На правах рукописи

БУЛЫСОВА

Людмила Александровна

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И НАЛАДКЕ

МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТУ

Специальность: 05.14.14 «Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014 2

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ»)

Научный руководитель:

Тумановский Анатолий Григорьевич доктор технических наук, первый заместитель генерального директора, научный руководитель

Официальные оппоненты:

Росляков Павел Васильевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Парогенераторостроения (ПГС) Института энергомашиностроения и механики (ЭнМи) Национального исследовательского университета Московского энергетического института (НИУ МЭИ) Кочетков Юрий Михайлович доктор технических наук, старший научный сотрудник Государственного научного центра Российской Федерации – Федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша» (ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»)

Ведущая организация Открытое акционерное общество «Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН»)

Защита состоится «»_2014 г. в «» часов на заседании диссертационного совета Д.222.001.01 при Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научноисследовательский институт» (ОАО «ВТИ») по а д р е с у: 115280, г. Москва, ул.Автозаводская, д. 14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 14. ОАО «ВТИ».

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВТИ».

Автореферат разослан «»2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.222.001.01, доктор технических наук П.А. Березинец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 оС, при которой образуется немного оксидов азота. Нижний предел рабочей температуры это бедный срыв (~ 1250 оC). 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.

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 NOх;

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 - 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 моделирования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях газодинамики и горения. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью используемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных результатов с данными эксперимента.

Научная новизна Разработана методика комплексного численного моделирования рабочего процесса малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) ГТУ, скоррелированная по экспериментальным данным, применение которой позволяет на этапе проектирования обеспечить достижение требуемых показателей МЭКС и устойчивую работу во всем диапазоне рабочих режимов.

Сформулирован и обоснован критерий возможного возникновения виброгорения в КС, связывающий стационарные параметры рабочего процесса – дивергенцию скорости течения и градиент температуры газа.

Изучены нестационарные процессы в объеме КС информацию о которых невозможно было бы получить путем традиционных измерений пульсаций давления на стенке жаровой трубы камеры сгорания.

Получены качественные и количественные закономерности связывающие параметры смесеобразования в горелке КС с образованием оксидов азота NOx и динамикой процесса горения.

Предложен и разработан новый подход к обработке результатов численных исследований, который использует корреляции численных и экспериментальных данных, позволяющие обнаружить и описать причинно-следственные связи между параметрами различных масштабов турбулентности.

Теоретическая и практическая значимость Разработанную методику использования численного моделирования и корреляционных расчётно-экспериментальных параметров целесообразно широко использовать при проектировании и доработке МЭКС, а также других технических устройств с аналогичными принципами сжигания газового углеводородного топлива.

В России на газомазутных ТЭС эксплуатируются сотни морально и физически устаревших паровых энергоустановок мощностью 50-300 МВт. Государственной Программой развития электроэнергетики до 2030 г. Планируется их замена парогазовыми установками (ПГУ) с газовыми турбинами в их составе. Проведенные научноисследовательскими и проектными организациями расчёты свидетельствуют о высокой экономической эффективности такой замены.

Представленная в диссертации методика математического моделирования процессов, протекающих в малоэмиссионных КС, и анализа по корреляционным расчётноэкспериментальным зависимостям позволит конструировать камеры с заданными параметрами и обеспечивать их устойчивую работу.

На защиту выносятся 1. Методы RANS и URANS моделирования с - простой моделью турбулентности для описания стационарных и крупномасштабных нестационарных процессов газодинамики и горения, протекающих в КС ГТУ, соответственно. При моделировании горения топливовоздушной смеси целесообразно использовать простую брутто реакцию, скорость которой оценивается по пульсационной модели.

2. Численное моделирование процессов в КС, позволяющее оптимизировать объем и повысить достоверность измерений при испытаниях, оценивать влияние различных конструктивных изменений на качество перемешивания топлива с воздухом, условия горения и эмиссию оксидов азота, распределение температур на выходе из КС.

3. URANS и RANS моделирование с - простой моделью турбулентности, позволяющее исследовать процессы газодинамической неустойчивости в КС и анализировать перемещение фронта пламени для обеспечения устойчивого горения.

4. Результаты их использования, позволяющие получить параметр устойчивости в форме и сравнить наличие/отсутствие пульсаций при различных вариантах организации процесса горения.

Степень достоверности и апробация работы Диссертационная работа обобщает исследования автора за период с 2003 по 2014 гг.

Достоверность и практическая ценность всех разработанных методов моделирования проверяется путём сопоставления данных расчёта и эксперимента.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. LI научно-технической сессии по проблемам газовых турбин ( Уфа, 2004);

2. LIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин ( Москва, 2006);

3. Международном форуме «Инженерные системы – 2013» (Москва, 2013);

4. LVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва, 2011);

5. Научно-технической конференции "Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ" (Москва, 2004);

6. LX научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок "Научно-технические проблемы проектирования и эксплуатации наземных объектов с газотурбинными и парогазовыми установками" (Казань, 2013) Изложенные в диссертации Л.А. Булысовой результаты отмечены дипломом лауреата конкурса в области энергетики и смежных наук за работу "Проведение расчетных и стендовых исследований при разработке малоэмиссионных камер сгорания энергетических ГТУ".

Личный вклад автора 1. Разработка методов оптимального использования программ математического моделирования процессов, протекающих в малоэмиссионных КС. Обработка, анализ и получение корреляционных расчетно-экспериментальных зависимостей, позволяющих создавать конструкцию камеры с заданными параметрами на всех режимах работы ГТУ, в том числе с оценкой диапазона устойчивой работы КС.

2. Обработка и анализ экспериментальных результатов, полученных на испытательных стендах.

Публикации Основные научные результаты работы с достаточной полнотой отражены в научных публикациях, среди которых 7 – в реферируемых журналах и 6 – в сборниках материалов научных конференций, семинаров, форумов, а также защищены тремя патентами РФ.

Структура и объем диссертации Работа представлена введением, шестью главами, заключением, четырьмя приложениями и списком литературы из 87 наименований, содержит 163 страницы машинописного текста, включая 126 рисунков, 33 таблицы, 92 уравнения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обсуждается хозяйственная целесообразность применения отечественных ГТУ и их оснащение МЭКС. В таких КС практически повсеместно применяется сжигание "бедных" предварительно перемешанных ТВС. При этом снижение концентрации NOx достигается низкой температурой горения и высоким качеством перемешивания ТВС. При применении такой технологии нередко возникают неустойчивости процесса горения с интенсивными пульсациями давления, приводящими к повреждениям КС и лопаточного аппарата турбины. Чтобы отстроиться от них проводятся длительные, трудоемкие и дорогостоящие испытания. Сократить их объем и стоимость помогает математическое моделирование рабочих процессов в КС.

Во введении показаны также актуальность работы, новизна и практическая значимость полученных результатов, обсуждаются методы решения поставленных задач, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведен обзор имеющихся программных продуктов, пригодных для расчета процессов в КС. Рассмотрены заложенные в них основные уравнения и схемы их решения. Показаны области достоверных решений для разных математических моделей.

Течение воздуха и газа в элементах КС происходит при значениях числа Рейнольдса Re 105, для него характерен турбулентный отрывной характер. Как правило, в КС ГТУ используются горелки с закруткой потока, создающие для стабилизации пламени тороидальную зону рециркуляции (ЗР).

В типовой горелке течение формируется завихрителем, состоящим из решетки осевых или радиальных лопаток. В структуре течения за типовым завихрителем имеются четыре явно выраженные структуры: вихрь, вызванный отрывом, центральная зона рециркуляции, прецессионный слой вихря, окружающий центральную зону рециркуляции, и сдвиговые слои, начинающиеся с внешней кромки кольцевых каналов. Для отображения этих сложных структур математические модели, применяемые для расчета КС, должны хорошо описывать развитые турбулентные течения.

Применяемые на практике методы численного моделирования турбулентного течения можно разделить на три категории: прямое численное моделирование (DNS - direct numerical simulation), моделирование крупномасштабных вихрей (LES - large eddy simulation) и осредненные по Рейнольдсу или Фавору стационарные (SRANS - Steady Reynolds-averaged Navier-Stokes) и нестационарные (URANS - Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes) уравнения Навье-Стокса.

В инженерной практике обычно применяется модель турбулентности RANS, требующая умеренных компьютерных ресурсов. Принцип модели заключается в замене случайно изменяющихся характеристик потока (скорость, давление, плотность) суммами осредненных и пульсационных составляющих. Эффект турбулентных возмущений описан тензором напряжений Рейнольдса. Для моделирования тензора напряжений Рейнольдса разработаны модели от простой алгебраической до k-., используемые для замыкания системы уравнений движения и неразрывности Навье-Стокса. Метод RANS подразделяется на SRANS и URANS. В первом случае осреднение уравнений происходит на бесконечном интервале времени (стационарное решение), во втором на ограниченном интервале времени (квазистационарное решение, метод URANS).

Модель турбулентности LES используют для расчета течений, в которых основной вклад в энергию турбулентности вносят крупные вихри, обладающие большой массой и импульсом. Считается, что крупные вихри переносятся осредненным потоком, они упорядочены (когерентны) и не находятся в равновесии с осредненным течением. Однако, эта модель турбулентности требует значительных вычислительных ресурсов. При использовании ее уменьшение размеров ячеек сетки означает переход к явному разрешению всё более мелких пространственных масштабов, и в пределе — к прямому численному моделированию (происходит увеличение разрешения физического диапазона модели).

Наиболее экономичный по расчетной сетке и затратам времени стационарный метод RANS позволяет достаточно точно рассчитать расходы и потери давления на элементах КС, показывает картину усредненного течения с зонами обратных токов и средних скоростей по сечениям. Для получения качественного прогноза нестационарной картины течения, определения мест образования и отрыва крупных вихрей с элементов КС, оценок частоты их зарождения используется метод URANS с малым периодом осреднения. Использование метода LES позволяет получить не только качественные, но и количественные значения характеристик нестационарного течения, разрешив при этом не только крупномасштабную, наиболее энергетически значимую, турбулентность, но и средние ее масштабы.

В КС ГТУ происходит сжигание топлива, как в диффузионном так и гомогенном режимах, поэтому математическая модель горения, описывающая процессы в КС должна описывать два предельных случая - распространение пламени предварительно перемешанных газов и диффузионное горение не перемешанных горючего и окислителя, а также область частичного смешения компонентов горючей смеси.

Теория турбулентного горения однородной смеси заимствует основные понятия и представления из теории распространения плоского (нормального) фронта пламени по неподвижной смеси горючего и окислителя. Описание распространения плоского пламени основано на следующих предположениях:

- между топливом и окислителем происходит одноступенчатая реакция, т.е. процесс описывается тремя переменными Т, со, сf - температурой и концентрациями окислителя и топлива соответственно;

- коэффициенты молекулярного переноса одинаковы, и, следовательно, из-за подобия уравнений диффузии и теплопроводности концентрации со и сf можно выразить через температуру Т.

В этом случае процесс описывается одним уравнением:

где — плотность; W — скорость тепловыделения; а — коэффициент темтемпературопроводности; с — безразмерная температура; un — скорость нормального распространения пламени; верхние индексы о и b относятся к свежей смеси и продуктам сгорания; n — направление, нормальное фронту пламени. Направление нормали определено так, что с = 0 при n =- (свежая смесь); с = 1 при n = (продукты сгорания). Краевая задача для уравнения (1), т.е. равенства c(—) = 0;, c() = 1, позволяют определить un.

Скорость химической реакции очень сильно зависит от температуры, т.е.

W ехр(-E/(RT)), где критерий E/RT(b) много больше единицы (Е — энергия активации,