CC BY
41
УДК 532.542.4; 536.462
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
КАРПОВ А.И., КОРЕПАНОВ М.А., *САЛИЧ В.Л., ШАКЛЕИН А.А.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34 *Южно-Уральский государственный университет (НИУ), 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76
АННОТАЦИЯ. Проведено численное моделирование квазистационарного режима работы камеры сгорания газотурбинной установки с учетом химических реакций. В результате расчетов получено распределение газодинамических параметров в рассматриваемой области газотурбинной установки, выявлена неравномерность профиля температуры на выходе из камеры сгорания, определено распределение температуры в конструктивных элементах камеры.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: камера сгорания, газотурбинная установка, математическое моделирование, гидромеханика, теплопередача.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование распределения газодинамических и тепловых параметров реагирующих компонентов в ответственных узлах энергетических установок представляет интерес с точки зрения выявления слабых мест в элементах конструкции. Анализ полученных результатов позволяет спроектировать узлы, обеспечивающие стабильное пламя, снизить вероятность попадания пламени в зону смешения компонентов, получить необходимое распределение параметров смеси на выходе из камеры сгорания.
Важным звеном в процессе расчета реагирующих сред является модель горения. От выбора существенным образом зависят результаты численного моделирования, поскольку процесс горения оказывает немалое влияние на температуру и состав смеси. Особенно тщательно к выбору модели горения стоит подходить при расчете турбулентных потоков компонентов, к которому можно отнести большинство режимов работы современных энергетических установок.
Для моделирования горения горючего и окислителя на сегодняшний момент выделяют несколько подходов, базирующихся на выборе количества рассчитываемых реакций и определении скорости химического взаимодействия компонентов [1, 2]. Так, процесс горения приближенно можно описать одной брутто-реакцией, несколькими основными реакциями или полным известным механизмом взаимодействия компонентов. В свою очередь, скорость протекания реакции может быть бесконечной, рассчитываемой по закону Аррениуса или на основании локальных турбулентных характеристик течения (Eddy Dissipation Model). Отдельным классом выделяется flamelet модель [3 - 5], позволяющая на основании заранее рассчитанных одномерных диффузионных пламенах с разным соотношением избытка окислителя рассчитывать сложные химические взаимодействия с использованием множества одновременно протекающих реакций. При этом хорошо проработаны вопросы горения легких углеводородов: метана, пропана, бутана [1, 2, 6]. В этом случае отсутствует необходимость разрешать сложную химическую кинетику во время газодинамического расчета, поскольку температура и состав смеси определяются по заранее составленным библиотекам взаимодействия компонентов.
Таким образом, современное развитие средств численного моделирования позволяет рассчитывать процесс горения природного газа, основу которого составляет метан, и воздуха с учетом основных известных протекающих реакций с помощью модели flamelet.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Течение газообразных горючего, окислителя и продуктов сгорания описывалось осредненной по Фавру системой уравнений Навье-Стокса [7]
М+М] _ 0, (1)
д1
д{ри1)
а
дг
ЗЖ:
дх, дх .
(м + м()
ди,
дх
д(рН) , д(рНи] )=др |
дг дх. дг дх
1
д
(
(Л + Л)
дТ
дх
+ Qr + Qc
(2)
(3)
1 у
где уравнения (1), (2) и (3) - уравнения неразрывности, сохранения количества движения и сохранения энергии соответственно; Qr - источниковое слагаемое от воздействия радиации, Qc - источниковое слагаемое от химических реакций.
Система уравнений дополняется уравнением состояния идеального газа
Р _РТ. (4)
Для замыкания исходной системы использовалась к-ю SST модель турбулентности
[8, 9]
д(рк) 1 д(ркп] )= д {(М
дг
■ + -
дх
д(рео) , д(раи ] )_ д (( м
дг
- + -
дх
дх
дх1
Л
Лдк Л
\\
а
к 3 у дх] у
а
да
»3 Удх1- у
+ (1 - р1 )2р
_ 1
+ Рк-врка дк да
(5)
а
п. п. +а3~ГРк-&ра . (6)
аа2а дх] дх] к
I _ ~ Iй2,X,).
Доля смеси
где уравнения (5) и (6) - уравнения переноса кинетической энергии и частоты турбулентности соответственно.
Турбулентное горение рассчитывалось с помощью йате^ модели [3 - 5]. Массовые доли компонентов определялись с помощью йате^ библиотеки по рассчитанным доле
смеси ( Z ), вариации доли смеси ( Z ''2) и скалярной скорости диссипации ( Х^ )
(7)
(8)
(9) (10)
) , )_ д ((
■ +
дг дх1 дх1
м +
Лд.I Л
Вариация доли смеси
дрг-) , ф1"2~)"
дг
дх,-
дх,-
Л
а
дх
. у ^ 1 у
м +
\\
] ] Скалярная скорость диссипации
Мг
а^2 у
а!''2 Л
дх
+ 2
1 у
а
л 2
дх, V 1 у
РХ
8
Х _ Сх -к2"'.
Излучение учитывалось с помощью модели Р1 [10]. Спектральный тепловой поток от излучения определялся
1
* _-3(Кау -к„)-АКV , (11)
где Кау - коэффициент поглощения, К^ - коэффициент рассеяния, Оу - случайное излучение, рассчитываемое по формуле
дх,
dG„
3(Kav - Ksv)-AKSV дх
= Kav (Ebv - Gv),
(12)
j У
где ЕЬу - энергетический спектр излучения абсолютно черного тела. В твердом теле решалось уравнение сохранения энергии
дТ д
dt дх,.
л, ^
дх. v j У
(13)
где ps - плотность, C, - теплоемкость, Л - теплопроводность и Ts - температура твердого
тела.
Условия равенства тепловых потоков и температур на границе твердого тела и газа описываются ~fd = qsld и Tfld = Tsld со°тветственн°.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Изначальная конструкция камеры сгорания и три предложенные модификации представлены на рис. 1.
д
1
в
г
д
Рис. 1. Исследуемые конструкции камеры сгорания: а -модель №1; б -модель №2 (с дополнительным «капюшоном»); в -модель №3 (с оребрением камеры со стороны тракта вторичного подвода воздуха); г -модель №4 (смещенные отверстия); д -форсунка в разрезе
Для снижения временных затрат на расчеты при возможности исследовалась только часть области, обладающая условиями периодичности.
Горючим и окислителем являлись смесь углеводородов и воздуха соответственно, состав которых представлен в табл. 1.
б
а
Таблица 1
Массовые доли компонентов горючего и окислителя
Горючее СН4 С2Н6 С3Н8 N2 СО2
0,971161 0,0110919 0,0027114 0,0120779 0,0029579
Окислитель N2 О2
0,767 0,233
Свойства материала стенки камеры сгорания составляли: плотность 7800 кг/м , теплоемкость 430 Дж/кг/К, теплопроводность 25 Вт/м/К.
В модели горения использовался механизм С1-С4 [6], включая образование N0^ В область камеры сгорания окислитель подавался с температурой торможения 726 К и расходом 1,1 кг/с. Подача горючего осуществлялась с температурой 288 К и суммарным расходом 0,012 кг/с. На выходной границе расчетной области задавалось давление 0,5 МПа. При расчетах только симметричной части модели отброшенная часть заменялась периодическими граничными условиями.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Одной из целей оптимизации конструкции камеры сгорания являлось обеспечение требуемой неравномерности поля температур на выходе КС (Ттах - Ттш)/Татега^ < 0,05.
Ниже приведены скоростные и температурные поля в камере сгорания на квазистационарном режиме работы (см. рис. 3 - 7).
б
Рис. 3. Линии тока компонентов с закраской по модулю скорости: а -модель №1; б - модель №2; в - модель №3; г - модель №4
а
в
г
Temperature Plane 2
"2.30US+U3
■ 1,797e+Q3 rirV ■ /1
1 294e+03
■ 7.910e+02
_ [KI - 2.8806+02 Ш?"
а б
Рис. 4. Поля температур модели №1: а -в продольном сечении камеры; б - в сечении А; в - в сечении В
а б
Рис. 5. Поля температур модели №2: а -в продольном сечении камеры; б - в сечении А; в - в сечении В
а б
Рис. 6. Поля температур модели №3: а -в продольном сечении камеры; б - в сечении А; в - в сечении В
а б
Рис. 7. Поля температур модели №4: а -в продольном сечении камеры; б - в сечении А; в - в сечении В
в
в
в
в
Максимальная температура в камере сгорания, средняя температура и неравномерность профиля температуры в выходном сечении приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры в камере сгорания
№1 (исходная) №2 (капюшон) №3 (оребрение) №4 (смещенные отверстия)
Максимальная температура в камере 2300 2350 2334 2320
Средняя температура на выходе 1159 1157 1158 1150
(Ттах " ТттУТауегайе на выходе 0.120 0.071 0.050 0.099
Из рисунков видно, что введение «капюшона» на внутренней стенке КС приводит к резкому изменению направления потока ПС, что способствует лучшему перемешиванию ПС со вторичным воздухом (рис. 5), вследствие чего поле температур на выходе из КС становится более равномерным, чем в исходной конфигурации.
Введение оребрения по каналу подвода воздуха приводит к тому, что температура вторичного воздуха, поступающего в КС под «капюшоном» (рис. 6), оказывается на 20 - 30 градусов выше, чем в исходной конфигурации, что также приводит к выравниванию поля температур на выходе из КС.
Изменение расположения отверстий вторичного подвода воздуха приводит к увеличению высокотемпературной зоны (рис. 7), но в то же время способствует более интенсивному перемешиванию ПС первичной зоны горения со вторичным воздухом, вследствие чего неравномерность поля температур на выходе КС также понижается.
Из табл. 2 видно, что требуемой неравномерности поля температур на выходе камеры сгорания ((Ттах - Ттт)/Тауега^ < 0,05) удается добиться за счет введения оребрения стенки КС в воздушном канале. Объясняется это тем, что оребрение выступает в качестве дополнительного инструмента по выравниванию поля температур в камере и в охлаждающем тракте посредством интенсификации теплообмена за счет увеличенной площади поверхности.
ВЫВОДЫ
В результате расчетов выявлены распределения газодинамических и тепловых параметров в камере сгорания газотурбинной установки с различной конфигурацией узлов, оценено распределение параметров по выходному сечению камеры. Показано, что добиться требуемой неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания можно за счет подогрева вторичного воздуха при помощи оребрения.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках комплексного проекта «Создание производства модельного ряда микротурбинных энергоустановок нового поколения» по договору № 02.G25.31.0078 от 23.05.2013 г. между Министерством образования и науки Российской Федерации и Открытым акционерным обществом специальным конструкторским бюро «Турбина» в кооперации с головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and numerical combustion. Erdwards. 2005. 540 p.
2. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / под ред. П.А. Власова. М. : Физматлит, 2006. 352 с.
3. Muller C.M., Breitbach H., Peters N. Partially premixed turbulent flame propagation in jet flames // 25th Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, 1994. P. 1099-1106.
4. Pitsch H., Chen M., Peters N. Unsteady flamelet modeling of turbulent hydrogen-air diffusion flames // 27th Symposium (International) on combustion. The Combustion Institute, 1998. P. 1057-1064.
5. Pitsch H., Peters N. A consistent flamelet formulation for non-premixed combustion considering differential diffusion effects // Combustion and flame. 1998. V. 114 P. 26-40.
6. Heghes C.I. C1-C4 Hydrocarbon Oxidation Mechanism. Doctoral dissertation. The Rupertus Carola University of Heidelberg, Germany, 2006, 117 p.
URL: http://www.iwr.uni-heidelberg.de/groups/reaflow/Diss/Heghes.pdf (дата обращения 03.07.2013).
7. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М. : Физматлит. 2008. 368 с.
8. Wilcox D.C. Turbulence modelling for CFD. 1994. 477 p.
9. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. V. 32, № 8. P. 1598-1605.
10. Modest M.F. Radiative heat transfer. Academic Press, 2003. 822 p.
A GAS DYNAMICS AND HEAT TRANSFER SIMULATION IN THE COMBUSTION CHAMBER OF THE GAS TURBINE POWER PLANT
Karpov A.I., Korepanov M.A., *Salich V.L., Shaklein A.A.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia *South Ural State University (NRU), Chelyabinsk, Russia
SUMMARY. A numerical simulation of a steady-state regime of the gas turbine power plant combustion chamber taking into account chemical reactions has been carried out. Gas-dynamics parameters in the region considered have been obtained, temperature profile irregularity at the combustion chamber outlet has been evaluated, temperature distribution in power plant structural elements has been shown.
KEYWORDS: combustion chamber, gas turbine power plant, mathematical simulation, fluid mechanics, heat transfer.
Карпов Александр Иванович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физико-химической механики ИМ УрО РАН, тел. (3412) 20-34-76, e-mail: karpov@udman.ru
Корепанов Михаил Александрович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: kma@udman.ru
Салич Василий Леонидович, кандидат технических наук, докторант, научный сотрудник Управления научной и инновационной деятельностью, Южно-Уральского государственного университета, е-mail: salich_vls@mail.ru
Шаклеин Артем Андреевич, младший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. +7-909-714-50-42, e-mail: mx. oryx@gmail. com
