Определение оптимального коэффициента избытка воздуха
В последнее десятилетие были введены новые нормативные требования к уровню выбросов вредных веществ наземными газотурбинными установками (ГТУ) [2]. Самое существенное ограничение касается уровня выбросов оксидов азота, который не должен превышать 50 мг/нм3 при 15 % O2. Применение концепции предварительной подготовки топливовоздушной смеси позволяет снизить эмиссию оксидов азота до уровня, требуемого нормативными документами. Однако при этом возникает проблема обеспечения устойчивости камеры сгорания к пульсациям давления, возникающим вследствие случайных турбулентных возмущений или из-за изменения режима работы камеры сгорания [4].
Ведущие зарубежные фирмы, такие как Rolls-Royce, АBB, Siemens, решают данную проблему либо за счет системы управления, поддерживающей постоянное соотношение между расходами воздуха и топлива, поступающими в камеру сгорания, либо используя системы подавления колебаний давления, включающих в себя исполнительные механизмы, содержащие подвижные части в топливном и воздушном трактах камеры сгорания. Применение первого метода уменьшает КПД ГТУ, а использование систем подавления колебаний значительно увеличивает стоимость камеры сгорания. Кроме того, применение подвижных частей, работающих с высокой частотой, снижает надежность камеры сгорания. Поэтому более перспективным путем решения данной проблемы является применение систем пассивного подавления автоколебаний, то есть при создании камер сгорания данного типа более предпочтительным является применение пассивных систем подавления колебаний давления, в которых не предполагается высокочастотного управления работой камеры сгорания.
|
|
|
Проблемы устойчивости горения, и в частности проблема создания пассивной системы подавления автоколебаний, ранее подробно исследовались для камер сгорания жидкостных реактивных двигателей и для форсажных камер газотурбинных двигателей. Однако выработанные в данных конструкциях технические решения не учитывают специфики рабочего процесса камер сгорания с предварительным смешением топлива. Действительно, уменьшение времени запаздывания, являющегося также временем смешения, приводит к росту выбросов оксидов азота. Применение систем шумоглушения, например резонаторов Гельмгольца, сдерживается их однорежимностью.
Поэтому для успешного применения методов пассивного подавления колебаний необходима оптимизация конструкции камеры сгорания с учетом ограничений, накладываемых уровнем эмиссии вредных веществ и ограничением на потери давления в камерах сгорания данного типа. Для решения такой задачи необходимо создание математической модели камеры сгорания, учитывающей ее акустические характеристики.
|
|
|
Подача в камеру воздуха в количестве, теоретически необходимом, практически не обеспечивает полноты сгорания топлива. Это приводит к так называемым потерям топлива от химической неполноты сгорания. Поэтому фактически в топку камеры, как правило, подают воздуха несколько больше, чем это требуется теоретически. Этот излишек характеризуется коэффициентом избытка воздуха a, под которым понимают отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку, к теоретически необходимому.
С увеличением a возрастают потери тепла с газообразными продуктами сгорания топлива, удаляемыми в атмосферу, так как увеличивается их количество. С уменьшением a растут потери от химической неполноты сгорания топлива. Выбор оптимального значения a зависит от рода топлива, способа сжигания и конструктивных особенностей камер сгорания и является технико-экономической задачей.
При проектировании ГТУ коэффициент принимается согласно установленным нормам, в условиях эксплуатации - устанавливаются экспериментально. Исходя из опыта применения газовых турбин в промышленности, a принимает значение от 4 до 8.
|
|
|
Разработанная методика решения задачи термодинамики газов в камере сгорания турбины позволяет произвести оценку оптимального значения коэффициента избытка воздуха. Это достигается путем проведения ряда экспериментов с варьированием входных параметров воздуха компрессора и топливного газа.
Было проведено пять экспериментов для a = 2, 4, 6, 8,10. Результаты экспериментов представлены в приложении Б.
Камера сгорания этого класса имеет следующие рабочие показатели [19]:
температура на выхлопе сопла Твых = 1200-1300 (°С);
скорость потока на выходе сопла Vвых = 750 (м/с).
На диаграммах шкала температур имеет размерность Кельвин, а скорость задана в условных единицах. Одна условная единица 1у. е. = 33 (м/с)
Из приведенных диаграмм можно сделать вывод, что стабильная работа турбины будет при a = 6. Снижение a приводит к чрезмерному выбросу топлива, а увеличение - к увеличению температуры выхлопа и возможным пульсациям пламени.
Диаграммы с коэффициентом турбулентности позволяют оценить состояние пламени и, следовательно, предвидеть пульсации в камере сгорания или срыв пламени совсем.
Из экспериментов видно, что даже при моделировании, когда многие факторы были исключены, результаты решения могут быть использованы на практике.
|
|
|
Выводы по главе
В результате проектирования была разработана методика создания конечно-элементной модели камеры сгорания и проведения термодинамического расчета газовых потоков. Методика позволяет исследовать работу объекта на различных режимах, вплоть до критических. Варьируя входными данными по топливному газу и/или по воздуху можно определить оптимальное соотношение газ-воздух, которое имеет решающее влияние на работу турбины в целом. Исходя из этого, возможно решение одной из экономических задач - оптимальный выбор горелочного устройства.
В соответствии с этим был проведен ряд экспериментов по проверке модели, в результате которых практические данные были подтверждены виртуальными испытаниями. Для проведения более точных экспериментов, необходимо усложнять модель. Основным средством в достижении этого является учет тех факторов, которые в данной работе не были задействованы.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 216; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!