научная статья по теме КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГТУ Энергетика

Текст научной статьи на тему «КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГТУ»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2014

УДК 621.438:621.45.034

КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГТУ

© 2014 г. ТУМАНОВСКИЙ А.Г., ВАСИЛЬЕВ В.Д., БЕРНЕ А.Л., БУЛЫСОВА Л.А.

Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт (ВТИ), г. Москва

E-mail: vti@vti.ru

Предложена методика компьютерного моделирования нестационарных процессов в камере сгорания газотурбинной установки на режимах перехода с пилотного на основной режим горения. Показано влияние вихреобразования на возбуждение виброгорения. Дана количественная оценка связи развития виброгорения с шириной полосы доминирующей гармоники спектра пульсаций давления.

Ключевые слова: камера сгорания, газовая турбинная установка, турбулентность, численное моделирование, пульсации давления, виброгорение, амплитудно-частотные характеристики.

QUALITATIVE ASSESSMENT OF HYDRO-DYNAMIC COMBUSTION INSTABILITY IN A GAS TURBINE COMBUSTOR

Tmanovsky A.G., Vasiljev V.D., Berne A.L., Bulysova L.A.

All-Russian Thermal Engineering Institute (VTI), Moscow E-mail: vti@vti.ru

Most of the modern Dry Low Emission (DLE) Gas Turbine combustors are based on burning lean preliminary mixed air-fuel mixtures. The combustor flame is stabilised by hot gas recirculation usually produced by air flow swirl formed in the burner structures at the combustor inlet. Also the flame is supported by a diffusion type pilot flame created by a separate pilot burner that has much smaller air and fuel flows. The both pilot and main air flows are turbulent. A specific feature of the pre-mixing pre-swirl combustor is flow separation at the combustor inlet. In the separation zone there are formed remarkably stable flow structures carried into the combustion zone by the main air flow.

Transition from the Gas Turbine startup to its full power is usually followed by a transition from the diffusion pilot combustion mode to the main homogeneous pre-mixing one. In some cases this operation mode meets remarkable combustion noise excited by interaction of large scale swirl structures with the flame. This unsteady process is computer simulated by Unsteady Reynolds — averaged Navier—Stokes (URANS) procedure. The calculation shows that the large swirls structures play the main role in the combustion noise excitement.

A model combustor test confirms the simulation assumptions and demonstrates specific features of the unsteady combustion process. The Fourier spectrum of the combustor dynamic pressure shows a single frequency peak with a narrow band, and the higher is the combustion noise magnitude the narrower is the band.

Key words: combustor, gas turbine, turbulence, computer simulation, pressure pulsation, combustion noise, pressure pulsation, magnitude-frequency performance.

При создании газотурбинных установок (ГТУ), удовлетворяющих современным экологическим требованиям, возникает проблема неустойчивого горения или виброгорения в камере сгорания (КС). Сложность ее решения заключается в разнообразии механизмов и условий возникновения виброгорения, сочетающих в себе нестационарные аэродинамические, тепловые и химические явления [1], и значительные материальные затраты [2].

Современная КС ГТУ, как правило, имеет пилотную (ПГ) и основную (ОГ) горелки. Пилотная горелка, работающая в режиме диффузионного горения, обеспечивает розжиг КС, разворот ГТУ, работу от холостого хода до нагрузки ~50%, где осуществляется режим переключения (перехода) с пилотной горелки на основную. Далее с увеличением нагрузки ПГ может поддерживать устойчивость пламени ОГ в режиме сжигания предварительно подготовленной топливо-воздушной смеси (ТВС). На режимах близких к номинальной нагрузке, когда температура газов на выходе КС близка к максимальной, для уменьшения генерации оксидов азота N0^ целесообразно полное или почти полное отключение ПГ. При этом снижение выбросов N0^ обусловлено равномерным перемешиванием топлива и воздуха в зоне смешения основной горелки [3].

Один из типичных режимов возникновения виброгорения, исследованию которого посвящена статья — переход работы КС с ПГ на ОГ при повышении нагрузки.

Виброгорение на переходных режимах исследовалось на КС, типичной для современных ГТУ. Ее конструкция представлена на рис. 1, в табл. 1 сведены основные параметры номинального режима работы.

В КС имеется осевой пилотный и радиальный основной завихрители с противоположными направлениями закрутки. Пилотное топливо подается через отверстия на выходном торце ПГ, основное — через отверстия на входе в лопатки радиального за-вихрителя ОГ. Основное топливо смешивается с воздухом в канале смешения от выхода лопаток завихрителя до входа в жаровую трубу (ЖТ).

Жаровая труба гладкая, диаметром 100 мм, охлаждается снаружи воздухом независимо от течения внутри КС. На выходе КС установлено круглое сопло диаметром 42 мм. Отверстия для разбавления отсутствуют, выходная часть КС представляет собой цилиндрическую трубу.

Рис. 1. Схема модельной камеры сгорания (продольное сечение):.? — трубки подачи топлива в ОГ; 2 — топли-вораздающие отверстия ОГ; 3 — канал смешения ОГ; 4 — завихритель ОГ; 5 — завихритель ПГ; 6 — топливо-раздающие отверстия ПГ; 7 — жаровая труба (ЖТ); 8 — выходное сопло; I-I — поперечное сечение горелки

I

3* 67

Основные параметры камеры сгорания

Параметр Обозначение КС

Расход воздуха КС, кг/с Gb 0,09

Отношение расходов воздуха пилотной и основной горелок Gb пг/Gв ог 0,075

Температура воздуха на входе КС, К T ± х 607

Давление воздуха на входе КС, КПа P вх 115

Давление воздуха на выходе КС P вых Атмосфера

Топливо - Природный газ

Температура газов на выходе зоны горения КС, К T вых 1685

Коэффициент избытка воздуха в зоне горения КС азг 2,01

Перепад давления на КС, % dP 4,8

Диаметр ЖТ, мм -®ЖТ 100

Длина жаровой трубы (зона горения), мм ^ЖТ 110

Длина выходного участка (газосборника), мм Lвых 140

Отношение окружной и осевой скоростей на выходе основного ®ог/иог 1,39

завихрителя (параметр крутки)

Отношение площади выхода ЖТ (сопла) к площади жаровой трубы 0,42

В стенках ЖТ выполнены волноводы для измерений динамического давления (пульсаций). Они расположены на относительных расстояниях от горелки x = х/^ЖТ: 0,4, 1,3 и 2,1. Система измерения пульсаций давления настроена на частотный диапазон 0—13500 Гц. Более подробно конструкция КС и система измерений описаны в [4, 5].

Расчеты течения и горения выполнялись на программном комплексе FlowVision1 с использованием URANS модели. Подробно методика расчета изложена в работе [6].

Изолинии скоростей в продольном сечении КС показаны на рис. 2.

При проведении нестационарного расчета КС шаг по времени был принят 0.00002 с.

На рис. 3 показаны поля давления в продольном и поперечном сечениях КС в зависимости от времени, полученные при размере расчетной сетки в исследуемой области 0,4 мм, позволяющем разрешать крупномасштабные вихревые структуры. На рисунке видны вихревые структуры, которые периодически формируются на выходном торце ПГ,

растут, отрываются, движутся и далее полностью вырождаются при X > 0,5. Устойчивые вихревые структуры образуются и упорядочиваются вблизи горелочного устройства КС, а затем течение ОГ сносит их на больший радиус вниз по потоку. Одновременно более мелкие структуры распадаются. Этот факт виден из сравнения полученных расчетом частотных спектров пульсаций давления для КС в точках:

X = 0,1; R = 0,15 и X = 0,6; R = 0,3,

R = г/Бжт, где r — текущая координата в радиальном направлении (рис. 4).

Амплитудно-частотный спектр пульсаций давления в точке вблизи выхода основной горелки (рис. 4а) — места зарождения и отрыва вихрей — значительно больше насыщен высокочастотными составляющими, чем в точке, расположенной на большем удалении от горелки и ближе к стенке ЖТ (рис. 4б).

Варианты подачи основного топлива отличались распределением по длине (высоте) входного канала основного завихрителя. Схемы точек впрыска показаны на рис. 5.

Оторвавшийся от торца ПГ вихрь движется вдоль сдвигового слоя вблизи границы зоны обратных токов, по спирали с углом раскрытия основного потока. Такая форма

1http://www.flowvision.ru/

Рис. 2. Изолинии скорости в продольном сечении КС

Рис. 3. Последовательность полей давления во времени т; в продольном сечении входной части КС и в поперечном сечении X = 0,1

нестационарного течения описана в [7]. Формированием нестационарных форм движения объясняется высокий уровень турбулентных пульсаций в потоке за закручивающим устройством с тангенциальным подводом. Зона вихревых течений лежит между границей зоны обратных токов и нулевой линии тока, здесь достигается максимальное значение кинетической энергии турбулентности. Доминирующую частоту пульсаций, или частоту следования вихрей можно приближенно определить через поля скоростей и давлений как: / =

2пг'

где их — скорость течения в окружном направлении; г — характерный радиус.

В КС для точек X > 0,3, Я > 0,3 расчет по приведенной выше формуле дает значение частоты / = 320^350 Гц, что достаточно близко к значениям, получаемым в эксперименте при возникновении виброгорения (рис. 6а).

Экспериментально исследовалась устойчивость горения в КС в трех вариантах подачи основного топлива на режимах с коэффициентом избытка воздуха а = 2 и долей пилотного топлива РГЯ = 0^100%. (Здесь и далее РГЯ = О ТПГ/ОТ КС).

В эксперименте при разной подаче топлива (природного газа) изменялся профиль концентрации ТВС на выходе канала смешения основной горелки. При подаче топли-

А, бар 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 100

1000

2000

3000

120 100 80 60 40 20

100

1000

2000

3000 /, Гц

Рис. 4. Амплитудно-частотный спектр пульсаций давления: а — в точке X = 0,1, К = 0,15; б — в точке X = = 0,6, К = 0,3

ва в отверстия II и III (рис. 6а) создавалась повышенная к периферии концентрация топлива, в отверстия I и II (рис. 6б) — повышенная к внутренней стенке канала концентрация топлива, во все три отверстия — наиболее равномерное распределение.

В испытаниях доминирующие составляющие спектра имели частоты 340—400 Гц, что удовлетворительно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком