Abstract
Het doel van dit artikel is het uitvoeren van experimenteel onderzoek naar de emissie van gevaarlijke stoffen bij de gesimuleerde verbrandingskameruitgang. Het experiment werd uitgevoerd in een gesimuleerde verbrandingskamer. De verbrandingskamer bevatte een brander; een systeem voor de toevoer van vloeibare brandstof; en een vlampijp met twee rijen menggaten en een rij koelgaten. De werking van de verbrandingskamer was = 0,435, = 423 K, en de atmosferische druk. De verbrandingssnelheid van de vloeibare brandstof bedroeg 0,77 g/s. De drukverhouding in de verbrandingskamer bleef constant op = 3%. Er werden twee soorten brandstof gebruikt: kerosine van het Russische merk TS-1 en het brandstofsurrogaat was een n-decaanmengsel (C10H22) met benzeentoevoegingen (C6H6). De benzeen toevoegingen waren 5% tot 30% (n-decaan/benzeen: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25, en 70/30).
1. Inleiding
De verbrandingskamer is een van de belangrijkste onderdelen van een gasturbinemotor die bepalend is voor de emissie-eigenschappen. Momenteel is het probleem van de emissies van gasturbines voornamelijk opgelost door middel van semiempirische berekeningen en de ontwikkeling van prototypen door middel van experimenten. Deze aanpak is arbeidsintensief en geeft weinig informatie over de processen binnen de kamer, waardoor de ICAO-normen niet kunnen worden toegepast.
Moderne technieken voor het ontwerpen en debuggen van verbrandingskamers van gasturbinemotoren moeten gebruik maken van computationele vloeistofdynamica (CFD). CFD-berekeningen moeten gebaseerd zijn op de gelijktijdige oplossing van gasdynamische vergelijkingen en gedetailleerde chemische kinetiek. Met het huidige niveau van de computerkracht lijkt de oplossing van dergelijke problemen in de komende decennia niet mogelijk. Een andere oplossing zou het gebruik van hybride methoden kunnen zijn. Een hybride methode wordt verondersteld elk probleem afzonderlijk op te lossen en ze vervolgens in één algoritme te combineren. Simulatie van chemische kinetiek is niet denkbaar zonder gebruik te maken van gedetailleerde en gereduceerde reactiemechanismen. Om kinetische mechanismen te ontwikkelen is het noodzakelijk de exacte samenstelling van de initiële brandstof te kennen. Het belangrijkste type brandstof voor gasturbines is kerosine voor vliegtuigen. Kerosine bestaat uit tientallen afzonderlijke koolwaterstofbestanddelen. De samenstelling ervan kan variëren naar gelang van de grondstoffen en de fabrikanten. Numerieke simulatie vereist een mengsel dat bestaat uit de bekende componenten en dat een beperkt aantal chemische bestanddelen bevat. Deze mengsels worden surrogaten genoemd. Een surrogaat moet de belangrijkste eigenschappen van echte brandstof nabootsen.
Een gedetailleerd kinetisch mechanisme van de oxidatie van het surrogaat moet de essentiële chemische eigenschappen van kerosine nabootsen. Verminderde mechanismen worden gebruikt voor de berekening van de gasdynamica en moeten de fysische eigenschappen van kerosine identiek beschrijven en de temperatuurverdeling en de teruggewonnen brandstofconcentratie in de verbrandingskamer nauwkeurig voorspellen.
Om hybride methoden van CFD-simulatie van de milieuprestaties van de verbrandingskamer te ontwikkelen, is het noodzakelijk om twee belangrijke problemen op te lossen:(1)Het op maat maken van het kerosine-surrogaat voor de luchtvaart. Het surrogaat moet de chemische of fysische eigenschappen van kerosine goed reproduceren.(2)Het ontwikkelen van gedetailleerde en gereduceerde mechanismen van oxidatie van het surrogaat.
De oplossing van deze problemen (samen of in combinatie) zou een solide basis kunnen vormen voor het ontwikkelen van een hybride methode. Dit onderzoek heeft zich gericht op het oplossen van het eerste probleem.
2. Kerosine Surrogaat
Alle componenten van complexe brandstoffen kunnen worden onderverdeeld in verschillende structurele klassen. Dit zijn alkanen (verzadigde koolwaterstoffen met een lineaire of vertakte structuur), alkenen (koolwaterstoffen met dubbele bindingen), cycloalkanen (verzadigde koolwaterstoffen die een ring bevatten), en aromatische koolwaterstoffen (moleculen die benzeenringen bevatten) . Tabel 1 geeft de gemiddelde samenstelling van enkele vliegtuigbrandstoffen weer . Het grootste deel van de brandstof bestaat uit alkanen: hun totale hoeveelheid bereikt 65%, en samen met de cycloalkanen vormen zij 79-97%. Een aanzienlijk deel (tot 20%) bestaat uit aromatische koolwaterstoffen. De concentratie van alkenen in de brandstof is daarentegen onbeduidend.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verschillende werken suggereren een groot aantal surrogaten voor vliegtuigkerosine Jet-A, dat in de VS algemeen wordt gebruikt. Jet-A is analoog aan de Russische kerosine TC1. In bovengenoemde werken worden kinetische mechanismen gepresenteerd om de ontsteking en verbranding van deze surrogaten te simuleren. De eenvoudigste surrogaten zijn monopropellante brandstoffen. De auteurs van simuleerden de verbranding van Jet-A met n-decaan als surrogaat. Cooke et al. gebruikten n-decaan voor hetzelfde doel en toonden een belangrijke rol aan van alkylhydroperoxide-radicalen bij de langzame oxidatie van koolwaterstoffen.
Omdat kerosine tot 20% aromatische koolwaterstoffen bevat met hun eigen specifieke kenmerken in de oxidatiekinetiek, moeten deze componenten zeker in het surrogaat worden opgenomen. De volgende aromatische verbindingen kunnen als mogelijke opties worden beschouwd: benzeen, tolueen, trimethylbenzeen, n-propylbenzeen, n-butylbenzeen, en andere. Lindstedt en Maurice toonden numeriek aan dat de kerosinevlamstructuur met redelijke nauwkeurigheid kan worden beschreven door een surrogaat: 89% n-decaan en 11% aromatische koolwaterstoffen (benzeen, tolueen en ethylbenzeen).
De meeste werken aan surrogaten hebben betrekking op het bestuderen en vergelijken van hun fundamentele kenmerken: laminaire vlamsnelheid, ontstekingsvertragingstijd, enzovoort. In dit onderzoek zijn de verbrandingsproducten van kerosine en het surrogaat ervan vergeleken bij verbranding in reële apparatuur. Het surrogaat bestond uit n-decaan en benzeen in verschillende verhoudingen: 100% n-decaan, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20%, en 75/25% n-decaan/benzeen.
3. Experimentele opstelling
Het experiment werd uitgevoerd in een gesimuleerde verbrandingskamer (figuur 1), die is voorzien van een branderinrichting, een systeem voor de toevoer van vloeibare brandstof, en een vlampijp met twee rijen menggaten en een rij koelgaten. De werkingsmodus van de verbrandingskamer was = 0,435, = 423 K, en de atmosferische druk. De verbrandingssnelheid van de vloeibare brandstof bedraagt 0,77 g/s. De drukverhouding in de verbrandingskamer bleef constant op = 3%. is de totale druk aan de inlaat van de verbrandingskamer (const); is de totale druk aan de uitlaat van de verbrandingskamer (const).
Experimentele proeven werden uitgevoerd in de experimentele opstelling bij hoge temperatuur met een gesimuleerde verbrandingskamer. De experimentele opstelling bevat een debietmeter van SMC, een pneumatische gasklep met terugslagkleppen, massadebietmeters/regelaars van de EL-FLOW®-serie van Bronkhorst High-Tech, een systeem voor de toevoer van vloeibare brandstof en een verwarmingselement voor de inlaatlucht. Het algemene aanzicht van de hogetemperatuuropstelling, aangesloten op de brandstofleiding en de luchtleidingen, is weergegeven in figuur 2.
Om het snelheidsveld te egaliseren is een egalisatie-inrichting aan de ingang van de verwarming aangebracht. Voor de hoofdbrandstoftoevoer is er een pompsysteem. Voor de surrogaatbrandstoftoevoer is er een druktoevoersysteem. Het druktoevoersysteem bestaat uit het volgende: een brandstoftank (10 liter), een systeem voor het op druk brengen en tanken van de brandstoftank, en een fijn filter voor samengestelde stuwstoffen.
Het regelsysteem van de hogedrukpomp maakt het mogelijk de uitgangsdruk te regelen in het bereik tussen 0,4 en 1,5 MPa bij een debiet van ten minste 250 l/h.
De samenstelling van de verbrandingsprodukten werd bepaald met de contacttechniek op basis van sondebemonstering. Deze methode is momenteel het meest ontwikkeld en wordt veel gebruikt in de experimentele praktijk.
De monsterleiding (figuur 6) bestaat uit een monsternemer (1), een Richter-absorber (2), een pomp (3) ingebouwd in de SICKGMS-810 analyser (4), Seger-pipetten (5), en een GSB-400 gasmeter (6). GSB-400 wordt gebruikt om het volume , M3 en het debiet , M3/c van de bemonsterde gassen te schatten.
Het monster-van het bemonsteringspunt naar de Seger-pipetten werd gepompt met een pomp ingebouwd in de SICKGMS-810 analysator. Deze configuratie van de monsterleiding maakte het mogelijk tegelijkertijd monsters te pompen via Seger-pipetten en deze te dehydrateren en te analyseren.
Tijdens de bemonstering werden de verbrandingsproducten via de Seger-pipetten gepompt met een stroomsnelheid van M3/c en een volume gelijk aan 20 pipetvolumes. De verkregen gasmonsters werden geanalyseerd met behulp van gaschromatografie. De bemonstering werd uitgevoerd aan de uitgang van de gesimuleerde verbrandingskamer. Tabel 2 bevat de beginvoorwaarden voor elk experimenteel geval.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Voor elk experiment zijn er 8 bemonsteringen uitgevoerd. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Resultaten
Het experimentele onderzoek heeft geresulteerd in het verkrijgen van de relatie tussen de massafractie van CO2, CO, onverbrande koolwaterstoffen (CnHm), O2, H2, H20, N2, en het benzeenpercentage in het surrogaat (figuren 3-12). In deze figuren zijn ook de analyseresultaten voor de kerosineverbrandingsmonsters weergegeven.
Uit de gepresenteerde figuren blijkt dat de verbrandingsproducten van kerosine in geen van de gevallen overeenkwamen met die van het mengsel bij verbranding. De gemiddelde temperatuur bij de uitgang van de verbrandingskamer was voor alle gevallen van het mengsel gelijk. Maar het verbrandingsrendement nam toe met toenemend benzeengehalte in het mengsel. Het verbrandingsrendement werd berekend als de verhouding tussen de enthalpie van het oorspronkelijke mengsel en de enthalpie van de producten van onvolledige verbranding. is enthalpie van mengsel (benzeen/n-decaan/lucht); is enthalpie van verbrandingsproducten.
Mengsel bestaande uit benzeen en n-decaan heeft een lagere verdampingstemperatuur dan kerosine. Meer benzeen in het mengsel verlaagt de verdampingstemperatuur. Daarom verbetert het gebruik van mengsel de verstuivings- en verdampingseigenschappen van brandstof. Dit heeft geleid tot een efficiëntere verbranding en een hoger verbrandingsrendement, zonder dat de gemiddelde temperatuur aan de uitlaat en in de verbrandingskamer is veranderd. Uit figuur 11 blijkt dat de as van de verbrandingskamertemperatuur niet meer dan 15° verschilt. Dicht bij de wand bedraagt het temperatuurverschil meer dan 170°. Hieruit blijkt dat ook de stromingsstructuur van het gas in de verbrandingskamer verandert. De gasdynamica voor kerosine en surrogaat is verschillend. Voor een nauwkeuriger voorspelling van verbrandingsproducten moet het surrogaat worden toegevoegd aan een component of een groep componenten. Het verkregen mengsel moet de fysische eigenschappen van kerosine reproduceren: viscositeit en druppeloppervlaktespanning.
5. Conclusies
Dit artikel heeft het effect bestudeerd van de toevoeging van benzeen aan het surrogaatmengsel. De experimentele studie werd uitgevoerd in een gesimuleerde verbrandingskamer. De gesimuleerde verbrandingskamer omvat alle belangrijke processen die zich in commerciële verbrandingskamers afspelen. Er is een vergelijking gemaakt tussen de verbrandingsproducten van TS-1 kerosine en het surrogaatmengsel. Uit de studie is gebleken dat het gebruik van een mengsel van benzeen (20-30%) en n-decaan als brandstof vergelijkbare waarden oplevert in vergelijking met kerosine wat de temperatuurverdeling betreft. Het verbrandingsrendement wordt eveneens met 4% verhoogd. De uitstoot van verontreinigende stoffen is zeer verschillend. De uitstoot van verontreinigende stoffen is zeer verschillend omdat de gasdynamiek bij het verbranden van kerosine en mengsels zeer verschillend is. De resultaten zijn de basis van gegevens voor de verificatie van CFD-modellen.
Nomenclatuur
| CC: | Verbrandingskamer |
| CFD: | Computational fluid dynamics |
| ICAO: | Internationale Burgerluchtvaartorganisatie |
| : | Equivalente verhouding |
| : | Initiële temperatuur |
| : | Initiële druk |
| : | Massa-luchtsnelheid |
| : | Massabrandstofsnelheid. |
Conflicts of Interest
De auteurs verklaren dat zij geen belangenconflicten hebben met betrekking tot de publicatie van dit artikel.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door het Ministerie van Onderwijs en Wetenschap van de Russische Federatie in het kader van de uitvoering van het programma “Onderzoek en ontwikkeling op prioritaire richtingen van wetenschappelijk-technologisch complex van Rusland voor 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). Apparatuur van CAM-technologie gemeenschappelijk gebruik centrum (RFMEFI59314X0003) werd gebruikt in deze studies.