Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – Двигуни та енергетичні установки. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2008.
Дисертація присвячена питанням числового моделювання низькоемісійних камер згорання газотурбінних двигунів з упорскуванням водяної пари і горінням частково перемішаної збідненої паливоповітряної суміші. Розроблена універсальна математична модель тривимірного хімічно реагуючого потоку, яка дає можливість прогнозувати вихідні температурні і екологічні характеристики камер згорання, що працюють на газоподібному паливі. Приведені результати верифікації моделі, які підтверджують її достовірність для широкого спектру робочих режимів. Запропонована методика числового експерименту. Отримані в ході розрахунків дані дозволили вдосконалити конструкції конкретних зразків низькоемісійних камер згорання. Доведена необхідність і можливість використання числового експерименту при проектуванні камер згорання газотурбінних двигунів.
У дисертаційній роботі представлене нове рішення завдання прогнозування і вдосконалювання екологічних характеристик стаціонарних газотурбінних двигунів, які працюють на газоподібному паливі, шляхом вибору раціональних геометричних і режимних параметрів їх камер на базі створеної математичної моделі низькоемісійної камери згоряння з частковим попереднім перемішуванням палива з повітрям і упорскуванням водяної пари.
На підставі проведених досліджень можна зробити наступні висновки:
На основі аналізу і узагальнення вітчизняних і закордонних літературних даних установлені найбільш перспективні способи зниження шкідливих викидів і вироблені основні вимоги до організації робочого процесу в сучасних низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів.
Розроблено універсальну тривимірну математичну модель низькоемісійних газотурбінних камер згоряння ГТД, у яких організується гомогенно-диффузійне горіння паливоповітряних сумішей, обумовлене як фізичними процесами сумішоутворення, так і кінетикою хімічних реакцій.
Запропоновані і верифіковані ефективні кінетичні механізми окиснення газоподібного палива, що враховують часткове попереднє перемішування палива з повітрям, а також упорскування екологічної і енергетичної водяної пари і дозволяють коректно моделювати розподіл температур і концентрацій хімічних компонентів у низькоемісійних камерах згоряння ГТД. Отримано задовільну відповідність результатів числових і натурних експериментів.
Вдосконалено модель утворення оксидів азоту для низькотемпературних режимів горіння метану в камерах згоряння ГТД. Виявлено, що для камер згоряння ГТД, у яких реалізований принцип горіння частково перемішаної збідненої паливоповітряної суміші з максимальною температурою, що не перевищує 1900 К, істотну роль грає не тільки термічний механізм утворення оксидів азоту, але й механізм їх формування через закис азоту N2O (до 50 %). Запропоновано залежність для визначення концентрацій атомарного кисню в перерізах низькоемісійної газотурбінної камери згоряння, яка дозволяє задовільно прогнозувати емісію оксидів азоту.
На основі результатів математичного моделювання проаналізовані основні недоліки двох конструктивних типів низькоемісійних камер згоряння і дані практичні рекомендації з поліпшення температурного режиму й екологічних характеристик камер згоряння ГТД ДН-80 потужністю 25 МВт і ГТУ типу "Водолій" потужністю 16 МВт із упорскуванням екологічної й енергетичної водяної пари виробництва ДП "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування" "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв).
Раціональна організація робочого процесу в камері згоряння ГТД ДН-80 забезпечить скорочення розрахункової емісії оксидів азоту з 16 до 1 ppm, зменшення максимальної розрахункової нерівномірності температурного поля у вихідному перерізі з 19 до 8,6 % при збереженні коефіцієнта повноти згоряння палива. Запропоновані конструктивні зміни жарової труби камери згоряння ГТУ "Водолій" з упорскуванням водяної пари дозволять зменшити розрахункові викиди оксидів азоту c 33 до 10 ppm, оксиду вуглецю з 12 до 4 ppm і розрахункову усереднену радіальну нерівномірності температурного поля на виході з 8 до 3,8 %. З огляду на обмеження та допущення математичної моделі на двигунах можна прогнозувати зниження викидів оксиду азоту в 1,5-2 рази зі збереженням емісії СО і зменшення втрат повного тиску на 7 % (відносних) для ГТД ДН-80 і зниження викидів оксиду азоту в 1,3-1,5 разів і СО на 20-25 % для ГТУ типу "Водолій".
Розроблені практичні рекомендації з вдосконалювання низькоемісійних камер згоряння ГТД дозволять збільшити ресурс жарових труб, а, отже, і газотурбінних двигунів у цілому, створювати нові зразки конкурентоспроможної на світовому ринку продукції, які задовольняють міжнародним нормам на викиди токсичних компонентів. Крім того, застосування модернізованих варіантів камер згоряння дозволить одержати річний економічний ефект у розмірі близько 125000 $ для ГТД ДН-80 і 2000 $ для ГТУ типу "Водолій" за рахунок зменшення витрати охолоджувального повітря на лопатки перших ступенів турбін, що веде до підвищення ККД ГТД ДН-80 на 0,64 % абсолютних і двигуна ГТУ типу "Водолій" на 0,04 %.
Основні наукові результати дисертаційної роботи мають теоретичне і практичне значення для розробки і модернізації низькоемісійних камер згоряння ГТД і використовуються на ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" у вигляді рекомендацій для проектування і модернізації перспективних зразків низькоемісійних камер згоряння ГТД, а також у навчальному процесі Національного університету кораблебудування при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт зі спеціальностей "Турбіни" і "Екологія й охорона навколишнього середовища".
Публікації автора:
Публікації у збірниках ВАК України
Сербин С.И. Исследование структуры течения во фронтовом устройстве камеры сгорания газотурбинного двигателя мощностью 25 МВт / С.И. Сербин, А.Б Мостипаненко, В.В. Вилкул // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков "ХАИ", 2005. – №8(24). - С.146-149.
Здобувачем розроблена математична модель фронтового пристрою, проведені розрахунки порівняно з результатами експерименту.
Сербин С.И. Исследование механизмов образования оксидов азота в камере сгорания газотурбинной установки "Водолей" / С.И. Сербин, А.Б. Мостипаненко // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков "ХАИ", 2006. - №7(33). - С.93-97.
Здобувачем виявлено головні механізми утворення оксидів азоту для камер згоряння ГТД, проведений числовий експеримент, результати якого зіставлені з даними експериментів.
Сербин С.И. Разработка математической модели образования загрязняющих веществ в камерах сгорания энергетических ГТУ / С.И. Сербин, А.Б. Мостипаненко // Наукові праці : Науково-методичний журнал. Техногенна безпека. - Миколаїв : Вид-во МДГУ ім. Петра Могили, 2006. - №49(36). - С.38-44.
Здобувачем проведений аналіз існуючих механізмів утворення оксидів азоту в камерах згоряння й на їх основі розроблена математична модель утворення забруднюючих речовин у камерах згоряння енергетичних ГТУ.
Сербін С.І. Числове моделювання процесів горіння в експериментальному відсіку гібридної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт / С.І. Сербін, Г.Б. Мостіпаненко // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник наукових праць. Тематичний випуск : «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». – Харків: НТУ «ХПI». – 2006. - № 5. – C.59-66.
Здобувачем розроблена математична модель відсіку камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт, проведені розрахунки.
Мостипаненко А.Б. Повышение экологической безопасности газотурбинных установок использованием технологии малоэмиссионного сжигания топлив / А.Б. Мостипаненко // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв : НУК, 2007. - №1 (412). - С.100-108.
Додаткові публікації, матеріали конференцій
Сербін С.І. Використання тривимірних математичних моделей для аналізу екологічних характеристик гібридної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт / С.І. Сербін, Г.Б. Мостіпаненко // Проблемы экологии и энергосбережения в судостроении : Материалы 4-й международной научно-технической конференции. – Николаев : НУК, 2005. – 296 с.
Здобувачем проведений вибір моделі турбулентності для математичної моделі гібридної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт, проведені розрахунки і їх результати зіставлені з експериментальними даними.
Мостіпаненко Г.Б. Моделювання гідро газодинамічних процесів у камері згоряння ГТУ „Водолій” з впорскуванням водяної пари / Г.Б. Мостіпаненко // Суднова енергетика : стан та проблеми : Матеріали міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів, молодих вчених та спеціалістів. – Миколаїв : НУК, 2005. – 196 с.
Мостіпаненко Г.Б. Моделювання робочих і екологічних характеристик в камері згоряння ГТУ „Водолій” з впорскуванням водяної пари / Г.Б. Мостіпаненко // Проблемы экологии и энергосбережения в судостроении : Материалы 4-й международной научно-технической конференции. – Николаев : НУК, 2005. – 296 с.
Matveev I. Numerical Optimization of the Tornado Combustor Aerodynamic Parameters / I. Matveev, S. Serbin, A. Mostipanenko // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, (Reno, Nevada, USA, 8-11 January 2007). – AIAA 2007-391. – 12 p.
Здобувачем проведені розрахунки, обрано моделі турбулентності для стаціонарного і нестаціонарного випадків, оброблено експериментальні дані і порівняно їх з результатами числового експерименту для зворотно-вихрової камери згоряння.
Matveev I. CFD Investigation of Spatial Arc Influence on Fuel Burning-Out in the “Tornado” Combustor / I. Matveev, S. Serbin, A. Mostipanenko // 2-nd Int. Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC). – Falls Church, USA, 2006. – P.22-23.
Здобувачем проведене моделювання обертової плазмової дуги у зворотно-вихровій камері згоряння.
Matveev I. CFD Calculations of Reverse Vortex Reactive Flows / I. Matveev, S. Serbin, A. Mostipanenko // 3-rd Int. Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC). – Falls Church, USA, 2007. – P.70-72.
Здобувачем розроблена математична модель зворотно-вихрової камери згоряння, проведено моделювання стаціонарного і нестаціонарного випадків тривимірної хімічно-реагуючої течії в камері.
