Влияние особенностей конструкции камер сгорания двигателей НК-16СТ, НК-16-18СТ на содержание углекислого газа в продуктах сгорания

Камера сгорания – один из основных элементов, определяющих надежность и эффективность работы газотурбинных двигателей (ГТД). Рабочий процесс камеры сгорания ГТД очень сложен и определяется множеством факторов: аэродинамикой потоков воздуха и газа, характером подачи топлива и его смешения с воздухом и испарения, воспламенением, стабилизацией пламени, условиями массо- и теплообмена, закономерностями горения по длине камеры сгорания. Несмотря на существенные различия в общей компоновке и большое разнообразие в конструкторском оформлении отдельных элементов камер сгорания различных двигателей, они в своей основе имеют общие принципы организации рабочего процесса [1].

Особенностью процесса сгорания в газотурбинном двигателе является то, что суммарный состав смеси топлива с воздухом лежит за пределами воспламеняемости, а температура цикла ниже температуры мгновенного воспламенения любых углеводородных топлив. Горение в двигателе происходит в потоке воздуха, скорость которого значительно выше скорости распространения пламени углеводородных топлив. Скорость потока в камерах сгорания стационарных двигателей составляет 30–80 м/с, авиационных – до 50–120 м/с. К тому же сгорание должно происходить в весьма ограниченном объеме, а потому с высокой скоростью тепловыделения при очень быстром протекании процессов смешения и горения. Независимо от указанных ограничений, в двигателе необходимо обеспечить устойчивое горение, высокую полноту сгорания, воспламеняемость и низкие выбросы токсичных веществ.

В настоящее время вопросы снижения парниковых газов, в частности выбросов СО2, в выхлопных газах ГТД являются актуальными для энергетики и газотранспортной отрасли. Особый интерес представляет влияние организации горения в камере сгорания на образование СО2 в зависимости от режимов работы ГТД [2].

Современные газообразные топлива представляют собой смесь различных углеводородных соединений. Условную химическую формулу такого топлива можно представить в виде C_mH_n. Для метана m ~1, n ~4.

В технических расчетах атмосферный воздух принимают как смесь азота и кислорода, тогда условную химическую формулу воздуха можно представить соотношением (О 2 + 3,76N 2 ). Коэффициент 3,76 показывает, что в воздухе на 1 молекулу кислорода приходится примерно 3,76 молекул азота.

Химическую реакцию окисления углеводородного топлива в воздухе можно записать символически в виде стехиометрического уравнения

4C m H n + (4m + n)·(O 2 + 3,76N 2 ) = 4mCO 2 + 2nH 2 O + 3,76(4m + n)N 2 . (1)

Стехиометрическое уравнение записано в предположении полного превращения топлива в основные продукты сгорания и полной химической инертности атмосферного азота. Стехиометрическое уравнение дает макроскопическое описание процесса окисления топлива и позволяет определить такие важные характеристики, как стехиометрическое соотношение для топлива L 0 и состав продуктов полного сгорания, а именно:

^{( 4 m} + n ) ( ^ц 0,2 + 3’76 ' ^ц n ₂ ) 34,32(4 m + n ) кг воздуха

4(m -цc + n -цМ)         12m + n   кг топлива где µ – молекулярная масса соответствующего вещества,

C =       4 m - 100      %

CO ² 4 m + 2 n + 3,76 ( 4 m + n ) ’

C Н₂о =------- ² n ^{- 10}0 ------? %,

• ²   4 m + 2 n + 3,76 ( 4 m + n )

C =    3,76(4 m + n ) - 100   %

N ²  4 m + 2 n + 3,76 ( 4 m + n )

Для метана m = 1, n = 4, то

L 0 - 17,2; С co ₂ - 9,5; С _H2 o - 19; С _N 2 - 71,5 %.

В процессе окисления углеродосодержащих топлив окись углерода СО образуется как промежуточное вещество. Превращение СО в СО 2 в большей степени определяется элементарной реакцией [3]

СО + ОН → СО 2 + Н .

Так как эта реакция является единственной, определяющей превращение СО в СО2, то можно сделать вывод, что весь углерод, первоначально содержащийся в топливе, превращается в СО2. Отсюда следует, что содержание СО2 в продуктах сгорания будет определяться завершенностью или незавершенностью реакции его окисления.

Объект исследования

Для определения влияния конструкции камеры сгорания на содержание СО 2 в продуктах сгорания, в данной работе рассматривается два типа камер сгорания. Одна является серийной для двигателя НК-16СТ, другая – для двигателя НК-16-18СТ.

В серийной камере сгорания ГТД НК-16СТ организован диффузионный принцип сжигания топлива. Камера (рис. 1) состоит из наружного 1 и внутреннего 2 корпусов, коллектора 3 , трубопроводов 4 для подачи топлива от коллектора к форсункам 5 , жаровой трубы 6 , включающей в себя кожухи 7 с нанесенными отверстиями 8 и патрубками смесителей 9 . В кольцевом фронтовом устройстве 10 размещены 32 вихривые горелки 11. Жаровая труба – кольцевая – состоит из кольцевых секций, между которыми сформирован кольцевой канал для подачи охлаждающего воздуха, что обеспечивает конвективно-пленочное охлаждение стенок [4].

Рис. 1. Камера сгорания двигателя НК-16СТ

Fig. 1. Combustion Chamber of the Gas-turbine Engine NK-16ST

В каждой вихревой горелке организован индивидуальный подвод топливного газа посредст-вам форсунок, обеспечивающих струйную подачу газа [5].

Фронтовое устройство жаровой трубы ГТД НК-16-18СТ (рис. 2) содержит кольцевую головку 1 , включающую наружный и внутренний топливный коллектор 2 . На стенке наружного топливного коллектора равномерно расположены четыре подвода, необходимые для подачи газа во внутреннюю полость коллекторов. Полости коллекторов соединяются при помощи каналов 3 , расположенных во фронтовом устройстве. Так же в нем в шахматном порядке в два ряда нанесены фигурные окна 4 с центральным отверстием и стойки крепления форсунок 5 [6; 7].

Рис. 2. Камера сгорания двигателя НК-16-18СТ

Fig. 2. Combustion Chamber of the Gas-turbine Engine NK-16-18ST

Каждая камера была испытана в составе газотурбинного двигателя. Стенд (рис. 3), где устанавливался двигатель, состоит из воздухоподводящей выравнивающей трубы, вход в которую предохраняет защитная сетка. Она необходима для предотвращения попадания посторонних частиц в трактовую часть двигателя. Для осуществления транспортировки отработавших газов в шахту выхлопа в выходной части двигателя установлено выходное устройство. В качестве загрузочного устройства свободной турбины применялся воздушный компрессор – пневмотормоз [8].

Рис. 3. Схема стенда

Fig. 3. Scheme of the Stand

Стенд оборудован необходимыми измерительными приборами. Оснащен масляной системой для выполнения смазки опор двигателя и агрегатов во время проведения испытаний. Для обеспечения запуска и подачи топливного газа к элементам топливопитания стенд содержит газовую систему. Контроль за параметрами двигателя и регулирование режимов его работы выполняется с пульта управления, оснащенного мониторами, на которые выводятся измеряемые параметры [9].

Результаты испытаний

Во время испытаний выполнялся запуск двигателей и выход на режимы необходимые для построения дроссельной характеристики. На режимах выше 10 МВт, в соответствии со стандартом [10] в выхлопной шахте производился отбор проб продуктов сгорания и определялись концентрации токсичных веществ в них.

Для отбора проб использовался газоотборный зонд, погружаемый в специальное окно, выполненное в стенке выхлопной шахты, а для определения концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания использовался газоанализатор Testo 350. По измеренной величине концентрации кислорода (O2) в продуктах сгорания рассчитывается содержание CO2:

c ( CO 2 )

_ c ( CO 2max ) ( 21 - c ( O 2 ) )

где c (CO_{2 max}) – максимальное значение концентрации CO₂, %; 21 – концентрация O₂ в воздухе, %; c (O₂) – измеренная концентрация O₂ в продуктах сгорания, %.

Согласно быстродействию прибора, время проведения одного измерения составляло 40 с. Обработанные газоанализатором данные выводились на экран, а также фиксировались при помощи печатного устройства, встроенного в газоанализатор [11].

Для перевода массовых концентраций CO 2 из % в г/м³ принят ряд условий: температура выхлопных газов равна 618,15 K, давление выхлопных газов равно атмосферному при нормальных условиях и соответствует 101 325 Па.

Объем одного моль углекислого газа при температуре 618,15 K рассчитывается по формуле

V m CO2 Т_г = V m CO2 Т_н

(тЛ

Т

V T H 7

и составит 50,69 л, где T _г = 618,15 K, T _н = 273,15 K, V_{m CO 2 T н} = 22,40 л – объем 1 моль CO 2 при

273,15 K.

Так как масса 1 моль CO₂ М_{m CO2} равна 44 г, то масса 1 л будет расчитана по соотношению М_{m CO2} V_{m CO2 T г} и равна 0,868 г/л. Объем 1 % от 1 м³ составляет 10 л. Отсюда следует, что масса 1 % от 1 м³ равна 10 л ∙ 0,868 г/л и равна 8,68 г [12].

Данные по содержанию CO2 в продуктах сгорания в % и г/м3 в зависимости от режима работы двигателяей свeдены в таблицу.

Из рис. 4 следует, что с увеличением режима работы двигателя содержание углекислого газа СО2 в выхлопных газах растет, что связано с увеличением расхода топлива и воздуха с набором мощности, а значит увеличением расхода продуктов сгорания.

В выхлопных газах двигателя НК-16СТ уровень содержания углекислого газа СО₂ ниже на « 20 % по сравнению с двигателем НК-16-18СТ.

Если придерживаться ранее сделанного предположения, что единственным механизмом снижения СО 2 является не полное завершение реакции окисления, то снижение СО 2 должно приводить к увеличению выбросов СО, что подтверждается данными измерений (рис. 5).

Рис. 4. Содержание углекислого газа СО2 в продуктах сгорания:

♦ – двигатель НК-16СТ и ■ – двигатель НК-16-18СТ

Рис. 5. Содержание оксидов углерода СО в продуктах сгорания:

♦ – двигатель НК-16СТ и ■ – двигатель НК-16-18СТ

• Fig. 4.    Content of CO2 carbon dioxide in combustion products:

♦ – engine NK-16CT и ■ – engine NK-16-18CT

• Fig. 5.    Content of carbon oxides in combustion products:

♦ – engine NK-16CT и ■ – engine NK-16-18CT

Для дальнейшего анализа представлены массовые концентрации CO2 для каждого режима работы двигателей НК-16-18СТ и НК-16СТ, а также выполнен их перевод в г/м3 по ранее выведенному соотношению 1 % = 8,68 г/м3.

Содержание СО2 в зависимости от режима работы двигателей

НК-16-18СТ
	n НДпр	N пр	CO, ppm	CO 2 , %	CO 2 , г/м3
1	4900	10,515	41	1,71	14,84
2	5100	13,577	26	1,89	16,41
3	5250	16,064	18	2,00	17,36
4	5350	18,201	15	2,10	18,22
5	5450	20,133	13	2,20	19,09
6	max	22,011	13	2,25	19,53

Окончание таблицы

НК-16СТ
	n НДпр	N пр	CO, ppm	CO 2 , %	CO 2 , г/м3
1	4900	9,69	210	1,49	12,93
2	5100	12,66	171	1,64	14,24
3	5250	15,451	136	1,76	15,28
4	5350	17,61	115	1,88	16,32
5	max	18,864	102	1,95	16,93

Из рис. 4 и таблицы видно, что двигатель НК-16СТ с серийной камерой сгорания имеет уровень концентрации СО2 ниже, чем двигатель НК-16-18СТ с камерой сгорания, имеющей многофорсуночное фронтовое устройство [13].

Для расчета полноты сгорания топлива использована зависимость [14]:

η Г = 1 - (0,20175 ⋅ EI CO + EI CH ₄) ⋅ 10 ^{- 3},

где EI CO – индекс эмиссии окиси углерода; EICH 4 – индекс эмиссии метана; значение 0,20175 – это коэффициент, учитывающий отношение низшей теплоты сгорания окиси углерода Q _Н^CO к низшей теплоте сгорания метана Q _Н^CН4 , которые составляют Q _Н ^CO = 10096 кДж/кг, Q _Н ^CН4 = 50042 кДж/кг.

Рис. 6. Полнота сгорания топлива на различных режимах: ♦ – двигатель НК-16СТ, ■ – двигатель НК-16-18СТ

Fig. 6. Completeness of Combustion of Fuel on various power setting: ♦ – engine NK-16CT и ■ – engine NK-16-18CT

Индексы эмиссии EI_i для окиси углерода и метана рассчитываются при помощи уравнения

EI i = ^{µ i} (1 -α i ⋅ L 0 ) ⋅χ i ⋅ 10 ^{- 3}, µ _в

где L ₀ = 17,2 – ранее рассчитанный стехиометрический коэффициент сгорания метана (кг воздуха / кг топлива); α _i – суммарный или местный коэффициент избытка воздуха; µ _i – молярная масса определяемого токсичного вещества (CO, CH 4 ), г/моль; µ _в – молярная масса воздуха, г/моль; χ _i – объемная доля токсичного вещества, ppm.

Изменение полноты сгорания характеризуется незначительным убыванием в пределах 0,5 % в диапазоне мощностей от 10 до 17 МВт, при этом на режиме 16 МВт средняя полнота для двигателя НК-16СТ составила ɳ = 0,985, для двигателя НК-16-18СТ – ɳ = 0,996 (рис. 6).

Заключение

Подтверждена возможность уменьшения уровня концентрации СО2 в продуктах сгорания двигателя до 20 % за счет снижения полноты сгорания топлива в камере сгорания.

Полученные данные по изменению концентрации СО₂ с изменением режима работы двигателя могут быть полезны при выборе наиболее подходящего режима для минимизации СО 2 во время его эксплуатации.

Представленные подходы к организации процессов горения могут быть использованы разработчиками при проектировании камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих на природном газе, для минимизации выбросов СО 2 с обеспечением оптимума по СО и полноты сгорания.