Yhteenveto
Tämän asiakirjan tarkoituksena on suorittaa kokeellinen tutkimus vaarallisten aineiden päästöistä simuloidun polttokammion ulostulossa. Koe suoritettiin simuloidussa polttokammiossa. Polttokammioon kuului poltinlaite, nestemäisen polttoaineen syöttöjärjestelmä ja liekkiputki, jossa oli kaksi riviä sekoitusreikiä ja yksi rivi jäähdytysreikiä. Polttokammion toimintatila oli = 0,435, = 423 K ja ilmakehän paine. Nestemäisen polttoaineen polttonopeus oli 0,77 g/s. Painesuhde palotilassa pysyi vakiona = 3 %:ssa. Polttoaineena käytettiin kahta polttoainetyyppiä: venäläistä TS-1-merkkistä lentopetrolia ja polttoaineen korvikkeena n-dekaaniseosta (C10H22), johon oli lisätty bentseeniä (C6H6). Bentseenilisäykset olivat 5-30 prosenttia (n-dekaani/bentseeni: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 ja 70/30).
1. Johdanto
Polttokammio on yksi kaasuturbiinimoottorin tärkeimmistä osista, joka määrittää sen päästöominaisuudet. Tällä hetkellä kaasuturbiinimoottorin päästöongelmaa on ratkaistu pääasiassa puoli-empiiristen laskelmien ja prototyyppien kokeellisen kehittämisen avulla. Tämä lähestymistapa on työläs ja antaa vain vähän tietoa kammion sisällä tapahtuvista prosesseista, mikä estää ICAO:n standardien täytäntöönpanon.
Nykyaikaisissa kaasuturbiinimoottoreiden polttokammioiden suunnittelu- ja vianmääritystekniikoissa olisi käytettävä laskennallista nestedynamiikkaa (CFD). CFD-laskelmien olisi perustuttava kaasudynamiikan yhtälöiden ja yksityiskohtaisen kemiallisen kinetiikan samanaikaiseen ratkaisemiseen. Nykyisellä laskentateholla tällaisten ongelmien ratkaiseminen lähivuosikymmeninä ei näytä mahdolliselta. Toinen ratkaisu voisi olla hybridimenetelmien käyttö. Hybridimenetelmän on tarkoitus ratkaista kukin ongelma erikseen ja yhdistää ne sitten yhdeksi algoritmiksi. Kemiallisen kinetiikan simulointi ei ole mahdollista ilman yksityiskohtaisia ja pelkistettyjä reaktiomekanismeja. Kineettisten mekanismien kehittämiseksi on tarpeen tietää alkuperäisen polttoaineen tarkka koostumus. Kaasuturbiinimoottorin pääasiallinen polttoaine on lentopetroli. Kerosiini koostuu kymmenistä erillisistä hiilivetykomponenteista. Sen koostumus voi vaihdella raaka-aineista ja valmistajista riippuen. Numeerinen simulointi edellyttää seosta, joka koostuu tunnetuista komponenteista ja sisältää rajoitetun määrän kemiallisia ainesosia. Näitä seoksia kutsutaan korvikkeiksi. Surrogaatin tulisi jäljitellä todellisen polttoaineen tärkeimpiä ominaisuuksia.
Surrogaatin hapettumisen yksityiskohtaisen kineettisen mekanismin tulisi jäljitellä kerosiinin keskeisiä kemiallisia ominaisuuksia. Pelkistettyjä mekanismeja käytetään kaasudynamiikan laskemiseen, ja niiden tulisi kuvata identtisesti kerosiinin fysikaalisia ominaisuuksia sekä ennustaa tarkasti lämpötilajakauma ja talteenotetun polttoaineen konsentraatio polttokammiossa.
Polttokammion ympäristösuorituskyvyn CFD-simuloinnin hybridi-menetelmien kehittämiseksi on ratkaistava kaksi pääongelmaa: (1) Lentopetrolin surrogaatin räätälöinti. Surrogaatin tulisi jäljitellä asianmukaisesti kerosiinin kemiallisia tai fysikaalisia ominaisuuksia.(2)Yksityiskohtaisten ja pelkistettyjen surrogaatin hapettumismekanismien kehittäminen.
Tämän ongelman ratkaiseminen (yhdessä tai yhdessä) voisi tarjota vankan perustan hybridimenetelmän kehittämiselle. Tässä tutkimuksessa on keskitytty ensimmäisen ongelman ratkaisemiseen.
2. Kerosiinisurrogaatti
Kaikki monimutkaisten polttoaineiden komponentit voidaan jakaa useisiin rakenneluokkiin. Näitä ovat alkaanit (tyydyttyneet hiilivedyt, joilla on lineaarinen tai haarautunut rakenne), alkeenit (hiilivedyt, joissa on kaksoissidoksia), sykloalkaanit (tyydyttyneet hiilivedyt, jotka sisältävät renkaan) ja aromaattiset hiilivedyt (molekyylit, jotka sisältävät bentseenirenkaita) . Taulukossa 1 esitetään eräiden lentopolttoaineiden keskimääräinen koostumus . Suurin osa polttoaineesta on alkaaneja: niiden kokonaismäärä on 65 prosenttia, ja yhdessä sykloalkaanien kanssa niiden osuus on 79-97 prosenttia. Merkittävä osuus (jopa 20 %) on aromaattisia hiilivetyjä. Toisaalta alkeenien pitoisuus polttoaineessa on vähäinen.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Monissa töissä ehdotetaan suurta määrää korvaavia aineita Yhdysvalloissa yleisesti käytetylle lentopetrolille Jet-A. Jet-A on analoginen venäläisen kerosiinin TC1 kanssa. Edellä mainituissa teoksissa esitetään kineettisiä mekanismeja näiden korvikkeiden syttymisen ja palamisen simuloimiseksi. Yksinkertaisimmat korvikkeet ovat monopolttoaineita. Kirjoittajat simuloivat Jet-A:n palamista n-dekaanin avulla. Cooke et al. käyttivät n-dodekaania samaan tarkoitukseen ja osoittivat alkyylihydroperoksidiradikaalien tärkeän roolin hiilivetyjen hitaassa hapettumisessa.
Koska petroli sisältää jopa 20 % aromaattisia hiilivetyjä, joilla on omat erityispiirteensä hapettumiskinetiikassa, nämä komponentit on pakko sisällyttää surrogaattiin. Seuraavia aromaattisia yhdisteitä voidaan pitää mahdollisina vaihtoehtoina: bentseeni, tolueeni, trimetyylibentseeni, n-propyylibentseeni, n-butyylibentseeni ja muut. Lindstedt ja Maurice osoittivat numeerisesti, että kerosiiniliekin rakennetta voidaan kuvata kohtuullisella tarkkuudella surrogaatilla: 89 % n-dekaani ja 11 % aromaattisia hiilivetyjä (bentseeni, tolueeni ja etyylibentseeni).
Useimmissa surrogaatteja käsittelevissä töissä tutkitaan ja verrataan niiden perusominaisuuksia: laminaarisen liekin nopeutta, syttymisviiveaikaa ja niin edelleen. Tässä tutkimuksessa on verrattu kerosiinin palamistuotteita ja sen korviketta niiden palaessa todellisessa laitteistossa. Korvaava aine koostui n-dekaanista ja bentseenistä eri suhteissa: 100 % n-dekaani, 95/5 %, 90/10 %, 85/15 %, 80/20 % ja 75/25 % n-dekaani/ bentseeni.
3. Koejärjestely
Koe suoritettiin simuloidussa polttokammiossa (kuva 1), jossa on poltinlaite, nestemäisen polttoaineen syöttöjärjestelmä ja liekkiputki, jossa on kaksi riviä sekoitusreikiä ja yksi rivi jäähdytysreikiä. Polttokammion toimintatila oli = 0,435, = 423 K ja ilmakehän paine. Nestemäisen polttoaineen palamisnopeus on 0,77 g/s. Painesuhde polttokammiossa, joka pysyi vakiona = 3 %. on kokonaispaine polttokammion sisääntulossa (const); on kokonaispaine polttokammion ulostulossa (const).
Nopeuskentän tasaamiseksi lämmittimen sisääntulossa on tasauslaite. Pääpolttoaineen syöttöä varten on pumppujärjestelmä. Sijaispolttoaineen syöttöä varten on paineensyöttöjärjestelmä. Paineensyöttöjärjestelmä koostuu seuraavista osista: polttoainesäiliö (10 litraa), polttoainesäiliön paineistus- ja polttoaineen syöttöjärjestelmä sekä hienosuodatin komposiittipolttoaineita varten.
Korkeapainepumpun ohjausjärjestelmä mahdollistaa lähtöpaineen muuttamisen 0,4 ja 1,5 MPa:n välillä virtausnopeudella, jonka suuruus on vähintään 250 litraa tunnissa.
Polttotuotteiden koostumus määritettiin kosketusnäytteenottoon perustuvalla kontaktitekniikalla. Tämä menetelmä on tällä hetkellä kehittynein ja sitä käytetään laajalti kokeellisessa käytännössä.
Näytteenottolinja (kuva 6) koostuu näytteenottimesta (1), Richterin absorbaattorista (2), SICKGMS-810-analysaattoriin sisäänrakennetusta pumpusta (3) (4), Seger-pipeteistä (5) ja kaasumittarista GSB-400 (6). GSB-400:a käytetään arvioimaan näytteeksi otettujen kaasujen tilavuus , M3 ja virtausnopeus , M3/c.
Näyte – näytteenottopisteestä Seger-pipetteihin – pumpattiin SICKGMS-810-analysaattoriin sisäänrakennetulla pumpulla. Tämä näytelinjan konfiguraatio mahdollisti näytteen samanaikaisen pumppaamisen Seger-pipettien kautta ja sen kuivattamisen ja analysoinnin.
Näytteenoton aikana palamistuotteet pumpattiin Seger-pipettien kautta virtausnopeudella M3/c, jonka tilavuus vastasi 20 pipettitilavuutta. Saadut kaasunäytteet analysoitiin kaasukromatografialla. Näytteenotto suoritettiin simuloidun polttokammion ulostulosta. Taulukossa 2 esitetään kunkin koetapauksen alkuolosuhteet.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kussakin kokeessa tehtiin 8 näytteenottoa. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Tulokset
Kokeellisen tutkimuksen tuloksena on saatu CO2:n, CO:n, palamattomien hiilivetyjen (CnHm), O2:n, H2:n, H20:n, N2:n ja bentseenin prosenttiosuuden välinen suhde korvikkeessa (kuvat 3-12). Näissä kuvissa esitetään myös kerosiinia polttavien näytteiden analyysitulokset.
Esitetyistä kuvista käy ilmi, että kerosiinin palamistuotteet eivät vastanneet yhdessäkään tapauksessa seoksen palamista. Keskimääräinen lämpötila palotilan ulostulossa oli sama kaikissa seoksen tapauksissa. Palamishyötysuhde kuitenkin kasvoi seoksen bentseenipitoisuuden kasvaessa. Palamishyötysuhde laskettiin alkuseoksen entalpian ja epätäydellisen palamisen tuotteiden entalpian suhteena. on seoksen entalpia (bentseeni/n-dekaani/ilma); on palamistuotteiden entalpia.
Bentseenistä ja n-dekaanista koostuvalla seoksella on alhaisempi haihtumislämpötila kuin kerosiinilla. Bentseenin lisääminen seoksessa alentaa haihtumislämpötilaa. Siksi seoksen käyttö parantaa polttoaineen suihkutus- ja haihtumisominaisuuksia. Tämä on johtanut tehokkaampaan palamiseen ja parempaan palamistehokkuuteen, eikä se ole muuttanut keskimääräistä lämpötilaa ulostulossa ja palotilassa. Kuvasta 11 käy ilmi, että palotilan lämpötilan akseli ei poikkea toisistaan enempää kuin 15°. Lämpötila eroaa seinän lähellä yli 170°. Tämä osoittaa, että kaasun dynaaminen virtausrakenne on muuttunut myös palotilan sisällä. Kerosiinin ja korvaavan aineen kaasudynamiikka on erilainen. Jotta palamistuotteiden ennustaminen olisi tarkempaa, korvaavaan aineeseen olisi lisättävä komponentti tai komponenttiryhmä. Saadun seoksen tulisi toistaa kerosiinin fysikaaliset ominaisuudet: viskositeetti ja pisaran pintajännitys.
5. Johtopäätökset
Tässä työssä on tutkittu bentseenin lisäämisen vaikutusta korvikeseokseen. Kokeellinen tutkimus suoritettiin simuloidussa polttokammiossa. Simuloitu polttokammio sisältää kaikki tärkeimmät kaupallisissa polttokammioissa tapahtuvat prosessit. Vertailu tehtiin TS-1-lentopetrolin ja korvaavan seoksen palamistuotteille. Tutkimuksessa kävi ilmi, että bentseenin (20-30 %) ja n-dekaanin seoksen käyttö polttoaineena antaa lämpötilajakaumaltaan samankaltaisia arvoja kuin kerosiini. Myös palamishyötysuhde paranee 4 prosenttia. Epäpuhtauspäästöt ovat hyvin erilaiset. Epäpuhtauspäästöt ovat hyvin erilaiset, koska kerosiinia ja seoksia poltettaessa kaasudynamiikka on hyvin erilainen. Tulokset ovat tietopohjana CFD-mallien verifiointia varten.
Nimikkeistö
| CC: | Polttokammio |
| CFD: | Computationaalinen fluididynamiikka |
| ICAO: | Kansainvälinen siviili-ilmailujärjestö |
| : | Ekvivalenttisuhde |
| : | Alkulämpötila |
| : | Alkupaine |
| : | Massailman määrä |
| : | Polttoaineen määrä. |
Interintäristiriidat
Tekijät ilmoittavat, että heillä ei ole eturistiriitoja tämän artikkelin julkaisemiseen liittyen.
Kiitokset
Tämä työ sai tukea Venäjän federaation opetus- ja tiedeministeriöltä ”Venäjän tieteellis-teknisen kompleksin prioriteettien tutkimus- ja kehitystoiminnan toteuttamisen puitteissa vuosiksi 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). Näissä tutkimuksissa käytettiin CAM-teknologian yhteiskäyttökeskuksen laitteita (RFMEFI59314X0003).