Анотація до роботи:

Захаров Ю.В. Прогнозування і поліпшення екологічних характеристик суднових газотурбінних двигунів.

Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 - суднові енергетичні установки. - Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2003.

У дисертаційній роботі представлене нове розв’язання задачі прогнозування й поліпшення екологічних характеристик суднових газотурбінних двигунів шляхом оптимізації геометричних і режимних параметрів їх камер згоряння на базі створеної реакторної моделі утворення і розкладання забруднюючих речовин.

На основі аналізу результатів теоретичних і експериментальних досліджень запропоновані основні напрямки зниження токсичності вихлопних газів газотурбінних двигунів, що дозволяють організувати повне спалювання рідких і газоподібних палив і обмежити забруднення атмосфери.

Встановлено закономірності кінетичної схеми високотемпературного горіння органічного палива, яка містить в собі 892 хімічні реакції з 113 компонентами.

Визначено залежності зміни концентрацій стабільних і проміжних продуктів поздовж зонної камери згоряння на різних режимах її роботи. Проведено оптимізацію екологічних характеристик суднових газотурбінних двигунів методом випадкового пошуку з використанням в якості цільової функції сумарного фактора токсичності на виході з первинної зони камери згоряння.

Результати роботи можуть бути використані при модернізації існуючих і проектуванні нових малотоксичних камер згоряння газотурбінних двигунів.

1. У дисертаційній роботі представлене нове розв’язання задачі прогнозування і поліпшення екологічних характеристик суднових газотурбінних двигунів шляхом оптимізації геометричних і режимних параметрів їх камер згоряння

на базі створеної реакторної моделі утворення і розкладання забруднюючих речовин.

2. Для опису процесів високотемпературного горіння в ГТД вперше використана кінетична схема, заснована на детальному опису хімічних реакцій окиснення природного газу, яка містить 892 реакції з 113 компонентами, у тому числі вищі вуглеводні, зокрема ароматні.

3. Створено математичну модель утворення і розкладання токсичних компонентів у камерах згоряння суднових ГТД на базі теорії гомогенних і проточних реакторів (реакторна модель). Її адекватність перевірена шляхом експериментів на судновому і промисловому ГТД.

4. На основі узагальнення результатів теоретичних досліджень емісійних характеристик суднових і стаціонарних газотурбінних двигунів уточнені механізми утворення і розкладання оксидів азоту в перезбідненних паливоповітряних сумішах і показано, що зонна організація процесів сумішоутворення і горіння (малоемісійні камери згоряння) є ефективним засобом підвищення екологічної чистоти ГТД.

5. Запропоновано і реалізовано алгоритм розв’язання задачі оптимізації екологічних характеристик суднових ГТД методом випадкового пошуку з урахуванням хімічного складу і концентрації відпрацьованих газів двигуна у конкретних умовах його експлуатації, у якому в якості цільової функції використаний сумарний фактор токсичності на виході з первинної зони камери згоряння. Розрахункові оптимальні значення концентрацій оксидів вуглецю й азоту на вихлопі двигуна GT3000 на номінальному режимі його роботи менше експериментальних (з неоптимізованою камерою) у 1,9 і 6,6 рази, а на холостому ході - у 8,2 і 3,0 рази.

6. Теоретично визначені й експериментально підтверджені раціональні співвідношення між витратами палива через перший і другий канали пальникового пристрою газотурбінного двигуна GT3000, що забезпечують викиди оксидів азоту і вуглецю 131...134 і 237...10 мг/нм³ відповідно при зміні режимів його роботи від 0,7 до номінального, що задовольняє вимогам нормативних документів.

7. Організація малоемісійного горіння за технологією RQQL ("багате" горіння - швидке розведення - "бідне" горіння) і оптимізація параметрів камери згоряння суднового ГТД GT25000 дозволяє знизити викиди оксидів азоту на номінальному режимі його роботи з 429 до 133,5 мг/нм³.

8. Результати дисертаційної роботи використовуються на ДП "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря"-"Машпроект" у вигляді рекомендацій при проектуванні і доведенні перспективних малотоксичних камер згоряння ГТД, а також у навчальному процесі УДМТУ при читанні курсів лекцій і виконанні курсових і дипломних проектів за спеціальностями "Турбіни" і "Екологія і охорона навколишнього середовища".

9. Розрахунковий економічний ефект від зменшення плати за викиди забруднювачів в атмосферу при модернізації суднового газотурбінного двигуна GT25000 і двигуна GT3000 газоперекачувального агрегату складає відповідно 17250 і 3600 грн на один двигун за рік.

Основні результати дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях:

1. Романов В.И., Сербин С.И., Захаров Ю.В. Анализ методов снижения и прогнозирования вредных выбросов судовых газотурбинных установок // Збірник наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2000. – № 3 (369). – С.92–103.

2. Сербин С.И., Ванцовский В.Г., Захаров Ю.В. Исследования экологических характеристик газотурбинного двигателя GT3000 // Збірник наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № 3 (381). – С.70–77.

3. Сербин С.И., Ванцовский В.Г., Захаров Ю.В. Эмиссионные характеристики газотурбинного двигателя с системой впрыска воды в камеру сгорания // Збірник наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № 8 (386). – С.54–59.

4. Сербин С.И., Захаров Ю.В. Математическая модель образования и разложения загрязняющих веществ в газотурбинных двигателях // Збірник наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 1999. – № 5 (365). – С.59–69.

5. Сербин С.И., Захаров Ю.В. Особенности оптимизации экологических параметров газотурбинного двигателя на номинальном режиме // Збірник наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № 5 (383). – С.82–90.

Основні публікації, у яких додатково викладений зміст дисертації:

6. Романовський Г.Ф., Сербін С.І., Захаров Ю.В. Реакторна модель утворення забруднюючих речовин у камері згоряння ГТУ // Розділ 4 в навчальному посібнику Романовського Г.Ф., Сербіна С.І. Екологічно чисті камери згоряння газотурбінних установок, Миколаїв: УДМТУ, 2002. – С.67–80.

7. Сербін С.І., Захаров Ю.В. Кінетика утворення пірогенних забруднень в паливоспалюючих пристроях // Наукові праці: Збірник. – Миколаїв: МФ НаУКМА, 2001. – Т.11: Екологія. – С.77–81.

8. Сербин С.И., Захаров Ю.В. Моделирование образования загрязняющих веществ в газотурбинных установках // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Материалы 3–й Междун. науч.–техн. конф. – Николаев: УГМТУ, 2002. – С.125–126.

9. Serbin S.I., Zakharov Y.V. The Mathematical Model of Liquid Fuel Gasification in a Plasma–Chemical Reactor // Proceedings of the Int. Conference on Modeling and Simulation MS’2001. – Lviv: Lviv Polytechnic National University, 2001. – P.328–331.

Авторська участь у загальних публікаціях полягає в наступному: аналізі методів зниження токсичних компонентів у суднових ГТД [1], обробці й узагальненні експериментальних даних по екологічних характеристиках двигунів з зонною камерою й впорскуванням води [2,3], розробці математичної моделі утворення і розкладання забруднювачів [4,6,7], обґрунтуванні цільової функції при розв’язанні задачі оптимізації екологічних характеристик суднових ГТД [5], виборі параметрів систем екологічно чистого спалювання вуглеводневих палив [8,9].