Abstract
Celem niniejszej pracy jest przeprowadzenie badań eksperymentalnych emisji substancji niebezpiecznych na wyjściu z symulowanej komory spalania. Eksperyment przeprowadzono w symulowanej komorze spalania. Komora spalania zawierała urządzenie palnikowe, system podawania paliwa ciekłego oraz płomieniówkę z dwoma rzędami otworów mieszających i jednym rzędem otworów chłodzących. Tryb pracy komory spalania wynosił = 0,435, = 423 K, oraz ciśnienie atmosferyczne. Szybkość spalania paliwa ciekłego wynosiła 0,77 g/s. Współczynnik ciśnienia w komorze spalania utrzymywał się na stałym poziomie = 3%. Zastosowano dwa rodzaje paliwa: naftę lotniczą rosyjskiej marki TS-1 oraz surogat paliwa w postaci mieszaniny n-dekanu (C10H22) z dodatkami benzenu (C6H6). Dodatki benzenu wynosiły od 5% do 30% (n-dekan/benzen: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 i 70/30).
1. Wstęp
Komora spalania jest jedną z głównych części silnika gazowo-turbinowego określającą jego charakterystykę emisyjną. Obecnie problem emisji zanieczyszczeń z silników turbinowych rozwiązywany jest głównie na drodze obliczeń półempirycznych oraz prototypowych badań eksperymentalnych. Takie podejście jest pracochłonne i daje niewiele informacji o procesach zachodzących wewnątrz komory, co uniemożliwia wdrożenie norm ICAO.
Nowoczesne techniki projektowania i usuwania błędów w komorach spalania silników gazowo-turbinowych powinny wykorzystywać obliczeniową dynamikę płynów (CFD). Obliczenia CFD powinny być oparte na jednoczesnym rozwiązywaniu równań dynamiki gazu i szczegółowej kinetyki chemicznej. Przy obecnym poziomie mocy obliczeniowej rozwiązanie tego typu problemów w najbliższych dekadach nie wydaje się możliwe. Innym rozwiązaniem może być zastosowanie metod hybrydowych. Metoda hybrydowa polega na rozwiązywaniu każdego problemu z osobna, a następnie łączeniu ich w jeden algorytm. Symulacja kinetyki chemicznej nie jest możliwa bez wykorzystania szczegółowych i zredukowanych mechanizmów reakcji. Do opracowania mechanizmów kinetycznych konieczna jest znajomość dokładnego składu paliwa wyjściowego. Głównym rodzajem paliwa do silników turbin gazowych jest nafta lotnicza. Nafta składa się z kilkudziesięciu oddzielnych składników węglowodorowych. Jej skład może być różny w zależności od surowców i producentów. Symulacja numeryczna wymaga mieszaniny składającej się ze znanych składników i zawierającej ograniczoną liczbę składników chemicznych. Mieszaniny takie nazywane są surogatami. Surogat powinien odtwarzać główne właściwości rzeczywistego paliwa.
Szczegółowy kinetyczny mechanizm utleniania surogatu powinien imitować zasadnicze właściwości chemiczne nafty. Zredukowane mechanizmy są używane do obliczania dynamiki gazu i powinny identycznie opisywać właściwości fizyczne nafty, jak również dokładnie przewidywać rozkład temperatury i stężenie odzyskanego paliwa w komorze spalania.
Aby rozwinąć hybrydowe metody symulacji CFD wydajności środowiskowej komory spalania, konieczne jest rozwiązanie dwóch głównych problemów:(1)Dostosowanie surogatu nafty lotniczej. Surogat powinien prawidłowo odtwarzać właściwości chemiczne i fizyczne nafty.(2)Opracowanie szczegółowych i zredukowanych mechanizmów utleniania surogatu.
Rozwiązanie tych problemów (razem lub w połączeniu) może zapewnić solidne podstawy do opracowania metody hybrydowej. Niniejsze badania skupiły się na rozwiązaniu pierwszego problemu.
2. Surrogat nafty
Wszystkie składniki paliw złożonych można podzielić na kilka klas strukturalnych. Są to alkany (węglowodory nasycone o strukturze liniowej lub rozgałęzionej), alkeny (węglowodory z wiązaniami podwójnymi), cykloalkany (węglowodory nasycone zawierające pierścień) i węglowodory aromatyczne (cząsteczki zawierające pierścienie benzenowe). Tabela 1 przedstawia średni skład niektórych paliw lotniczych. Większą część paliwa stanowią alkany: ich łączna ilość sięga 65%, a wraz z cykloalkanami stanowią 79-97%. Znaczący udział (do 20%) mają węglowodory aromatyczne. Z kolei stężenie alkenów w paliwie jest nieznaczne.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
W wielu pracach proponuje się dużą liczbę surogatów nafty lotniczej Jet-A, która jest powszechnie stosowana w USA. Jet-A jest analogiczny do rosyjskiej nafty TC1. W powyższych pracach przedstawiono kinetyczne mechanizmy symulacji zapłonu i spalania tych surogatów. Najprostszymi surogatami są paliwa monopropelentne. Autorzy symulowali spalanie Jet-A z użyciem n-dekanu jako surogatu. Cooke i wsp. wykorzystali n-dodekan do tego samego celu i wykazali istotną rolę rodników wodoronadtlenkowych alkilowych w powolnym utlenianiu węglowodorów.
Jako że nafta zawiera do 20% węglowodorów aromatycznych, mających swoje specyficzne cechy w kinetyce utleniania, składniki te na pewno wejdą w skład surogatu. Jako możliwe opcje można rozważyć następujące związki aromatyczne: benzen, toluen, trimetylobenzen, benzen n-propylowy, benzen n-butylowy i inne. Lindstedt i Maurice wykazali numerycznie, że struktura płomienia nafty może być opisana z rozsądną dokładnością przez surogat: 89% n-dekanu i 11% węglowodorów aromatycznych (benzen, toluen i etylobenzen).
Większość prac nad surogatami zajmuje się badaniem i porównywaniem ich podstawowych cech: prędkości płomienia laminarnego, czasu opóźnienia zapłonu, i tak dalej. W niniejszych badaniach porównano produkty spalania nafty i jej surogatu podczas spalania w rzeczywistych urządzeniach. Substytut składał się z n-dekanu i benzenu w różnych proporcjach: 100% n-dekan, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20% oraz 75/25% n-dekan/benzen.
3. Konfiguracja eksperymentalna
Doświadczenie przeprowadzono w symulowanej komorze spalania (rys. 1), która posiada urządzenie palnikowe, układ zasilania paliwem ciekłym oraz płomieniówkę z dwoma rzędami otworów mieszających i jednym rzędem otworów chłodzących. Tryb pracy komory spalania wynosił = 0,435, = 423 K, oraz ciśnienie atmosferyczne. Szybkość spalania paliwa ciekłego wynosiła 0,77 g/s. Stosunek ciśnień w komorze spalania, który pozostawał stały na poziomie = 3%. to ciśnienie całkowite na wlocie do komory spalania (const); to ciśnienie całkowite na wylocie z komory spalania (const).
Próby doświadczalne przeprowadzono na wysokotemperaturowym stanowisku doświadczalnym z symulowaną komorą spalania. W skład zestawu wchodzi przepływomierz firmy SMC, przepustnica pneumatyczna z zaworami zwrotnymi, przepływomierze/sterowniki masowe serii EL-FLOW® firmy Bronkhorst High-Tech, układ zasilania paliwem ciekłym oraz nagrzewnica powietrza doprowadzanego. Widok ogólny zestawu wysokotemperaturowego połączonego z przewodem paliwowym i przewodami powietrza przedstawiono na rysunku 2.
W celu wyrównania pola prędkości, na wejściu nagrzewnicy znajduje się urządzenie wyrównujące. Dla zasilania paliwem głównym przewidziany jest układ pompowy. Do zasilania paliwem zastępczym służy ciśnieniowy układ zasilania. Układ zasilania ciśnieniowego składa się z następujących elementów: zbiornika paliwa (10 litrów), układu tłoczenia i tankowania zbiornika paliwa oraz filtra dokładnego do paliw kompozytowych.
Układ sterowania pompą wysokociśnieniową umożliwia zmianę ciśnienia wyjściowego w zakresie od 0,4 do 1,5 MPa przy przepływie co najmniej 250 l/h.
Skład produktów spalania określono techniką kontaktową opartą na próbkowaniu sondą. Metoda ta jest obecnie najbardziej rozwinięta i szeroko stosowana w praktyce eksperymentalnej.
Linia próbkująca (Rysunek 6) składa się z próbnika (1), absorbera Richtera (2), pompy (3) wbudowanej w analizator SICKGMS-810 (4), pipet Segera (5) oraz gazomierza GSB-400 (6). GSB-400 jest używany do oszacowania objętości , M3 i natężenia przepływu , M3/c pobranych próbek gazów.
Próbka – od punktu poboru do pipet Segera – była pompowana za pomocą pompy wbudowanej w analizator SICKGMS-810. Taka konfiguracja linii próbkowania pozwalała na jednoczesne pompowanie próbki przez pipety Segera oraz jej odwodnienie i analizę.
Podczas pobierania próbki produkty spalania pompowane były przez pipety Segera z przepływem M3/c o objętości równej 20 objętościom pipety. Uzyskane próbki gazów analizowano metodą chromatografii gazowej. Pobieranie próbek odbywało się na wyjściu z symulowanej komory spalania. Tabela 2 przedstawia warunki początkowe dla każdego przypadku eksperymentalnego.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dla każdego eksperymentu wykonano 8 pobrań próbek. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Wyniki
W wyniku przeprowadzonych badań eksperymentalnych uzyskano zależności pomiędzy ułamkiem masowym CO2, CO, niespalonych węglowodorów (CnHm), O2, H2, H20, N2, a procentowym udziałem benzenu w surogacie (rysunki 3-12). Na rysunkach tych przedstawiono również wyniki analizy dla próbek spalania nafty.
Z przedstawionych rysunków wynika, że produkty spalania nafty nie pokrywały się w żadnym z przypadków spalania mieszaniny. Uśredniona temperatura na wylocie z komory spalania była taka sama dla wszystkich przypadków mieszanki. Jednak sprawność spalania wzrastała wraz z rosnącą zawartością benzenu w mieszaninie. Sprawność spalania obliczono jako stosunek entalpii początkowej mieszaniny do entalpii produktów niezupełnego spalania. is entalpia mieszaniny (benzen/n-dekan/powietrze); is entalpia produktów spalania.
Mieszanina składająca się z benzenu i n-dekanu ma niższą temperaturę parowania niż nafta. Zwiększona zawartość benzenu w mieszaninie obniża temperaturę odparowania. Dlatego stosowanie mieszanki poprawia właściwości rozpylania i odparowywania paliwa. Doprowadziło to do efektywniejszego spalania i poprawy sprawności spalania, a nie zmieniło średniej temperatury na wylocie i w komorze spalania. Z rysunku 11 wynika, że oś temperatury w komorze spalania nie różni się o więcej niż 15°. W pobliżu ściany temperatura różni się o ponad 170°. Fakt ten świadczy o zmianie struktury dynamiki przepływu gazu również wewnątrz komory spalania. Dynamika gazu dla nafty i surogatu jest inna. W celu dokładniejszego przewidywania produktów spalania, do surogatu należy dodać składnik lub grupę składników. Otrzymana mieszanina powinna odwzorowywać właściwości fizyczne nafty: lepkość i napięcie powierzchniowe kropli.
5. Wnioski
W niniejszej pracy zbadano wpływ dodatku benzenu do mieszaniny zastępczej. Badania eksperymentalne przeprowadzono w symulowanej komorze spalania. Symulowana komora spalania zawiera wszystkie główne procesy zachodzące w komercyjnych komorach spalania. Porównano produkty spalania nafty lotniczej TS-1 i mieszaniny zastępczej. Badania wykazały, że zastosowanie mieszaniny benzenu (20-30%) i n-dekanu jako paliwa daje podobne wartości rozkładu temperatury w porównaniu z naftą. Sprawność spalania wzrasta również o 4%. Emisja zanieczyszczeń jest bardzo różna. Emisja zanieczyszczeń jest bardzo różna, ponieważ jest to bardzo różna dynamika gazu przy spalaniu nafty i mieszanek. Uzyskane wyniki są podstawą danych do weryfikacji modeli CFD.
Nomenklatura
| CC: | Komora spalania |
| CFD: | Komputerowa dynamika płynów |
| ICAO: | Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego |
| : | Współczynnik równoważny |
| : | Temperatura początkowa |
| : | Ciśnienie początkowe |
| : | Masowa szybkość powietrza |
| : | Masowa szybkość paliwa. |
Konflikt interesów
Autorzy oświadczają, że nie mają konfliktu interesów w związku z publikacją tej pracy.
Podziękowania
Praca ta była wspierana przez Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej w ramach realizacji programu „Badania i rozwój w priorytetowych kierunkach kompleksu naukowo-technologicznego Rosji na lata 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). W badaniach wykorzystano sprzęt centrum wspólnego użytkowania technologii CAM (RFMEFI59314X0003).