Abstract
Lo scopo di questo articolo è di condurre una ricerca sperimentale delle emissioni di sostanze pericolose all’uscita della camera di combustione simulata. L’esperimento è stato condotto in una camera di combustione simulata. La camera di combustione comprendeva un dispositivo bruciatore, un sistema di alimentazione del combustibile liquido e un tubo di fiamma con due file di fori di miscelazione e una fila di fori di raffreddamento. La modalità di funzionamento della camera di combustione era = 0,435, = 423 K, e la pressione atmosferica. Il tasso di combustione del combustibile liquido era di 0,77 g/s. Il rapporto di pressione nella camera di combustione è rimasto costante a = 3%. Sono stati utilizzati due tipi di combustibile: cherosene per l’aviazione del marchio russo TS-1 e il surrogato del combustibile era una miscela di n-decano (C10H22) con aggiunte di benzene (C6H6). Le aggiunte di benzene erano dal 5% al 30% (n-decano/benzene: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 e 70/30).
1. Introduzione
La camera di combustione è una delle parti principali di un motore a turbina a gas che definisce le sue caratteristiche di emissione. Attualmente, il problema delle emissioni dei motori a turbina a gas è stato risolto principalmente per mezzo di calcoli semiempirici e dello sviluppo sperimentale di prototipi. Questo approccio richiede molto lavoro e fornisce poche informazioni sui processi all’interno della camera, il che preclude l’attuazione delle norme ICAO.
Le tecniche moderne di progettazione e debugging delle camere di combustione dei motori a turbina a gas dovrebbero utilizzare la fluidodinamica computazionale (CFD). I calcoli CFD dovrebbero essere basati sulla soluzione simultanea delle equazioni della dinamica dei gas e della cinetica chimica dettagliata. Con l’attuale livello di potenza di calcolo, la soluzione di tali problemi nei prossimi decenni non sembra possibile. Un’altra soluzione potrebbe essere l’impiego di metodi ibridi. Un metodo ibrido dovrebbe risolvere ogni problema individualmente e poi combinarli in un unico algoritmo. La simulazione della cinetica chimica non è concepibile senza usare meccanismi di reazione dettagliati e ridotti. Per sviluppare meccanismi cinetici è necessario conoscere l’esatta composizione del combustibile iniziale. Il principale tipo di carburante per motori a turbina a gas è il cherosene per l’aviazione. Il cherosene consiste in decine di componenti idrocarburici separati. La sua composizione può variare a seconda delle materie prime e dei produttori. La simulazione numerica richiede una miscela composta dai componenti noti e contenente un numero limitato di costituenti chimici. Queste miscele sono chiamate surrogati. Un surrogato dovrebbe riprodurre le caratteristiche principali del carburante reale.
Un meccanismo cinetico dettagliato dell’ossidazione del surrogato dovrebbe imitare le proprietà chimiche essenziali del cherosene. I meccanismi ridotti sono usati per calcolare la dinamica dei gas e dovrebbero descrivere in modo identico le proprietà fisiche del cherosene, nonché prevedere accuratamente la distribuzione della temperatura e la concentrazione di carburante recuperato nella camera di combustione.
Per sviluppare metodi ibridi di simulazione CFD delle prestazioni ambientali della camera di combustione, è necessario risolvere due problemi principali:(1)Adattare il surrogato di cherosene per l’aviazione. Il surrogato dovrebbe riprodurre correttamente le proprietà chimiche o fisiche del cherosene.(2)Sviluppare meccanismi dettagliati e ridotti di ossidazione del surrogato.
La soluzione di questi problemi (insieme o in combinazione) potrebbe fornire una solida base per sviluppare un metodo ibrido. Questa ricerca si è concentrata sulla soluzione del primo problema.
2. Surrogato di cherosene
Tutti i componenti dei combustibili complessi possono essere divisi in diverse classi strutturali. Queste sono alcani (idrocarburi saturi con struttura lineare o ramificata), alcheni (idrocarburi con doppi legami), cicloalcani (idrocarburi saturi contenenti un anello) e idrocarburi aromatici (molecole contenenti anelli di benzene). La tabella 1 rappresenta la composizione media di alcuni carburanti per l’aviazione. La maggior parte del carburante sono alcani: la loro quantità totale raggiunge il 65%, e insieme ai cicloalcani rappresentano il 79-97%. Una quota considerevole (fino al 20%) è costituita da idrocarburi aromatici. D’altra parte, la concentrazione di alcheni nel carburante è insignificante.
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Diversi lavori suggeriscono un gran numero di surrogati del cherosene avio Jet-A che è comunemente usato negli USA. Jet-A è analogo al cherosene russo TC1. I lavori di cui sopra presentano meccanismi cinetici per simulare l’accensione e la combustione di questi surrogati. I surrogati più semplici sono combustibili monopropellenti. Gli autori di stavano simulando la combustione del Jet-A con n-decano come surrogato. Cooke et al. hanno usato l’n-dodecano per lo stesso scopo e hanno dimostrato un ruolo importante dei radicali alchil idroperossidi nell’ossidazione lenta degli idrocarburi.
Poiché il cherosene contiene fino al 20% di idrocarburi aromatici che hanno le loro caratteristiche specifiche nella cinetica di ossidazione, questi componenti devono essere inclusi nel surrogato. I seguenti composti aromatici possono essere considerati come possibili opzioni: benzene, toluene, trimetilbenzene, n-propilbenzene, n-butilbenzene e altri. Lindstedt e Maurice hanno dimostrato numericamente che la struttura della fiamma del cherosene può essere descritta con ragionevole precisione da un surrogato: 89% n-decano e 11% idrocarburi aromatici (benzene, toluene e etilbenzene).
La maggior parte dei lavori sui surrogati si occupa di studiare e confrontare le loro caratteristiche fondamentali: velocità della fiamma laminare, tempo di ritardo dell’accensione, ecc. Questa ricerca ha confrontato i prodotti di combustione del cherosene e il suo surrogato durante la combustione in apparecchiature reali. Il surrogato consisteva di n-decano e benzene in varie proporzioni: 100% n-decano, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20%, e 75/25% n-decano/benzene.
3. Setup sperimentale
L’esperimento è stato condotto in una camera di combustione simulata (Figura 1), che ha un dispositivo bruciatore, un sistema di alimentazione del combustibile liquido, e un tubo di fiamma con due file di fori di miscelazione e una fila di fori di raffreddamento. La modalità di funzionamento della camera di combustione era = 0,435, = 423 K, e la pressione atmosferica. Il tasso di combustione del combustibile liquido è di 0,77 g/s. Il rapporto di pressione nella camera di combustione che è rimasto costante a = 3%. è la pressione totale all’ingresso della camera di combustione (const); è la pressione totale all’uscita della camera di combustione (const).
Per equalizzare il campo di velocità, è previsto un dispositivo di equalizzazione all’ingresso del riscaldatore. Per l’alimentazione del combustibile principale, c’è un sistema di pompaggio. Per l’alimentazione del combustibile surrogato, c’è un sistema di alimentazione a pressione. Il sistema di alimentazione a pressione consiste in: un serbatoio di combustibile (10 litri), un sistema di pressurizzazione e di alimentazione del serbatoio di combustibile, e un filtro fine per i propellenti compositi.
Il sistema di controllo della pompa ad alta pressione permette di modificare la pressione di uscita nell’intervallo tra 0,4 e 1,5 MPa con una portata di almeno 250 l/h.
La composizione dei prodotti di combustione è stata definita dalla tecnica di contatto basata sul campionamento della sonda. Questo metodo è attualmente il più sviluppato ed è ampiamente utilizzato nella pratica sperimentale.
La linea di campionamento (Figura 6) consiste in un campionatore (1), un assorbitore Richter (2), una pompa (3) integrata nell’analizzatore SICKGMS-810 (4), pipette Seger (5) e un contatore di gas GSB-400 (6). Il GSB-400 è usato per stimare il volume, M3 e la portata, M3/c dei gas campionati.
Il campione – dal punto di campionamento alle pipette Seger – è stato pompato con una pompa integrata nell’analizzatore SICKGMS-810. Questa configurazione della linea di campionamento ha permesso il pompaggio simultaneo del campione tramite le pipette Seger e la sua disidratazione e analisi.
Durante il campionamento, i prodotti della combustione sono stati pompati tramite le pipette Seger alla portata di M3/c con un volume pari a 20 volumi di pipetta. I campioni di gas ottenuti sono stati analizzati utilizzando la gascromatografia. Il campionamento è stato effettuato all’uscita della camera di combustione simulata. La tabella 2 mostra le condizioni iniziali per ogni caso sperimentale.
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| Per ogni esperimento sono stati effettuati 8 campionamenti. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Risultati
La ricerca sperimentale ha portato ad ottenere la relazione tra la frazione di massa di CO2, CO, idrocarburi incombusti (CnHm), O2, H2, H20, N2, e la percentuale di benzene nel surrogato (Figure 3-12). Queste figure mostrano anche i risultati delle analisi per i campioni di cherosene bruciato.
Le figure presentate mostrano che i prodotti di combustione del cherosene non corrispondono a nessuno dei casi della miscela in combustione. La temperatura media all’uscita della camera di combustione era la stessa per tutti i casi della miscela. Ma l’efficienza di combustione è aumentata con l’aumento del contenuto di benzene nella miscela. L’efficienza della combustione è stata calcolata come il rapporto tra l’entalpia della miscela iniziale e l’entalpia dei prodotti della combustione incompleta. è l’entalpia della miscela (benzene/n-decano/aria); è l’entalpia dei prodotti della combustione.
La miscela composta da benzene e n-decano ha una temperatura di evaporazione più bassa del cherosene. L’aumento del benzene nella miscela riduce la temperatura di evaporazione. Pertanto, l’uso della miscela migliora le caratteristiche di spruzzatura e di evaporazione del carburante. Questo ha portato a una combustione più efficiente e a una migliore efficienza della combustione e non ha cambiato la temperatura media all’uscita e nella camera di combustione. La figura 11 mostra che l’asse della temperatura della camera di combustione non differisce di più di 15°. La temperatura differisce di più di 170° vicino alla parete. Questo fatto mostra il cambiamento della struttura dinamica del flusso di gas all’interno della camera di combustione. La dinamica dei gas per il cherosene e il surrogato è diversa. Per una previsione più accurata dei prodotti della combustione, il surrogato dovrebbe essere aggiunto con un componente o un gruppo di componenti. La miscela ottenuta dovrebbe riprodurre le proprietà fisiche del cherosene: viscosità e tensione superficiale delle gocce.
5. Conclusioni
Questo lavoro ha studiato l’effetto dell’aggiunta di benzene nella miscela surrogata. Lo studio sperimentale è stato condotto in una camera di combustione simulata. La camera di combustione simulata incorpora tutti i principali processi che avvengono nelle camere di combustione commerciali. Un confronto è stato fatto per i prodotti di combustione del cherosene aviazione TS-1 e della miscela surrogata. Lo studio ha rivelato che l’uso di una miscela di benzene (20-30%) e n-decano come combustibile dà valori simili rispetto al cherosene dalla distribuzione della temperatura. Anche l’efficienza di combustione è aumentata del 4%. L’emissione di inquinanti è molto diversa. L’emissione di inquinanti è molto diversa perché è molto diversa la dinamica dei gas bruciando cherosene e miscele. I risultati sono la base dei dati per la verifica dei modelli CFD.
Nomenclatura
| CC: | Camera di combustione |
| CFD: | Fluidodinamica computazionale |
| ICAO: | Organizzazione Internazionale dell’Aviazione Civile |
| : | Rapporto equivalente |
| : | Temperatura iniziale |
| : | Pressione iniziale |
| : | Tasso di aria di massa |
| : | Tasso di carburante di massa. |
Conflitti di interesse
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse riguardo alla pubblicazione di questo articolo.
Riconoscimenti
Questo lavoro è stato sostenuto dal Ministero dell’Istruzione e della Scienza della Federazione Russa nel quadro dell’attuazione del programma “Ricerca e sviluppo sulle direzioni prioritarie del complesso scientifico-tecnologico della Russia per 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). L’attrezzatura del centro di uso comune della tecnologia CAM (RFMEFI59314X0003) è stata utilizzata in questi studi.