Abstract
Az írás célja a veszélyes anyagok kibocsátásának kísérleti vizsgálata a szimulált égőkamra kimenetén. A kísérletet egy szimulált égőkamrában végeztük. Az égőkamra tartalmazott egy égőberendezést; egy folyékony tüzelőanyag-ellátó rendszert; és egy lángcsövet két sor keverőnyílással és egy sor hűtőnyílással. Az égőkamra üzemmódja = 0,435, = 423 K és a légköri nyomás volt. A folyékony tüzelőanyag égési sebessége 0,77 g/s volt. Az égéstérben a nyomásarány állandó maradt = 3%. Kétféle tüzelőanyagot használtak: az orosz TS-1 márkájú repülőgép-kerozint és a tüzelőanyag-szurrogátum n-decán keverék (C10H22) volt benzoladalékokkal (C6H6). A benzol hozzáadása 5%-tól 30%-ig terjedt (n-dekán/benzol: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 és 70/30).
1. Bevezetés
Az égéstér a gázturbinás motor egyik fő része, amely meghatározza a motor kibocsátási jellemzőit. Jelenleg a gázturbinás motorok emissziójának problémáját elsősorban fél-impirikus számításokkal és prototípus kísérleti fejlesztéssel oldották meg. Ez a megközelítés munkaigényes, és kevés információt ad a kamrában zajló folyamatokról, ami kizárja az ICAO-szabványok alkalmazását.
A gázturbinás motorok égéstermék-kamráinak tervezéséhez és hibakereséséhez a modern technikáknak a számítási áramlástan (CFD) alkalmazását kell alkalmazniuk. A CFD-számításoknak a gázdinamikai egyenletek és a részletes kémiai kinetika egyidejű megoldásán kell alapulniuk. A számítási teljesítmény jelenlegi szintjén az ilyen problémák megoldása a következő évtizedekben nem tűnik lehetségesnek. Egy másik megoldás lehet a hibrid módszerek alkalmazása. A hibrid módszer feladata, hogy az egyes problémákat külön-külön megoldja, majd egyetlen algoritmusban egyesítse őket. A kémiai kinetika szimulációja nem képzelhető el részletes és redukált reakciómechanizmusok használata nélkül. A kinetikai mechanizmusok kidolgozásához ismerni kell a kiindulási üzemanyag pontos összetételét. A gázturbinamotorok fő tüzelőanyag-típusa a repülőgép-kerozin. A kerozin több tucat különálló szénhidrogén-komponensből áll. Összetétele a nyersanyagoktól és a gyártóktól függően változhat. A numerikus szimulációhoz egy olyan keverékre van szükség, amely az ismert összetevőkből áll, és korlátozott számú kémiai összetevőt tartalmaz. Ezeket a keverékeket helyettesítő keverékeknek nevezzük. A helyettesítőnek reprodukálnia kell a valódi üzemanyag fő jellemzőit.
A helyettesítő oxidáció részletes kinetikai mechanizmusának utánoznia kell a kerozin alapvető kémiai tulajdonságait. A redukált mechanizmusokat gázdinamikai számításokhoz használják, és azonos módon kell leírniuk a kerozin fizikai tulajdonságait, valamint pontosan meg kell jósolniuk a hőmérséklet-eloszlást és a visszanyert tüzelőanyag koncentrációját az égéstérben.
Az égéstér környezeti teljesítményének CFD-szimulációjára szolgáló hibrid módszerek kifejlesztéséhez két fő problémát kell megoldani: (1) A légi kerozin-szurrogátum testre szabása. A helyettesítőnek megfelelően kell reprodukálnia a kerozin kémiai vagy fizikai tulajdonságait.(2)A helyettesítő oxidáció részletes és redukált mechanizmusainak kidolgozása.
Ezeknek a problémáknak a megoldása (együtt vagy együttesen) szilárd alapot nyújthat egy hibrid módszer kifejlesztéséhez. Ez a kutatás az első probléma megoldására összpontosított.
2. Kerozin-szurrogátum
A komplex üzemanyagok minden összetevője több szerkezeti osztályba sorolható. Ezek az alkánok (lineáris vagy elágazó szerkezetű telített szénhidrogének), alkének (kettős kötést tartalmazó szénhidrogének), cikloalkánok (gyűrűt tartalmazó telített szénhidrogének) és aromás szénhidrogének (benzolgyűrűt tartalmazó molekulák) . Az 1. táblázat néhány repülőgép-üzemanyag átlagos összetételét mutatja be . Az üzemanyag nagyobb részét az alkánok teszik ki: összmennyiségük eléri a 65%-ot, és a cikloalkánokkal együtt 79-97%-ot tesznek ki. Jelentős hányadot (akár 20%-ot) tesznek ki az aromás szénhidrogének. Másrészt az alkének koncentrációja az üzemanyagban jelentéktelen.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Más munkák számos helyettesítő anyagot javasolnak az USA-ban általánosan használt Jet-A repülőgép-kerozin helyettesítésére. A Jet-A analóg az orosz TC1 kerozinnal. A fenti munkák kinetikai mechanizmusokat mutatnak be e helyettesítő anyagok gyújtásának és égésének szimulálására. A legegyszerűbb helyettesítő anyagok a monopropelláns üzemanyagok. A szerzők a Jet-A égését n-decánnal mint helyettesítő anyaggal szimulálták. Cooke et al. ugyanerre a célra n-dodekánt használtak, és kimutatták az alkil-hidroperoxid-gyökök fontos szerepét a szénhidrogének lassú oxidációjában.
Mivel a kerozin akár 20%-ban aromás szénhidrogéneket tartalmaz, amelyeknek sajátos jellemzőik vannak az oxidációs kinetikában, ezeket a komponenseket feltétlenül be kell vonni a szurrogátumba. A következő aromás vegyületek jöhetnek szóba: benzol, toluol, trimetilbenzol, n-propilbenzol, n-butilbenzol és mások. Lindstedt és Maurice numerikusan kimutatták, hogy a kerozin lángszerkezete elfogadható pontossággal leírható egy helyettesítő anyaggal: 89% n-decan és 11% aromás szénhidrogén (benzol, toluol és etil-benzol).
A helyettesítő anyagokkal kapcsolatos legtöbb munka alapvető tulajdonságaik tanulmányozásával és összehasonlításával foglalkozik: lamináris lángsebesség, gyújtási késleltetési idő stb. Ez a kutatás a kerozin égéstermékeit és a helyettesítőjét hasonlította össze valós berendezésben történő égés közben. A helyettesítő anyag n-dekánból és benzolból állt különböző arányban: 100% n-decan, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20% és 75/25% n-decan/benzol.
3. Kísérleti elrendezés
A kísérletet egy szimulált égőkamrában végeztük (1. ábra), amely egy égőberendezéssel, egy folyékony tüzelőanyag-ellátó rendszerrel és egy lángcsővel rendelkezik, két sor keverőfurattal és egy sor hűtőfurattal. Az égéstér üzemmódja = 0,435, = 423 K, és a légköri nyomás volt. A folyékony tüzelőanyag égési sebessége 0,77 g/s. A nyomásarány az égéstérben, amely állandó maradt = 3%. a teljes nyomás az égéstér bemeneténél (const); a teljes nyomás az égéstér kimeneténél (const).
A magas hőmérsékletű kísérleti berendezésben szimulált égéstérrel végeztünk kísérleti kísérleteket. A kísérleti elrendezésben egy SMC gyártmányú áramlásmérő, egy visszacsapó szelepekkel ellátott pneumatikus fojtószelep, a Bronkhorst High-Tech által gyártott EL-FLOW® sorozatú tömegáram-mérők/szabályozók, egy folyékony tüzelőanyag-ellátó rendszer és egy bejövő levegő fűtőberendezés található. Az üzemanyagvezetékhez és a légvezetékekhez csatlakoztatott magas hőmérsékletű berendezés általános nézete a 2. ábrán látható.
A sebességmező kiegyenlítésére a fűtőberendezés bemeneténél kiegyenlítő berendezés található. A fő tüzelőanyag-ellátáshoz egy szivattyúrendszer van. A helyettesítő tüzelőanyag-ellátáshoz egy nyomástápláló rendszer van. A nyomástápláló rendszer a következőkből áll: egy üzemanyagtartály (10 liter), egy üzemanyagtartály nyomáskiegyenlítő és üzemanyagtöltő rendszer, valamint egy finom szűrő a kompozit hajtóanyagokhoz.
A nagynyomású szivattyú vezérlőrendszere lehetővé teszi a kimeneti nyomás változtatását 0,4 és 1,5 MPa közötti tartományban, legalább 250 l/h áramlási sebesség mellett.
Az égéstermékek összetételét a szondás mintavételezésen alapuló kontakt technikával határozták meg. Ez a módszer jelenleg a legfejlettebb, és a kísérleti gyakorlatban széles körben alkalmazzák.
A mintavevő vezeték (6. ábra) egy mintavevőből (1), egy Richter-abszorberből (2), a SICKGMS-810 analizátorba épített szivattyúból (3) (4), Seger-pipettákból (5) és egy GSB-400 gázmérőből (6) áll. A GSB-400 a mintavételezett gázok térfogatának , M3 és áramlási sebességének , M3/c becslésére szolgál.
A mintát – a mintavételi ponttól a Seger-pipettákig – a SICKGMS-810 analizátorba épített szivattyúval pumpálták. Ez a mintavezeték-konfiguráció lehetővé tette a minta Seger-pipettákon keresztül történő egyidejű pumpálását, valamint annak dehidratálását és elemzését.
A mintavétel során az égéstermékeket a Seger-pipettákon keresztül M3/c áramlási sebességgel, 20 pipettatérfogatnak megfelelő térfogattal pumpáltuk. A kapott gázmintákat gázkromatográfiával elemeztük. A mintavételt a szimulált égőkamra kimeneténél végeztük. A 2. táblázat tartalmazza az egyes kísérleti esetek kezdeti feltételeit.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Minden kísérlethez 8 mintavételt végeztek. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. táblázat. Eredmények
A kísérleti kutatás eredményeként megkaptuk a CO2, a CO, az el nem égett szénhidrogének (CnHm), az O2, a H2, a H20, az N2 és a benzol tömegszázalékának összefüggését a helyettesítő anyagban (3-12. ábra). Ezek az ábrák mutatják a kerozin égetésű minták elemzési eredményeit is.
A bemutatott ábrák azt mutatják, hogy a kerozin égéstermékei egyik esetben sem egyeztek meg a keverék égésénél. Az égéstér kilépésénél mért átlaghőmérséklet a keverék minden esetben azonos volt. Az égési hatásfok azonban a keverék benzoltartalmának növekedésével nőtt. Az égési hatásfokot a kiindulási keverék entalpiájának és a nem teljes égéstermékek entalpiájának hányadosaként számították ki. a keverék entalpiája (benzol/n-dekán/levegő); az égéstermékek entalpiája.
A benzolból és n-dekánból álló keverék párolgási hőmérséklete alacsonyabb, mint a keroziné. A keverékben lévő több benzol csökkenti a párolgási hőmérsékletet. Ezért a keverék használata javítja az üzemanyag permetezési és párolgási jellemzőit. Ez hatékonyabb égést és jobb égési hatékonyságot eredményezett, és nem változtatta meg az átlagos hőmérsékletet a kimeneti és az égéstérben. A 11. ábra azt mutatja, hogy az égéstér hőmérsékletének tengelye nem tér el 15°-nál nagyobb mértékben. A hőmérséklet a fal közelében több mint 170°-kal tér el. Ez a tény a gáz dinamikus áramlási szerkezetének változását mutatja az égéstér belsejében is. A kerozin és a helyettesítő anyag gázdinamikája eltérő. Az égéstermékek pontosabb előrejelzéséhez a helyettesítő anyagot egy komponenssel vagy komponenscsoporttal kell kiegészíteni. A kapott keveréknek reprodukálnia kell a kerozin fizikai tulajdonságait: viszkozitás és cseppfelületi feszültség.
5. Következtetések
Ez a dolgozat a benzol hozzáadásának hatását vizsgálta a helyettesítő keverékhez. A kísérleti vizsgálatot szimulált égéstérben végeztük. A szimulált égőkamra magában foglalja a kereskedelmi égőkamrákban lejátszódó összes fontosabb folyamatot. A TS-1 légi kerozin és a helyettesítő keverék égéstermékeinek összehasonlítását végeztük el. A vizsgálat kimutatta, hogy a benzol (20-30%) és az n-decan keverékének tüzelőanyagként való használata a kerozinnal összehasonlítva hasonló értékeket ad a hőmérséklet-eloszlás alapján. Az égési hatásfok is 4%-kal nőtt. A szennyezőanyag-kibocsátás nagyon eltérő. A szennyezőanyag-kibocsátás nagyon eltérő, mert a kerozin és a keverékek elégetésekor nagyon eltérő a gázdinamika. Az eredmények a CFD-modellek ellenőrzéséhez szükséges adatok alapját képezik.
Nómenklatúra
| CC: | Az égéstér |
| CFD: | Computational fluid dynamics |
| ICAO: | International Civil Aviation Organization |
| : | Egyenértékű arány |
| : | Kezdő hőmérséklet |
| : | Kezdeti nyomás |
| : | Tüzelőanyag tömegarány |
| : | Tüzelőanyag tömegarány. |
Érdekütközések
A szerzők kijelentik, hogy nem állnak összeférhetetlenségben a cikk publikálásával kapcsolatban.
Köszönet
Ezt a munkát az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma támogatta a “Kutatás és fejlesztés Oroszország tudományos-technológiai komplexumának kiemelt irányaiban 2014-2020” program (RFMEFI58716X0033) végrehajtása keretében. A vizsgálatok során a CAM-technológia közös használatú központjának berendezéseit használták (RFMEFI59314X0003).