Abstract
Syftet med den här uppsatsen är att genomföra experimentell forskning om utsläpp av farliga ämnen i den simulerade förbränningskammaren. Experimentet genomfördes i en simulerad förbränningskammare. Förbränningskammaren innehöll en brännaranordning, ett matningssystem för flytande bränsle och ett flamrör med två rader blandningshål och en rad kylhål. Förbränningskammarens driftläge var = 0,435, = 423 K och det atmosfäriska trycket. Förbränningshastigheten för flytande bränsle var 0,77 g/s. Tryckförhållandet i förbränningskammaren förblev konstant på = 3 %. Två typer av bränsle användes: flygfotogen av det ryska märket TS-1 och bränslesurrogatet var n-dekanblandning (C10H22) med bensentillsatser (C6H6). Bensentillsatserna var 5 % till 30 % (n-dekan/bensen: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 och 70/30).
1. Introduktion
En förbränningskammare är en av de viktigaste delarna av en gasturbinmotor som definierar dess utsläppsegenskaper. För närvarande har problemet med utsläpp från gasturbinmotorer främst lösts med hjälp av semiempiriska beräkningar och experimentell utveckling av prototyper. Detta tillvägagångssätt är arbetsintensivt och ger lite information om processerna i kammaren, vilket förhindrar genomförandet av ICAO:s standarder.
Moderna tekniker för utformning och felsökning av förbränningskamrar i gasturbinmotorer bör använda sig av CFD (Computational Fluid Dynamics). CFD-beräkningar bör baseras på samtidig lösning av gasdynamiska ekvationer och detaljerad kemisk kinetik. Med den nuvarande nivån på beräkningskraften verkar det inte möjligt att lösa sådana problem inom de närmaste decennierna. En annan lösning skulle kunna vara att använda hybridmetoder. En hybridmetod är tänkt att lösa varje problem individuellt och sedan kombinera dem i en enda algoritm. Simulering av kemisk kinetik är inte tänkbar utan användning av detaljerade och reducerade reaktionsmekanismer. För att utveckla kinetiska mekanismer är det nödvändigt att känna till den exakta sammansättningen av det ursprungliga bränslet. Det vanligaste bränslet i gasturbinmotorer är flygfotogen. Kerosin består av dussintals separata kolvätekomponenter. Dess sammansättning kan variera beroende på råvaror och tillverkare. Numerisk simulering kräver en blandning som består av de kända komponenterna och som innehåller ett begränsat antal kemiska beståndsdelar. Dessa blandningar kallas surrogat. Ett surrogat bör återge de viktigaste egenskaperna hos verkligt bränsle.
En detaljerad kinetisk mekanism för surrogatoxidation bör efterlikna de väsentliga kemiska egenskaperna hos fotogen. Reducerade mekanismer används för att beräkna gasdynamiken och bör identiskt beskriva fotogenens fysiska egenskaper samt för att exakt förutsäga temperaturfördelningen och koncentrationen av återvunnet bränsle i förbränningskammaren.
För att utveckla hybridmetoder för CFD-simulering av miljöprestanda i förbränningskammaren är det nödvändigt att lösa två huvudproblem:(1) Skräddarsy surrogatet för flygfotogen. Surrogatet bör korrekt återge flygfotogenens kemiska eller fysikaliska egenskaper. 2) Utveckla detaljerade och reducerade mekanismer för surrogatoxidation.
Lösningen av dessa problem (tillsammans eller i kombination) skulle kunna ge en solid grund för att utveckla en hybridmetod. Denna forskning har fokuserat på att lösa det första problemet.
2. Kerosinsurrogat
Alla komponenter i komplexa bränslen kan delas in i flera strukturella klasser. Dessa är alkaner (mättade kolväten med linjär eller grenad struktur), alkener (kolväten med dubbelbindningar), cykloalkaner (mättade kolväten som innehåller en ring) och aromatiska kolväten (molekyler som innehåller bensenringar) . Tabell 1 visar den genomsnittliga sammansättningen av vissa flygbränslen . Den största delen av bränslet består av alkaner: deras totala mängd uppgår till 65 %, och tillsammans med cykloalkaner utgör de 79-97 %. En betydande andel (upp till 20 %) utgörs av aromatiska kolväten. Koncentrationen av alkener i bränslet är däremot obetydlig.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
I flera arbeten föreslås ett stort antal surrogat för flygfotogen Jet-A som är vanligt förekommande i USA. Jet-A är analogt med den ryska flygfotogenen TC1. I ovanstående arbeten presenteras kinetiska mekanismer för att simulera antändning och förbränning av dessa surrogat. De enklaste surrogaten är monopropellantbränslen. Författarna simulerade Jet-A-bränning med n-dekan som surrogat. Cooke et al. använde n-dodekan i samma syfte och visade att alkylhydroperoxidradikaler spelar en viktig roll vid långsam oxidation av kolväten.
Eftersom fotogen innehåller upp till 20 % aromatiska kolväten som har sina egna specifika egenskaper när det gäller oxidationskinetik, måste dessa komponenter ingå i surrogatet. Följande aromatiska föreningar kan betraktas som möjliga alternativ: bensen, toluen, trimetylbensen, n-propylbensen, n-butylbensen och andra. Lindstedt och Maurice visade numeriskt att kerosinflammans struktur kan beskrivas med rimlig noggrannhet av ett surrogat: 89 % n-decan och 11 % aromatiska kolväten (bensen, toluen och etylbensen).
De flesta arbeten om surrogat handlar om att studera och jämföra deras grundläggande egenskaper: laminär flamhastighet, antändningsfördröjningstid och så vidare. I denna forskning har man jämfört förbränningsprodukterna av fotogen och dess surrogat vid förbränning i verklig utrustning. Surrogatet bestod av n-dekan och bensen i olika proportioner: 100 % n-decan, 95/5 %, 90/10 %, 85/15 %, 80/20 % och 75/25 % n-decan/benzen.
3. Försöksuppställning
Experimentet utfördes i en simulerad förbränningskammare (figur 1), som har en brännaranordning, ett system för tillförsel av flytande bränsle och ett flamrör med två rader av blandningshål och en rad av kylhål. Förbränningskammarens driftläge var = 0,435, = 423 K och det atmosfäriska trycket. Förbränningshastigheten för flytande bränsle är 0,77 g/s. Tryckförhållandet i förbränningskammaren som förblev konstant vid = 3 %. är totaltrycket vid inloppet i förbränningskammaren (const); är totaltrycket vid utloppet i förbränningskammaren (const).
Experimentella försök genomfördes i försöksuppställningen för höga temperaturer med en simulerad förbränningskammare. Försöksuppställningen är försedd med en flödesmätare från SMC, en pneumatisk strypventil med backventiler, massflödesmätare/regulatorer i EL-FLOW®-serien från Bronkhorst High-Tech, ett system för tillförsel av flytande bränsle och en värmare för inkommande luft. Den allmänna bilden av högtemperaturuppställningen som är ansluten till bränsleledningen och luftledningarna visas i figur 2.
För att utjämna hastighetsfältet finns en utjämningsanordning vid värmarens ingång. För huvudbränsletillförseln finns ett pumpsystem. För surrogatbränsletillförseln finns ett tryckmatningssystem. Tryckmatningssystemet består av följande: en bränsletank (10 liter), ett system för trycksättning och tankning av bränsletanken samt ett finfilter för sammansatta drivmedel.
Högtryckspumpens styrsystem gör det möjligt att ändra utgångstrycket i intervallet mellan 0,4 och 1,5 MPa vid en flödeshastighet på minst 250 l/h.
Sammansättningen av förbränningsprodukterna bestämdes med hjälp av kontakttekniken som bygger på provtagning med sond. Denna metod är för närvarande den mest utvecklade och används i stor utsträckning i experimentell praxis.
Provtagningslinjen (figur 6) består av en provtagare (1), en Richter-absorbator (2), en pump (3) som är inbyggd i SICKGMS-810-analysatorn (4), Seger-pipetter (5) och en GSB-400-gasmätare (6). GSB-400 används för att uppskatta volymen , M3 och flödeshastigheten , M3/c för provtagna gaser.
Provet – från provtagningspunkten till Seger-pipetterna – pumpades med en pump som är inbyggd i SICKGMS-810-analysatorn. Denna provledningskonfiguration möjliggjorde samtidig provpumpning via Seger-pipetter och dess dehydrering och analys.
Under provtagningen pumpades förbränningsprodukterna via Seger-pipetterna med flödeshastigheten M3/c med en volym som motsvarade 20 pipettvolymer. De erhållna gasproverna analyserades med hjälp av gaskromatografi. Provtagningen utfördes vid utgången av den simulerade förbränningskammaren. Tabell 2 visar de initiala förhållandena för varje experimentellt fall.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| För varje försök utfördes åtta provtagningar. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Resultat
Den experimentella forskningen har resulterat i att man fått fram sambandet mellan massfraktionen av CO2, CO, oförbrända kolväten (CnHm), O2, H2, H20, N2 och bensenprocenten i surrogatet (figurerna 3-12). Dessa figurer visar också analysresultaten för proverna med fotogenförbränning.
De presenterade figurerna visar att förbränningsprodukterna från fotogen inte stämde överens med något av fallen för blandningen vid förbränning. Den genomsnittliga temperaturen vid förbränningskammarens utlopp var densamma för alla fall av blandningen. Men förbränningseffektiviteten ökade med ökande bensenhalt i blandningen. Förbränningseffektiviteten beräknades som förhållandet mellan entalpi för den ursprungliga blandningen och entalpi för produkter av ofullständig förbränning. är entalpi för blandningen (bensen/n-dekan/luft); är entalpi för förbränningsprodukterna.
Blandning bestående av bensen och n-dekan har en lägre avdunstningstemperatur än fotogen. Ökad mängd bensen i blandningen sänker avdunstningstemperaturen. Därför förbättrar användningen av blandningen bränslets sprut- och avdunstningsegenskaper. Detta har lett till effektivare förbränning och förbättrad förbränningseffektivitet utan att ändra medeltemperaturen vid utloppet och i förbränningskammaren. Figur 11 visar att axeln för temperaturen i förbränningskammaren inte skiljer sig med mer än 15°. Temperaturen skiljer sig med mer än 170° nära väggen. Detta faktum visar att den dynamiska flödesstrukturen i förbränningskammaren också förändrats. Gasdynamiken för fotogen och surrogat är olika. För en noggrannare förutsägelse av förbränningsprodukterna bör surrogatet tillsättas med en komponent eller en grupp av komponenter. Den erhållna blandningen bör återge fotogenens fysikaliska egenskaper: viskositet och droppens ytspänning.
5. Slutsatser
Denna artikel har studerat effekten av att tillsätta bensen i surrogatblandningen. Den experimentella studien genomfördes i en simulerad förbränningskammare. Den simulerade förbränningskammaren innehåller alla viktiga processer som pågår i kommersiella förbränningskammare. En jämförelse gjordes för förbränningsprodukter av TS-1 flygfotogen och surrogatblandningen. Studien har visat att användningen av en blandning av bensen (20-30 %) och n-dekan som bränsle ger liknande värden som fotogen i temperaturfördelningen. Förbränningseffektiviteten ökar också med 4 %. Utsläppen av föroreningar är mycket olika. Utsläppen av föroreningar är mycket olika eftersom gasdynamiken är mycket annorlunda vid förbränning av fotogen och blandningar. Resultaten ligger till grund för data för verifiering av CFD-modeller.
Nomenklatur
| CC: | Förbränningskammare |
| CFD: | Computational fluid dynamics |
| ICAO: | Internationella civila luftfartsorganisationen |
| : | Ekvivalentförhållande |
| : | Initialtemperatur |
| : | Initialtryck |
| : | Luftmassa |
| : | Bränslemassa. |
Intressekonflikter
Författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter när det gäller publiceringen av denna artikel.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Ryska federationens ministerium för utbildning och vetenskap inom ramen för genomförandet av programmet ”Forskning och utveckling om prioriterade riktningar för Rysslands vetenskapligt-tekniska komplex för 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). Utrustning från CAM technology common use center (RFMEFI59314X0003) användes i dessa studier.