пульсационной работе КС для получения адекватного параметра устойчивости. Построение корреляционной зависимости между предложенным параметром и амплитудой пульсаций давления.
Объект и предмет исследования
Объект исследования — методы применения программ математического моделирования для исследований конструкции КС и характеристик протекающих в них процессов. Способы обработки и анализа по корреляционным расчетно-экспериментальным зависимостям, позволяющие создавать конструкции КС с заданными параметрами, устойчиво работающие на всех режимах ГТУ.
Предмет исследования — камеры сгорания ГТУ.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
Исследования проведены с применением сертифицированных программ численного

параметры (скорость, температуру и т.п.) их расчет проводится при "замороженных" значениях газодинамических переменных.
Как известно, основной вклад в образование оксидов азота N0 вносят так называемые термические оксиды азота. Их учет осуществляется путем решения уравнения для скалярных величин с источником (1.15):
(?ыо=рОЪаоЬ- (1-63).
Табулированные значения скорости образования оксидов азота приведены ниже.

Рисунок 1.15 - зависимость скорости образования N0 от температуры (°К) и коэффициента
избытка окислителя а
Приведенные на рисунке 1.15 зависимости 0т( «,Т) были получены из решения системы дифференциальных уравнений, описывающей полный механизм образования оксидов азота [74].
Достоверность работы моделей РіоуУізіоп подтверждена результатами расчетов классических тестовых задач, широко известных в России и за рубежом. Ниже приведены результаты тестов моделей турбулентности, реализованных в программном комплексе (ПК) Р1оуУізіоп (РУ) на задачах внешнего обтекания (характерно для течения в КС) обратного уступа [75, 76] и поперечного обтекания бесконечного цилиндра [77, 78.], проделанные разработчиками ПК РУ:
1) обтекание обратного уступа показано на рисунке 1.16 [75, 76]
ґ.с / / / ( г-г і і г і іл. і і і / / / і. г.£- // ; і-сл. і і/
-<—10И —х-----------------20И ----------------►
Рисунок 1.16 Размеры расчетной области