Abstract
Der Zweck dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Schadstoffemissionen am simulierten Brennkammerausgang. Das Experiment wurde in einer simulierten Verbrennungskammer durchgeführt. Die Brennkammer umfasste eine Brennereinrichtung, ein Zufuhrsystem für flüssigen Brennstoff und ein Flammrohr mit zwei Reihen von Mischöffnungen und einer Reihe von Kühlöffnungen. Der Betriebsmodus der Brennkammer war = 0,435, = 423 K, und der atmosphärische Druck. Die Verbrennungsrate des flüssigen Brennstoffs betrug 0,77 g/s. Das Druckverhältnis in der Brennkammer blieb konstant bei = 3 %. Es wurden zwei Arten von Kraftstoff verwendet: Flugkerosin der russischen Marke TS-1 und als Kraftstoffsurrogat ein n-Dekan-Gemisch (C10H22) mit Benzolzusätzen (C6H6). Die Benzolzusätze betrugen 5 % bis 30 % (n-Dekan/Benzol: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 und 70/30).
1. Einleitung
Die Verbrennungskammer ist einer der Hauptbestandteile eines Gasturbinenmotors und bestimmt dessen Emissionsmerkmale. Bisher wurde das Problem der Emissionen von Gasturbinenmotoren hauptsächlich durch semiempirische Berechnungen und experimentelle Entwicklung von Prototypen gelöst. Dieser Ansatz ist arbeitsintensiv und liefert nur wenige Informationen über die Vorgänge im Inneren der Kammer, was die Umsetzung der ICAO-Normen verhindert.
Moderne Techniken für die Auslegung und Überprüfung der Brennkammern von Gasturbinenmotoren sollten die numerische Strömungsmechanik (CFD) nutzen. CFD-Berechnungen sollten auf der gleichzeitigen Lösung der Gleichungen der Gasdynamik und der detaillierten chemischen Kinetik beruhen. Mit dem derzeitigen Stand der Rechenleistung scheint die Lösung solcher Probleme in den nächsten Jahrzehnten nicht möglich. Eine andere Lösung könnte der Einsatz von Hybridmethoden sein. Eine hybride Methode soll jedes Problem einzeln lösen und sie dann in einem einzigen Algorithmus zusammenfassen. Die Simulation der chemischen Kinetik ist ohne die Verwendung detaillierter und reduzierter Reaktionsmechanismen nicht denkbar. Um kinetische Mechanismen zu entwickeln, muss man die genaue Zusammensetzung des Ausgangsbrennstoffs kennen. Der wichtigste Treibstoff für Gasturbinenmotoren ist Flugkerosin. Kerosin besteht aus Dutzenden von einzelnen Kohlenwasserstoffkomponenten. Seine Zusammensetzung kann je nach Rohstoffen und Herstellern variieren. Für die numerische Simulation wird ein Gemisch benötigt, das aus den bekannten Komponenten besteht und eine begrenzte Anzahl chemischer Bestandteile enthält. Diese Gemische werden als Surrogate bezeichnet. Ein Surrogat sollte die wichtigsten Eigenschaften des realen Kraftstoffs wiedergeben.
Ein detaillierter kinetischer Mechanismus der Oxidation des Surrogats sollte die wesentlichen chemischen Eigenschaften des Kerosins nachahmen. Reduzierte Mechanismen werden für die Berechnung der Gasdynamik verwendet und sollten die physikalischen Eigenschaften des Kerosins identisch beschreiben sowie die Temperaturverteilung und die Konzentration des zurückgewonnenen Kraftstoffs in der Brennkammer genau vorhersagen.
Um hybride Methoden für die CFD-Simulation der Umweltleistung der Brennkammer zu entwickeln, müssen zwei Hauptprobleme gelöst werden:(1) Die Anpassung des Kerosinsurrogats für die Luftfahrt. Das Surrogat sollte die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des Kerosins richtig wiedergeben.(2) Entwicklung detaillierter und reduzierter Mechanismen der Oxidation des Surrogats.
Die Lösung dieser Probleme (zusammen oder in Kombination) könnte eine solide Grundlage für die Entwicklung einer Hybridmethode bilden. Diese Forschung konzentriert sich auf die Lösung des ersten Problems.
2. Kerosin-Surrogat
Alle Bestandteile komplexer Kraftstoffe können in mehrere Strukturklassen eingeteilt werden. Diese sind Alkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe mit linearer oder verzweigter Struktur), Alkene (Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen), Cycloalkane (gesättigte Kohlenwasserstoffe mit einem Ring) und aromatische Kohlenwasserstoffe (Moleküle mit Benzolringen) . Tabelle 1 zeigt die durchschnittliche Zusammensetzung einiger Flugkraftstoffe. Der größte Teil des Kraftstoffs besteht aus Alkanen: ihr Gesamtanteil erreicht 65 %, und zusammen mit den Cycloalkanen machen sie 79-97 % aus. Ein erheblicher Anteil (bis zu 20 %) entfällt auf aromatische Kohlenwasserstoffe. Dagegen ist die Konzentration von Alkenen im Kraftstoff unbedeutend.
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In verschiedenen Arbeiten wird eine Vielzahl von Ersatzstoffen für das in den USA übliche Flugkerosin Jet-A vorgeschlagen. Jet-A ist mit dem russischen Kerosin TC1 vergleichbar. In den genannten Arbeiten werden kinetische Mechanismen zur Simulation von Zündung und Verbrennung dieser Surrogate vorgestellt. Die einfachsten Surrogate sind Monopropellant-Kraftstoffe. Die Autoren von simulierten den Abbrand von Jet-A mit n-Dekan als Surrogat. Cooke et al. verwendeten n-Dodekan für den gleichen Zweck und wiesen eine wichtige Rolle der Alkylhydroperoxid-Radikale bei der langsamen Oxidation von Kohlenwasserstoffen nach.
Da Kerosin bis zu 20 % aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, die ihre eigenen Besonderheiten in der Oxidationskinetik aufweisen, müssen diese Komponenten in das Surrogat einbezogen werden. Die folgenden aromatischen Verbindungen können als mögliche Optionen in Betracht gezogen werden: Benzol, Toluol, Trimethylbenzol, n-Propylbenzol, n-Butylbenzol und andere. Lindstedt und Maurice haben numerisch gezeigt, dass die Struktur der Kerosinflamme mit angemessener Genauigkeit durch ein Surrogat beschrieben werden kann: 89 % n-Dekan und 11 % aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol und Ethylbenzol).
Die meisten Arbeiten über Surrogate befassen sich mit der Untersuchung und dem Vergleich ihrer grundlegenden Eigenschaften: Laminarflammengeschwindigkeit, Zündverzögerungszeit usw. In dieser Untersuchung wurden die Verbrennungsprodukte von Kerosin und seinem Surrogat bei der Verbrennung in realen Anlagen verglichen. Das Surrogat bestand aus n-Dekan und Benzol in verschiedenen Verhältnissen: 100% n-Dekan, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20% und 75/25% n-Dekan/Benzol.
3. Versuchsaufbau
Der Versuch wurde in einer simulierten Verbrennungskammer (Abbildung 1) durchgeführt, die eine Brennereinrichtung, ein Zufuhrsystem für flüssigen Brennstoff und ein Flammrohr mit zwei Reihen von Mischöffnungen und einer Reihe von Kühlöffnungen aufweist. Der Betriebsmodus der Brennkammer war = 0,435, = 423 K, und der atmosphärische Druck. Die Verbrennungsrate des flüssigen Brennstoffs beträgt 0,77 g/s. Das Druckverhältnis in der Brennkammer, die konstant bei = 3% blieb. ist Gesamtdruck am Einlass der Brennkammer (const); ist Gesamtdruck am Auslass der Brennkammer (const).
Die experimentellen Versuche wurden am Hochtemperatur-Versuchsaufbau mit einer simulierten Brennkammer durchgeführt. Der Versuchsaufbau umfasst einen Durchflussmesser der Firma SMC, eine pneumatische Drosselklappe mit Rückschlagventilen, Massendurchflussmesser/-regler der Serie EL-FLOW® der Firma Bronkhorst High-Tech, ein Flüssigbrennstoffversorgungssystem und einen Zulufterhitzer. Die Gesamtansicht der Hochtemperaturanlage, die mit der Kraftstoffleitung und den Luftleitungen verbunden ist, ist in Abbildung 2 dargestellt.
Um das Geschwindigkeitsfeld auszugleichen, ist am Eingang des Heizers eine Ausgleichsvorrichtung vorgesehen. Für die Hauptbrennstoffversorgung gibt es ein Pumpsystem. Für die Ersatzbrennstoffversorgung gibt es ein Druckfördersystem. Das Druckfördersystem besteht aus einem Brennstofftank (10 Liter), einem System zur Druckbeaufschlagung und Betankung des Brennstofftanks und einem Feinfilter für Verbundtreibstoffe.
Das Steuerungssystem der Hochdruckpumpe ermöglicht es, den Ausgangsdruck im Bereich zwischen 0,4 und 1,5 MPa bei einer Durchflussrate von mindestens 250 l/h zu verändern.
Die Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte wurde durch die Kontakttechnik auf der Grundlage von Sondenproben bestimmt. Diese Methode ist derzeit die am weitesten entwickelte und wird in der Versuchspraxis häufig verwendet.
Die Probenahmeleitung (Abbildung 6) besteht aus einem Probenehmer (1), einem Richter-Absorber (2), einer in den SICKGMS-810-Analysator eingebauten Pumpe (3) (4), Seger-Pipetten (5) und einem Gaszähler GSB-400 (6). Das GSB-400 wird zur Schätzung des Volumens , M3 und der Durchflussrate , M3/c der entnommenen Gase verwendet.
Die Probe wurde mit einer in den SICKGMS-810-Analysator eingebauten Pumpe von der Probenahmestelle zu den Seger-Pipetten gepumpt. Diese Konfiguration der Probenleitung ermöglichte das gleichzeitige Pumpen der Probe über die Seger-Pipetten, ihre Dehydrierung und Analyse.
Während der Probenahme wurden die Verbrennungsprodukte über die Seger-Pipetten mit einer Flussrate von M3/c gepumpt, wobei das Volumen 20 Pipettenvolumina entsprach. Die erhaltenen Gasproben wurden mittels Gaschromatographie analysiert. Die Probenahme wurde am Ausgang der simulierten Verbrennungskammer durchgeführt. Tabelle 2 zeigt die Ausgangsbedingungen für jeden Versuchsfall.
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| Für jeden Versuch wurden 8 Probenahmen durchgeführt. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Ergebnisse
Die experimentellen Untersuchungen ergaben die Beziehung zwischen dem Massenanteil von CO2, CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen (CnHm), O2, H2, H20, N2 und dem Benzolanteil im Surrogat (Abbildungen 3-12). Diese Abbildungen zeigen auch die Analyseergebnisse für die Kerosinverbrennungsproben.
Die dargestellten Zahlen zeigen, dass die Verbrennungsprodukte des Kerosins in keinem der Fälle mit dem Gemisch bei der Verbrennung übereinstimmten. Die durchschnittliche Temperatur am Ausgang der Brennkammer war in allen Fällen des Gemischs gleich. Der Wirkungsgrad der Verbrennung stieg jedoch mit zunehmendem Benzolgehalt im Gemisch. Der Verbrennungswirkungsgrad wurde als das Verhältnis der Enthalpie des Ausgangsgemischs zur Enthalpie der Produkte der unvollständigen Verbrennung berechnet. ist die Enthalpie des Gemischs (Benzol/n-Dekan/Luft); ist die Enthalpie der Verbrennungsprodukte.
Das Gemisch aus Benzol und n-Dekan hat eine niedrigere Verdampfungstemperatur als Kerosin. Ein höherer Benzolanteil im Gemisch senkt die Verdampfungstemperatur. Daher verbessert die Verwendung von Gemischen die Sprüh- und Verdampfungseigenschaften des Kraftstoffs. Dies hat zu einer effizienteren Verbrennung und einem besseren Wirkungsgrad geführt, ohne dass sich die Durchschnittstemperatur am Auslass und in der Brennkammer verändert hat. Abbildung 11 zeigt, dass die Achse der Brennkammertemperatur um nicht mehr als 15° abweicht. In der Nähe der Wand beträgt der Temperaturunterschied mehr als 170°. Diese Tatsache zeigt auch die veränderte gasdynamische Strömungsstruktur innerhalb der Brennkammer. Die Gasdynamik für Kerosin und Surrogat ist unterschiedlich. Für eine genauere Vorhersage der Verbrennungsprodukte sollte das Surrogat mit einer Komponente oder einer Gruppe von Komponenten versetzt werden. Das erhaltene Gemisch sollte die physikalischen Eigenschaften von Kerosin reproduzieren: Viskosität und Oberflächenspannung der Tropfen.
5. Schlussfolgerungen
In dieser Arbeit wurde die Auswirkung der Zugabe von Benzol in das Surrogatgemisch untersucht. Die experimentelle Studie wurde in einer simulierten Verbrennungskammer durchgeführt. Die simulierte Brennkammer umfasst alle wichtigen Prozesse, die in handelsüblichen Brennkammern ablaufen. Es wurde ein Vergleich der Verbrennungsprodukte von TS-1-Flugzeugkerosin und dem Surrogatgemisch durchgeführt. Die Studie hat gezeigt, dass die Verwendung einer Mischung aus Benzol (20-30%) und n-Dekan als Brennstoff ähnliche Werte wie Kerosin bei der Temperaturverteilung ergibt. Der Wirkungsgrad der Verbrennung wird ebenfalls um 4 % erhöht. Die Schadstoffemissionen sind sehr unterschiedlich. Der Schadstoffausstoß ist sehr unterschiedlich, da die Gasdynamik bei der Verbrennung von Kerosin und Gemischen sehr unterschiedlich ist. Die Ergebnisse sind die Datengrundlage für die Verifizierung von CFD-Modellen.
Nomenklatur
| CC: | Verbrennungskammer |
| CFD: | Computational fluid dynamics |
| ICAO: | International Civil Aviation Organization |
| : | Entsprechendes Verhältnis |
| : | Anfangstemperatur |
| : | Anfangsdruck |
| : | Masseluftmenge |
| : | Massekraftstoffmenge. |
Interessenkonflikte
Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte in Bezug auf die Veröffentlichung dieser Arbeit haben.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation im Rahmen der Umsetzung des Programms „Forschung und Entwicklung auf vorrangigen Richtungen des wissenschaftlich-technologischen Komplexes Russlands für 2014-2020“ (RFMEFI58716X0033) unterstützt. Für diese Studien wurde die Ausrüstung des Zentrums für die gemeinsame Nutzung der CAM-Technologie (RFMEFI59314X0003) verwendet.