Abstrakt

Sigtet med dette papir er at foretage eksperimentel forskning af emissioner af farlige stoffer ved simuleret forbrændingskammerudgang. Forsøget blev udført i et simuleret forbrændingskammer. Forbrændingskammeret omfattede en brænderanordning; et system til tilførsel af flydende brændstof; og et flammerør med to rækker blandingshuller og en række kølehuller. Forbrændingskammerets driftstilstand var = 0,435, = 423 K, og det atmosfæriske tryk. Forbrændingshastigheden for flydende brændstof var 0,77 g/s. Trykforholdet i forbrændingskammeret forblev konstant på = 3 %. Der blev anvendt to typer brændstof: flykerosin af det russiske mærke TS-1 og brændstofsurrogat var n-decanblanding (C10H22) med benzentilsætninger (C6H6). Benzentilsætningerne var fra 5 % til 30 % (n-decan/benzen: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 og 70/30).

1. Indledning

Et forbrændingskammer er en af de vigtigste dele af en gasturbinemotor, der definerer dens emissionskarakteristika. På nuværende tidspunkt er problemet med emissioner fra gasturbinemotorer primært blevet løst ved hjælp af semiempiriske beregninger og ved hjælp af eksperimentel udvikling af prototyper. Denne fremgangsmåde er arbejdskrævende og giver kun få oplysninger om processerne inde i kammeret, hvilket udelukker gennemførelsen af ICAO-standarderne.

Moderne teknikker til udformning og fejlfinding af forbrændingskamre i gasturbinemotorer bør anvende computational fluid dynamics (CFD). CFD-beregninger bør være baseret på samtidig løsning af gasdynamiske ligninger og detaljeret kemisk kinetik. Med det nuværende niveau af regnekraft synes det ikke muligt at løse sådanne problemer inden for de nærmeste årtier. En anden løsning kunne være at anvende hybridmetoder. En hybridmetode skal løse hvert problem individuelt og derefter kombinere dem i en enkelt algoritme. Simulering af kemisk kinetik kan ikke tænkes uden brug af detaljerede og reducerede reaktionsmekanismer. For at udvikle kinetiske mekanismer er det nødvendigt at kende den nøjagtige sammensætning af det oprindelige brændstof. Den vigtigste type brændstof til gasturbinemotorer er flykerosin. Kerosin består af snesevis af separate kulbrintekomponenter. Dens sammensætning kan variere afhængigt af råmaterialer og producenter. Numerisk simulering kræver en blanding, der består af de kendte komponenter, og som indeholder et begrænset antal kemiske bestanddele. Disse blandinger kaldes surrogater. Et surrogat skal gengive de vigtigste egenskaber ved det virkelige brændstof.

En detaljeret kinetisk mekanisme for surrogatoxidation skal efterligne de væsentlige kemiske egenskaber ved petroleum. Reducerede mekanismer anvendes til beregning af gasdynamik og bør beskrive kerosinens fysiske egenskaber identisk samt til nøjagtigt at forudsige temperaturfordelingen og koncentrationen af genvundet brændstof i forbrændingskammeret.

For at udvikle hybridmetoder til CFD-simulering af forbrændingskammerets miljømæssige ydeevne er det nødvendigt at løse to hovedproblemer:(1)Skræddersy flykerosensurrogat. Surrogatet skal korrekt gengive kerosinens kemiske eller fysiske egenskaber.(2)Udvikling af detaljerede og reducerede mekanismer for surrogatoxidation.

Løsningen af disse problemer (sammen eller i kombination) kan danne et solidt grundlag for udvikling af en hybridmetode. Denne forskning har fokuseret på at løse det første problem.

2. Kerosensurrogat

Alle komponenter i komplekse brændstoffer kan inddeles i flere strukturelle klasser. Disse er alkaner (mættede kulbrinter med en lineær eller forgrenet struktur), alkener (kulbrinter med dobbeltbindinger), cycloalkaner (mættede kulbrinter med en ring) og aromatiske kulbrinter (molekyler, der indeholder benzenringe) . Tabel 1 viser den gennemsnitlige sammensætning af nogle flybrændstoffer . Størstedelen af brændstoffet består af alkaner: deres samlede mængde er på 65 %, og sammen med cycloalkaner udgør de 79-97 %. En betydelig del (op til 20%) udgøres af aromatiske kulbrinter. På den anden side er koncentrationen af alkener i brændstoffet ubetydelig.

I flere værker foreslås et stort antal surrogater for flykerosin Jet-A, som er almindeligt anvendt i USA. Jet-A er analogt med russisk flybrændstof TC1. Ovennævnte arbejder præsenterer kinetiske mekanismer til simulering af antændelse og forbrænding af disse surrogater. De enkleste surrogater er monopropellantbrændstoffer. Forfatterne af simulerede Jet-A-brænding med n-decan som surrogat. Cooke et al. anvendte n-dodecan til samme formål og påviste en vigtig rolle for alkylhydroperoxidradikaler i den langsomme oxidation af kulbrinter.

Da petroleum indeholder op til 20 % aromatiske kulbrinter, der har deres egne specifikke egenskaber i oxidationskinetikken, er det nødvendigt at medtage disse komponenter i surrogatet. Følgende aromatiske forbindelser kan komme i betragtning som mulige muligheder: benzen, toluen, trimethylbenzen, n-propylbenzen, n-butylbenzen og andre. Lindstedt og Maurice viste numerisk, at kerosinflammens struktur kan beskrives med rimelig nøjagtighed ved hjælp af et surrogat: 89% n-decan og 11% aromatiske kulbrinter (benzen, toluen og ethylbenzen).

De fleste arbejder om surrogater beskæftiger sig med undersøgelse og sammenligning af deres grundlæggende egenskaber: laminar flammehastighed, antændelsesforsinkelsestid osv. I denne forskning er der foretaget en sammenligning af petroleumforbrændingsprodukterne og deres surrogat under afbrænding i reelt udstyr. Surrogatet bestod af n-decan og benzen i forskellige proportioner: 100% n-decan, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20% og 75/25% n-decan/benzen.

3. Forsøgsopstilling

Forsøget blev udført i et simuleret forbrændingskammer (figur 1), som har en brænderanordning, et forsyningssystem til flydende brændstof og et flammerør med to rækker blandingshuller og en række kølehuller. Forbrændingskammerets driftstilstand var = 0,435, = 423 K, og atmosfæretrykket var = 0,435, = 423 K, og det atmosfæriske tryk. Forbrændingshastigheden for flydende brændstof er 0,77 g/s. Trykforholdet i forbrændingskammeret, der forblev konstant på = 3 %. er det samlede tryk ved forbrændingskammerets indløb (const); er det samlede tryk ved forbrændingskammerets udløb (const).

Figur 1

Simuleret forbrændingskammer.

Der blev gennemført eksperimentelle forsøg på forsøgsopstillingen med høj temperatur med et simuleret forbrændingskammer. Forsøgsopstillingen er udstyret med en flowmåler fra SMC, en pneumatisk spjæld med tilbageløbsventiler, massestrømningsmålere/regulatorer i EL-FLOW®-serien fra Bronkhorst High-Tech, et system til forsyning af flydende brændstof og en luftvarmer til indgående luft. Den generelle oversigt over højtemperaturopstillingen, der er tilsluttet brændstofledningen og luftledningerne, er vist i figur 2.

Figur 2

Generel oversigt over højtemperaturopstillingen.

For at udligne hastighedsfeltet er der en udligningsanordning ved varmelegemeindgangen. Til hovedbrændstofforsyningen er der et pumpesystem. Til surrogatbrændstofforsyningen er der et tryktilførselssystem. Tryktilførselssystemet består af følgende: en brændstoftank (10 liter), et system til tryksætning og påfyldning af brændstof i brændstoftanken og et fint filter til sammensatte drivmidler.

Højtrykspumpens styresystem gør det muligt at ændre udgangstrykket i området mellem 0,4 og 1,5 MPa ved en strømningshastighed på mindst 250 l/h.

Sammensætningen af forbrændingsprodukter blev defineret ved hjælp af kontaktteknik baseret på prøveudtagning fra sonder. Denne metode er i øjeblikket den mest udviklede og anvendes i vid udstrækning i den eksperimentelle praksis.

Prøvelinjen (figur 6) består af en prøvetager (1), en Richter-absorber (2), en pumpe (3) indbygget i SICKGMS-810-analysatoren (4), Seger-pipetter (5) og en GSB-400-gasmåler (6). GSB-400 anvendes til at estimere mængden , M3 og flowhastigheden , M3/c af prøvetagede gasser.

Proven – fra prøvetagningsstedet til Seger-pipetterne – blev pumpet med en pumpe, der er indbygget i SICKGMS-810-analysatoren. Denne konfiguration af prøveledningen tillod samtidig pumpning af prøven via Seger-pipetterne og dens dehydrering og analyse.

Under prøvetagningen blev forbrændingsprodukterne pumpet via Seger-pipetterne med en strømningshastighed på M3/c med et volumen svarende til 20 pipettevolumener. De opnåede gasprøver blev analyseret ved hjælp af gaskromatografi. Prøveudtagningen blev foretaget ved udgangen af det simulerede forbrændingskammer. Tabel 2 viser de indledende betingelser for hvert forsøgstilfælde.

4. Resultater

Den eksperimentelle undersøgelse har resulteret i opnåelse af forholdet mellem massefraktionen af CO2, CO, uforbrændte kulbrinter (CnHm), O2, H2, H20, N2 og benzenprocenten i surrogatet (figur 3-12). Disse figurer viser også analyseresultaterne for prøverne med petroleumforbrænding.

Figur 3

Sammenligning af massefraktion af CO2 for surrogatet og petroleumforbrændingen.

De præsenterede figurer viser, at petroleumens forbrændingsprodukter ikke stemte overens med nogen af tilfældene for blandingen ved forbrænding. Den gennemsnitlige temperatur ved forbrændingskammerets udgang var den samme for alle tilfælde af blandingen. Men forbrændingseffektiviteten steg med stigende benzenindhold i blandingen. Forbrændingseffektiviteten blev beregnet som forholdet mellem enthalpi af den oprindelige blanding og enthalpi af produkterne fra ufuldstændig forbrænding. er enthalpi af blanding (benzen/n-dekan/luft); er enthalpi af forbrændingsprodukter.

Blanding bestående af benzen og n-dekan har en lavere fordampningstemperatur end petroleum. Øget mængde benzen i blandingen nedsætter fordampningstemperaturen. Derfor forbedrer brugen af blandingen brændstofets sprøjte- og fordampningsegenskaber. Dette har ført til en mere effektiv forbrænding og forbedret forbrændingseffektivitet og har ikke ændret den gennemsnitlige temperatur ved udløbet og i forbrændingskammeret. Figur 11 viser, at aksen for forbrændingskammerets temperatur ikke afviger med mere end 15°. Temperaturen afviger med mere end 170° nær væggen. Dette viser også den ændrede dynamiske gasstrømsstruktur inde i forbrændingskammeret. Gasdynamikken for kerosin og surrogat er forskellig. For at opnå en mere nøjagtig forudsigelse af forbrændingsprodukterne bør surrogatet tilsættes en komponent eller en gruppe af komponenter. Den opnåede blanding bør reproducere de fysiske egenskaber ved petroleum: viskositet og dråbeoverfladespænding.

5. Konklusioner

Dette papir har undersøgt virkningen af tilsætning af benzen i surrogatblandingen. Den eksperimentelle undersøgelse blev udført i et simuleret forbrændingskammer. Det simulerede forbrændingskammer inkorporerer alle de vigtigste processer, der foregår i kommercielle forbrændingskamre. Der blev foretaget en sammenligning af forbrændingsprodukterne af TS-1 flykerosin og surrogatblandingen. Undersøgelsen har vist, at brugen af en blanding af benzen (20-30 %) og n-decan som brændstof giver lignende værdier sammenlignet med kerosin ved temperaturfordelingen. Forbrændingseffektiviteten øges også med 4 %. Emissionen af forurenende stoffer er meget forskellig. Emissionen af forurenende stoffer er meget forskellig, fordi der er en meget forskellig gasdynamik ved forbrænding af petroleum og blandinger. Resultaterne danner grundlag for data til verifikation af CFD-modeller.

Nomenklatur

Interessekonflikter

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter i forbindelse med offentliggørelsen af denne artikel.

Anerkendelser

Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for Uddannelse og Videnskab i Den Russiske Føderation inden for rammerne af gennemførelsen af programmet “Forskning og udvikling på prioriterede retninger af videnskabeligt-teknologisk kompleks i Rusland for 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). Udstyr fra CAM-teknologiens center for fælles brug (RFMEFI59314X0003) blev anvendt i disse undersøgelser.