CC BY
1СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ, СТАТИСТИКА
УДК 621.436.038 DOI https://doi.org/10.38161/1996-3440-2024-4-49-58
Л. Г. Вайнер, М. Н. Нагоркин, И. Е. Фоменко
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
Вайнер Л. Г. - д-р техн. наук, профессор Высшей школы промышленной инженерии, ТОГУ, г. Хабаровск, e-mail: [email protected]; Нагоркин М. Н. - д-р техн. наук, заведующий кафедрой техносферной безопасности, БрГТУ, г. Брянск, e-mail: [email protected]; Фоменко И. Е. - магистрант Высшей школы промышленной инженерии, ТОГУ, г. Хабаровск, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрена возможность управления качеством процесса смесеобразования в камере сгорания газотурбинной установки, при котором управляющими входными характеристиками являются переменные конструктивные параметры. На основе анализа методов оптимизации процессов в камере сгорания газотурбинных установок были выбраны способы совершенствования ее конструкции. При создании трехмерной сеточной модели камеры сгорания использовался метод масштабирования существующих эскизов продольных разрезов двигателя, были введены допущения и упрощения, не оказывающие существенного влияния на исследуемые характеристики. В результате проведенных компьютерных экспериментов по анализу выходных характеристик потока газовой смеси на примере существующей конструкции газотурбинной установки доказана эффективность предложенной модернизации камеры сгорания.
Ключевые слова: камера сгорания, газотурбинная установка, моделирование, управление, завихритель, смесеобразование.
Введение
Современная энергетика и авиация неразрывно связаны с развитием и совершенствованием газотурбинных установок (ГТУ), которые являются одним из наиболее эффективных средств преобразования тепловой энергии в механическую работу. Одной из ключевых составляющих ГТУ является камера сгорания (КС), где происходит процесс сжигания топлива и выделение энергии. Качество смесеобразования в КС существенно влияет на эффективность
© Вайнер Л. Г., Нагоркин М. Н., Фоменко И. Е., 2024
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
сжигания топлива, выбросы вредных веществ и общую надежность работы двигателя. Вместе с тем особенностью КС как элемента двигателя является сложность прогнозирования поведения смеси, предварительного анализа протекающих процессов и расчётов их характеристик. Это объясняется большим количеством одновременно протекающих в ней рабочих процессов и низкой степенью изученности некоторых из них. В результате, большинство существующих КС были созданы на основе большого числа натурных экспериментальных исследований, выполненных как при проектировании, так и при доводке разрабатываемой модели.
Традиционные КС ГТУ, широко используемые в промышленности и авиации, характеризуются определенными ограничениями, связанными с неравномерностью смесеобразования, нестабильностью горения и высокими уровнями выбросов оксидов азота и углерода [1]. Эти проблемы требуют применения новых подходов и технологий для улучшения характеристик смесеобразования.
Актуальность исследования процессов смесеобразования в КС ГТУ обусловлена несколькими ключевыми факторами. Во-первых, необходимостью повышения энергетической эффективности, что требует разработки новых технологий, которые обеспечат более полное и равномерное сжигание топлива. Это, в свою очередь, приводит к снижению удельного расхода топлива и увеличению коэффициента полезного действия установки. Во-вторых, ужесточением экологических норм и стандартов, направленным на снижение выбросов вредных веществ в атмосферу, что требует разработки решений, которые позволят уменьшить выбросы оксидов азота и углерода, формирующихся в процессе горения.
Развитие компьютерных технологий и методов численного моделирования открывает новые горизонты для исследования и оптимизации процессов в КС [2-3]. Математическое и цифровое моделирование позволяют более детально изучить влияние различных параметров, таких как геометрия камеры, условия подачи топлива и характеристики аэродинамического потока, на процесс смесеобразования и горения [4-5]. Это позволяет не только повысить точность прогнозирования характеристик камеры сгорания, но и разработать новые конструкции, которые обеспечат более полное смесеобразование топлива, что приведет к более стабильному и эффективному сжиганию топлива.
Таким образом, изучение рабочего процесса в КС и рассмотрение основных факторов, влияющих на смесеобразование топлива, с возможностью усовершенствования данного процесса, является актуальной задачей, решение которой имеет важное значение для повышения эффективности и экологической безопасности наземных ГТУ.
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
Цель данного исследования - совершенствование смесеобразования на основе инженерного анализа поведения потоков газовой смеси при модернизации отдельных конструктивных элементов.
Задачи: разработать модель КС традиционной ГТУ; предложить конструкторские решения по совершенствованию КС; на основе численного моделирования аэродинамических процессов провести инженерный анализ и оценить эффективность управления выходными характеристиками процесса смесеобразования за счет рациональных вариаций входных конструктивных параметров.
Стратегия управления процессом смесеобразования
На рис. 1 приведена структурно-параметрическая модель управления процессом смесеобразования в КС ГТУ.
Рис. 1. Структурно-параметрическая модель управления смесеобразованием в КС ГТУ Здесь:
Z - массив условно постоянных параметров процесса, включая физико-химические характеристики среды, стационарные конструктивные элементы КС, физико-механические характеристики конструктивных элементов КС и др.;
X - массив управляющих варьируемых входных параметров, включая распределение давлений, температур и скоростей в потоке на входе в КС, варьируемые конструктивные элементы КС и др.;
У - массив выходных параметров, включая распределение давлений, температур и скоростей вдоль траектории движения потоков, физико-химические характеристики газовой смеси на выходе из КС и др.
Ау - отклик выходного параметра у на направленное изменение Ах варьируемого входного параметра х.
В качестве входного управляющего параметра в данной работе был принят X1 - угол наклона лопаток завихрителя.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
В качестве выходных параметров качества смесеобразования были приняты: У1 - распределение скорости потока по длине камеры сгорания, У2 - неравномерность температурного поля на выходе из жаровой трубы.
3Б модель камеры сгорания
При построении трехмерной модели КС использовался базовый пакет программы SoПdWorks [6]. Поскольку излишняя детализация, присутствующая в исходных эскизах и чертежах КС, при её переносе в 3D модель усложняет в дальнейшем построение сеточной модели и увеличивает объем затрачиваемых вычислительных ресурсов, было выполнено упрощение исходной геометрии КС, связанное с удалением малозначимых конструктивных элементов, не влияющих существенным образом на рабочий процесс в КС [3] в контексте данного рассмотрения.
Смесеобразование в КС во многом определяется конструкцией завихри-теля фронтового устройства. В исследуемой конструкции КС используется радиальный одноканальный завихритель воздуха, предназначенный для качественного перемешивания воздуха и основной массы топлива в головном сечении жаровой трубы, где вследствие центробежного эффекта закрученного потока и дополнительного подвода первичного воздуха имеет место интенсивное турбулентное перемешивание компонентов, метана и воздуха.
На рис. 2 представлены трехмерные модели КС (рис. 2, а) и завихрителя с исходным углом наклона лопаток 15° (рис. 2, б).
Рис. 2. 3D модели исходных КС и завихрительного устройства.
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА СМЕ СЕОБРАЗОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
Построение сеточной модели и определение граничных областей
Генерирование сеточной структуры исследуемого объекта является важной частью компьютерного инженерного моделирования, а её качество определяет точность, сходимость и скорость получения решения. При создании конечно-элементной сетки КС были выделены 3 зоны с различной степенью дискретизации (рис. 3). Следует отметить, что более мелкое дробление ячеек приходится на области, в которых следует ожидать более интенсивное изменение характеристик потоков и которые содержат более мелкие конструктивные элементы.
Положение граничных зон лучше определить на этапе генерирования сетки, хотя их тип может быть изменён позднее при задании граничных условий.
Под граничными зонами в контексте исследуемого объекта будем понимать поверхности входа и выхода рабочего тела из расчётной области, а также непроницаемые боковые стенки КС.
Принятые граничные параметры на входе в расчетную область [5]: для воздуха - давление р=0,4 МПа, температура 7=410 К, скорость движения воздуха после компрессора и=120 м/с, концентрация воздуха относительно второго компонента - метана равна 1; для метана - давление р=0,5 МПа, температура 7=840 К, при этом форсунка представлена в виде упрощенной газовой горелки; параметры окружающей среды на выходе из КС - давление р=0,1 МПа, температура 7=293 К.
Рис. 3. Выделение зон сетчатой структуры КС для последующего инженерного анализа
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
Моделирование аэродинамических процессов, протекающих в КС, при варьировании конструктивных управляющих параметров
Переменным конструктивным параметром при моделировании является угол наклона лопаток завихрителя в диапазоне от 15° до 30°.
В качестве критериев оценки качества процессов смесеобразования приняты параметры распределения скоростей частиц потока и степени неравномерности температурного поля на выходе из КС.
В результате компьютерного эксперимента, выполненного в программном комплексе SW Flow Simulation, получены скоростные поля при трех вариантах конструктивного исполнения лопаток с углами наклона 15° (рис. 4, а), 20° (рис. 4, б) и 30° (рис. 4, в).
В ходе анализа полученных скоростных полей было установлено, что при увеличении угла лопаток завихрителя с 15° до 20 ° в первичной и вторичной зоне горения осевая скорость потоков увеличивается, происходит расширение поля повышенной скорости после завихрителя. Такой процесс приводит к более интенсивному взаимодействию воздушного потока с метаном в первичной зоне горения. Более равномерное и интенсивное перемешивание двухкомпо-нентной смеси способствует оптимальным условиям горения, снижению локальных зон обогащения и полному сгоранию топлива [7]. При увеличении угла лопаток с 20° до 30° ширина скоростного поля после завихрителя становится меньше, начиная с определенного расстояния (~320 мм) от входа в КС скорость потока уменьшается, в остальных зонах существенного изменения скоростных параметров не наблюдается.
Рис. 4. Поля осевых скоростей частиц смеси в КС с углом установки лопаток завихрителя: 15° (а); 20° (б); 30° (в).
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
Для наглядного сравнения скоростных полей на рис. 5 представлен график зависимости осевых скоростей по длине КС при разных углах установки лопаток завихрителя.
100 90 80 70 60 s 50 40 30 20 10 0
190 270 320 408
L, JV1M
град ^^—20 град ^^—30 град
Рис. 5. Зависимость осевой скорости потока по длине КС
Другим оценочным критерием качества процессов сгорания топлива и перемешивания продуктов сгорания с воздухом является параметр степени неравномерности температурного поля на выходе из КС. Результаты расчета тепловых полей для оценки неравномерности распределения температур представлены на рис. 6.
в)
Рис. 6. Температурные поля в КС с углом установки лопаток завихрителя: 15° (а); 20° (б); 30° (в).
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
Показатель температурной неравномерности на выходе из жаровой трубы определяется для различных углов установки лопаток завихрителей по следующей зависимости
(T - T )
Ав = ^^-seZ 100,
T
mid
где Tmax, Tmin, Tmid - максимальная, минимальная, средняя температура потока на выходе из жаровой трубы.
Зависимость температурной неравномерности от угла установки лопаток завихрителя а представлена на рис. 7.
Рис. 7. Зависимость температурной неравномерности от угла установки лопаток завихрителя
Из анализа температурной неравномерности следует, что наименьший критериальный показатель Д0=32,17ОС соответствует углу установки лопаток а=20°, а наибольший Д0=49,57°С - углу а=30°.
Выводы
На основании анализа двух критериальных показателей - распределения скоростей потоков и температурной неравномерности, определен оптимальный угол установки лопаток завихрителя а=20°. Этот угол обеспечивает наилучшее соотношение между эффективностью перемешивания топливной смеси и минимизацией температурных неравномерностей потоков, что способствует улучшению процессов горения и снижению выбросов вредных веществ.
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА СМЕ СЕОБРАЗОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
Таким образом, доказано, что одним из входных управляющих параметров для совершенствования процесса смесеобразования в камере сгорания газотурбинной установки может являться такой конструктивный параметр как угол установки лопаток завихрительного устройства. Разработанную методику оценки качества смесеобразования по скоростным и температурным показателям с применением CAD-CAE пакета можно рекомендовать к применению, совершенствуя ее в направлении более точного описания геометрии камеры сгорания и физического процесса горения смеси.
Библиографические ссылки
1. Лефевр А. Н. Процессы в камерах сгорания ГТД : пер. с англ. М. : Мир, 1986. 566 с.
2. Калашников А. А., Никитович Н. В., Турчанов А. М. Расчет эмиссии авиационных двигателей // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2014. Т. 1. С.219-220.
3. Калашников А. А., Кучкин А. Г. Совершенствование процесса смесеобразования в ГТД // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2016. Т. 1. С. 962963.
4. Tret'yakov V.V., Sviridenkov A.A., Toktaliev P.D. Simulation of flow and mixture formation nonstationarity in combustion chambers // Russian Aeronautics. 2013. Т. 56, N° 1. С. 44-49.
5. Численное исследование процессов в камере сгорания ГТД / Матвеев С. Г., Орлов М. Ю., Матвеев С. С. и др. URL: http://repo.ssau.ru/handle/Uchebnye-izdaniya/Chislennoe-issledovanie-processov-v-kamere-sgoraniya-GTD-Elektronnyi-resurs-elektron-ucheb-posobie-2616?mode=full (дата обращения: 10.03.2024).
6. Алямовский А. А. SOLIDWORKS Simulation и FloEFD. Практика, методология, идеология. М. : ДМК Пресс, 2018. 658 с.
7. Ершова Е. А., Новиков И. Н. Вихревые сильно закрученные потоки и их применение в предкамерах малотоксичной камеры сгорания газотурбинного двигателя // Идеи К. Э. Циолковского в контексте современного развития науки и техники : материалы 53-х Научных чтений памяти К. Э. Циолковского, [Калуга, 18-19 сент.]. Калуга : Политоп, 2018. С. 201-202.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 4 (75)
BECTHHK TOry. 2024. № 4 (75)
Title: Quality Control of the Mixture Formation Process in the Combustion Chamber of a Gas Turbine Unit Based on its Information Model
Authors' affiliation:
Vainer L. G. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Fomenko I. E. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Nagorkin M. N. - Bryansk National Technical University, Bryansk, Russian Federation
Abstract: In the article, the authors consider the possibility of controlling the quality of the mixture formation process in the combustion chamber of a gas turbine unit, in which the control input characteristics are variable design parameters. Based on the analysis of the methods for optimizing processes in the combustion chamber of gas turbine units, methods for improving its design have been selected. When creating a three-dimensional grid model of the combustion chamber, a method of scaling existing sketches of longitudinal sections of the engine has been used, assumptions and simplifications have been introduced that do not have a significant effect on the characteristics under study. The effectiveness of the proposed modernization of the combustion chamber has been proven as a result of computer experiments on the analysis of the output characteristics of the gas mixture flow using the example of the existing design of the gas turbine unit.
Keywords: combustion chamber, gas turbine plant, modeling, control, swirler, mixture formation.
