Abstrakt
Účelem tohoto článku je provést experimentální výzkum emisí nebezpečných látek na výstupu ze simulované spalovací komory. Experiment byl proveden v simulované spalovací komoře. Spalovací komora zahrnovala hořákové zařízení; systém přívodu kapalného paliva a plamenovou trubici se dvěma řadami směšovacích otvorů a jednou řadou chladicích otvorů. Provozní režim spalovací komory byl = 0,435, = 423 K a atmosférický tlak. Rychlost spalování kapalného paliva byla 0,77 g/s. Tlakový poměr ve spalovací komoře zůstal konstantní na = 3 %. Byly použity dva druhy paliva: letecký petrolej ruské značky TS-1 a náhradním palivem byla směs n-dekanu (C10H22) s příměsí benzenu (C6H6). Přídavky benzenu činily 5 % až 30 % (n-dekan/benzen: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 a 70/30).
1. Úvod
Spalovací komora je jednou z hlavních částí motoru s plynovou turbínou, která určuje jeho emisní charakteristiky. V současné době se problematika emisí plynových turbínových motorů řeší především pomocí semiempirických výpočtů a prototypového experimentálního vývoje. Tento přístup je pracný a poskytuje málo informací o procesech uvnitř komory, což znemožňuje implementaci norem ICAO.
Moderní techniky navrhování a ladění spalovacích komor motorů s plynovou turbínou by měly využívat výpočetní dynamiku tekutin (CFD). Výpočty CFD by měly být založeny na současném řešení rovnic dynamiky plynu a podrobné chemické kinetiky. Při současné úrovni výpočetního výkonu se řešení těchto problémů v nejbližších desetiletích nezdá být možné. Dalším řešením by mohlo být využití hybridních metod. Hybridní metoda má řešit každý problém zvlášť a poté je spojit do jediného algoritmu. Simulace chemické kinetiky není myslitelná bez použití podrobných a redukovaných mechanismů reakcí. K vypracování kinetických mechanismů je nutné znát přesné složení výchozího paliva. Hlavním typem paliva pro motory s plynovou turbínou je letecký petrolej. Kerosin se skládá z desítek samostatných uhlovodíkových složek. Jeho složení se může lišit v závislosti na surovinách a výrobci. Numerická simulace vyžaduje směs složenou ze známých složek a obsahující omezený počet chemických složek. Tyto směsi se nazývají náhražky. Náhražka by měla reprodukovat hlavní vlastnosti skutečného paliva.
Podrobný kinetický mechanismus oxidace náhražky by měl napodobovat základní chemické vlastnosti petroleje. Redukované mechanismy se používají pro výpočet dynamiky plynů a měly by identicky popisovat fyzikální vlastnosti kerosinu a také přesně předpovídat rozložení teploty a koncentraci rekuperovaného paliva ve spalovací komoře.
Pro vývoj hybridních metod CFD simulace ekologických vlastností spalovací komory je nutné vyřešit dva hlavní problémy: (1) Přizpůsobení náhradního leteckého kerosinu. Náhražka by měla správně reprodukovat chemické nebo fyzikální vlastnosti kerosinu. 2)Vypracování podrobných a redukovaných mechanismů oxidace náhražky.
Řešení těchto problémů (společně nebo v kombinaci) by mohlo poskytnout pevný základ pro vývoj hybridní metody. Tento výzkum se zaměřil na řešení prvního problému.
2. Náhražka petroleje
Všechny složky komplexních paliv lze rozdělit do několika strukturních tříd. Jsou to alkany (nasycené uhlovodíky s lineární nebo rozvětvenou strukturou), alkeny (uhlovodíky s dvojnou vazbou), cykloalkany (nasycené uhlovodíky obsahující kruh) a aromatické uhlovodíky (molekuly obsahující benzenové kruhy) . Tabulka 1 představuje průměrné složení některých leteckých paliv . Větší část paliva tvoří alkany: jejich celkové množství dosahuje 65 % a spolu s cykloalkany tvoří 79-97 %. Značný podíl (až 20 %) tvoří aromatické uhlovodíky. Naproti tomu koncentrace alkenů v palivu je zanedbatelná.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Několik prací navrhuje velké množství náhražek leteckého petroleje Jet-A, který se běžně používá v USA. Jet-A je analogický ruskému petroleji TC1. Výše uvedené práce uvádějí kinetické mechanismy simulace vznícení a hoření těchto náhražek. Nejjednoduššími náhradními palivy jsou monopropelanty. Autoři simulovali hoření Jet-A s n-dekanem jako náhradou. Cooke a spol. použili n-dodekan ke stejnému účelu a prokázali důležitou roli alkylhydroperoxidových radikálů při pomalé oxidaci uhlovodíků.
Jelikož petrolej obsahuje až 20 % aromatických uhlovodíků, které mají své specifické vlastnosti v oxidační kinetice, je nutné tyto složky do náhradního substrátu zahrnout. Za možné varianty lze považovat následující aromatické sloučeniny: benzen, toluen, trimethylbenzen, n-propylbenzen, n-butylbenzen a další. Lindstedt a Maurice numericky ukázali, že strukturu plamene petroleje lze s přiměřenou přesností popsat náhradou: 89 % n-dekanu a 11 % aromatických uhlovodíků (benzen, toluen a ethylbenzen).
Většina prací o náhradách se zabývá studiem a porovnáváním jejich základních vlastností: rychlosti laminárního plamene, doby zpoždění vzplanutí atd. Tento výzkum porovnával produkty hoření petroleje a jeho náhražky při hoření v reálném zařízení. Náhražka se skládala z n-dekanu a benzenu v různých poměrech: 100 % n-dekanu, 95/5 %, 90/10 %, 85/15 %, 80/20 % a 75/25 % n-dekanu/benzenu.
3. Experimentální uspořádání
Experiment byl proveden v simulované spalovací komoře (obr. 1), která má hořákové zařízení, systém přívodu kapalného paliva a plamenovou trubici se dvěma řadami směšovacích otvorů a jednou řadou chladicích otvorů. Provozní režim spalovací komory byl = 0,435, = 423 K a atmosférický tlak. Rychlost spalování kapalného paliva je 0,77 g/s. Tlakový poměr ve spalovací komoře, který zůstal konstantní na = 3 %. je celkový tlak na vstupu do spalovací komory (konst); je celkový tlak na výstupu ze spalovací komory (konst).
Experimentální zkoušky byly provedeny na vysokoteplotním experimentálním zařízení se simulovanou spalovací komorou. Experimentální sestava nese průtokoměr vyrobený společností SMC, pneumatickou škrticí klapku se zpětnými ventily, hmotnostní průtokoměry/regulátory řady EL-FLOW® vyrobené společností Bronkhorst High-Tech, systém přívodu kapalného paliva a ohřívač vstupujícího vzduchu. Celkový pohled na vysokoteplotní sestavu připojenou k palivovému potrubí a vzduchovému potrubí je uveden na obrázku 2.
Pro vyrovnání rychlostního pole je na vstupu ohřívače umístěno vyrovnávací zařízení. Pro hlavní přívod paliva je k dispozici čerpací systém. Pro náhradní přívod paliva je k dispozici systém tlakového přívodu. Systém tlakového přívodu se skládá z následujících částí: palivová nádrž (10 litrů), systém natlakování palivové nádrže a doplňování paliva a jemný filtr pro kompozitní pohonné hmoty.
Systém řízení vysokotlakého čerpadla umožňuje měnit výstupní tlak v rozmezí 0,4 až 1,5 MPa při průtoku nejméně 250 l/h.
Složení produktů spalování bylo stanoveno kontaktní technikou na základě odběru vzorků sondou. Tato metoda je v současné době nejrozvinutější a je široce používána v experimentální praxi.
Vzorkovací linka (obr. 6) se skládá ze vzorkovače (1), Richterova absorbéru (2), čerpadla (3) zabudovaného do analyzátoru SICKGMS-810 (4), Segerových pipet (5) a plynoměru GSB-400 (6). GSB-400 se používá k odhadu objemu , M3 a průtoku , M3/c odebraných plynů.
Vzorek – z místa odběru do Segerových pipet – byl čerpán čerpadlem zabudovaným do analyzátoru SICKGMS-810. Vzorek byl čerpán pomocí čerpadla zabudovaného do analyzátoru. Tato konfigurace vzorkovacího potrubí umožnila současné čerpání vzorku přes Segerovy pipety a jeho odvodnění a analýzu.
Během odběru vzorků byly spaliny čerpány přes Segerovy pipety průtokem M3/c o objemu rovnajícím se 20 objemům pipet. Získané vzorky plynu byly analyzovány pomocí plynové chromatografie. Odběr vzorků se prováděl na výstupu ze simulované spalovací komory. V tabulce 2 jsou uvedeny počáteční podmínky pro jednotlivé experimentální případy.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pro každý experiment bylo provedeno 8 odběrů. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Výsledky
Experimentální výzkum vedl k získání vztahu mezi hmotnostním podílem CO2, CO, nespálených uhlovodíků (CnHm), O2, H2, H20, N2 a procentuálním podílem benzenu v surogátu (obr. 3-12). Na těchto obrázcích jsou také uvedeny výsledky analýzy pro vzorky spalování petroleje.
Předložené obrázky ukazují, že produkty hoření petroleje neodpovídaly žádnému z případů hoření směsi. Průměrná teplota na výstupu ze spalovací komory byla ve všech případech směsi stejná. Účinnost spalování se však zvyšovala s rostoucím obsahem benzenu ve směsi. Účinnost spalování byla vypočtena jako poměr entalpie počáteční směsi a entalpie produktů nedokonalého spalování. je entalpie směsi (benzen/n-dekan/vzduch); je entalpie produktů spalování.
Směs složená z benzenu a n-dekanu má nižší teplotu vypařování než petrolej. Zvýšené množství benzenu ve směsi snižuje teplotu vypařování. Použití směsi proto zlepšuje rozprašovací a odpařovací vlastnosti paliva. To vedlo k účinnějšímu spalování a lepší účinnosti spalování a nezměnilo průměrnou teplotu na výstupu a ve spalovací komoře. Obrázek 11 ukazuje, že osa teploty ve spalovací komoře se neliší o více než 15°. V blízkosti stěny se teplota liší o více než 170°. Tato skutečnost ukazuje na změnu dynamické struktury proudění plynu uvnitř spalovací komory. Dynamika plynu pro petrolej a náhradní látku je odlišná. Pro přesnější předpověď produktů spalování by měl být náhradní produkt doplněn složkou nebo skupinou složek. Získaná směs by měla reprodukovat fyzikální vlastnosti petroleje: viskozitu a povrchové napětí kapek
5. Závěry
V tomto článku byl studován účinek přídavku benzenu do náhradní směsi. Experimentální studie byla provedena v simulované spalovací komoře. Simulovaná spalovací komora zahrnuje všechny hlavní procesy probíhající v komerčních spalovacích komorách. Bylo provedeno srovnání produktů spalování leteckého petroleje TS-1 a náhradní směsi. Studie ukázala, že použití směsi benzenu (20-30 %) a n-dekanu jako paliva poskytuje podobné hodnoty ve srovnání s petrolejem podle rozložení teplot. Účinnost spalování se rovněž zvýšila o 4 %. Emise znečišťujících látek jsou velmi rozdílné. Emise znečišťujících látek jsou velmi rozdílné, protože je velmi rozdílná dynamika plynů při spalování petroleje a směsí. Výsledky jsou základem dat pro ověření CFD modelů.
Nomenklatura
| CC: | Spalovací komora |
| CFD: | Výpočetní dynamika tekutin |
| ICAO: | Mezinárodní organizace civilního letectví |
| : | Ekvivalentní poměr |
| : | Počáteční teplota |
| : | Iniciační tlak |
| : | Hmotnostní podíl vzduchu |
| : | Hmotnostní podíl paliva. |
Konflikt zájmů
Autoři prohlašují, že nejsou ve střetu zájmů v souvislosti s publikováním tohoto článku.
Poděkování
Tato práce byla podpořena Ministerstvem školství a vědy Ruské federace v rámci realizace programu „Výzkum a vývoj na prioritních směrech vědeckotechnického komplexu Ruska na období 2014-2020“ (RFMEFI58716X0033). V těchto studiích bylo použito vybavení centra společného využití technologií CAM (RFMEFI59314X0003).
.