Моделирование и исследование вихревого запально-стабилизирующего модуля камер сгорания газотурбинных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Толмачев, Валерий Вячеславович

• Толмачев, Валерий Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Толмачев, Валерий Вячеславович

Список сокращений и основных обозначений.

Введение.

1. Анализ способов розжига камер сгорания газотурбинных установок и методов исследования вихревых течений.

1.1. Способы зажигания горючих смесей в камерах сгорания и топках котлов турбоустановок.

1.1.1. Накальный способ зажигания.

1.1.2. Плазменный способ зажигания.

1.1.3. Электроискровой способ зажигания.

1.1.4. Факельно-искровой способ зажигания.

1.2. Анализ конструктивных решений запальных устройств и надежности систем розжига камер сгорания и топок котлов турбоустановок.

1.3. Экспериментальные и теоретические методы исследования вихревых течений в каналах и их основных характеристик.

1.4. Методы проектирования запальных устройств турбоустановок

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и исследование вихревого запально-стабилизирующего модуля камер сгорания газотурбинных установок»

Энергообеспечение нашей страны в виде электрической и тепловой энергии в настоящее время осуществляется приблизительно на 70% посредством паротурбинных (ПТУ), газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПТУ), использующих в качестве первичного источника теплоты органическое топливо. В обозримой перспективе эта ситуация сохранится, несмотря на оправданное развитие атомной и гидроэнергетики, а также расширение использования различных возобновляемых источников энергии. Опыт эксплуатации ГТУ в энергетике показал их эффективность как для покрытия пиковых электрических нагрузок в условиях роста суточной неравномерности потребления электроэнергии и повышения требований к надежности энергоснабжения, так и в качестве составного элемента различных схем ПГУ, обладающих более высокими показателями экономичности, мощности, маневренности, надежности и экологичности [30].

Важнейшей динамической характеристикой ГТУ и ПТУ, определяющей их маневренные свойства, является режим запуска. При запуске турбоустановок широко используется факельно-искровой способ розжига камеры сгорания (КС) или топки котла, реализуемый газовыми запальными устройствами (ЗУ). Эффективная и надежная совместная работа запального устройства с элементами КС или топки котла, системой топливоподачи в значительной мере определяют надежность запуска ГТУ и ПТУ, их маневренные свойства и эксплуатационные показатели надежности, такие как коэффициент готовности и безотказности пуска, что особенно актуально для пиковых турбоустановок. Показатель безотказности работы ЗУ при розжиге топки парового котла в условиях сокращения времени запуска ПТУ в значительной мере определяет взрыво-пожаробезопасность котельного агрегата.

Многолетний опыт эксплуатации ГТУ показывает, что при их запуске имеют место отказы зажигания топлива в КС [2, 6, 28, 31, 35, 39-41, 46, 50]. Анализ причин отказов запуска пиковой ГТУ типа ГТ-100 показывает, что они обусловлены отказами и повреждениями элементов ЗУ, КС и топливоподачи [39, 40].

Невысокие тепловые характеристики и устойчивость запального факела к потокам в КС, узкий диапазон регулирования по коэффициенту избытка воздуха, а также низкая надежность конструкции ЗУ являются наиболее частыми причинами отказов запуска ГТУ, снижающими их эксплуатационные показатели надежности. Отказы запуска ГТУ приводят к большим экономическим потерям от недовыработки электроэнергии [39, 50]. Это потребовало повышения тепловых характеристик запального факела, его устойчивости к возмущениям, надежности конструкции ЗУ и расширения рабочего режима горения в условиях автоматического запуска ГТУ, когда зажигание приходится осуществлять при непрерывно возрастающем давлении и скорости потока воздуха в КС.

Перспективным направлением по повышению эффективности и надежности ЗУ является реализация в их конструкции аэродинамического способа стабилизации горения на основе предварительной закрутки горючей смеси и полного предварительного смешения газа и воздуха на входе в низконапорную вихревую трубу. В соответствии с принципом работы ЗУ этого типа получили название вихревых за-пально-горелочных устройств (ВЗГУ) [72, 90].

Предварительная закрутка горючей смеси на входе в вихревую трубу позволяет существенно увеличить длину фронта пламени с выходом его из трубы, реализуя вихревой способ передачи пламени (ВСПП) в оптимальную для розжига прикорневую область горелочного устройства КС или топки котла [47, 90]. Наличие двух зон рециркуляции в закрученной газовоздушной смеси обеспечивают высокую надежность ее зажигания, стабилизацию и расширяют эффективные границы горения вследствие интенсивного турбулентного тепло- и массооб-мена зоны смешения в закручивающем устройстве с активной зоной горения -запальным факелом на выходе из трубы. Интенсификация тепло- и массообмен-ных процессов в трубе ВЗГУ на основе закрутки приводит к увеличению скорости химических реакций и повышению температурной характеристики факела. Фронт пламени расположенный в полости вихревой трубы обеспечивает высокую устойчивость запального факела на выходе трубы, предотвращая его погасание динамическими и акустическими возмущениями в КС. Эти преимущества ВЗГУ позволяют использовать его в качестве «дежурной» горелки для стабилизации фронта пламени КС на пусковых и переменных режимах работы ГТУ.

Реализация однопоточной схемы течения в ВЗГУ за счет закрутки горючей смеси на входе в вихревую трубу с помощью компактного тангенциального закручивающего устройства позволяет исключить элементы с ограниченным ресурсом, существенно упростить конструкцию ЗУ и повысить ее надежность.

Рассматривая КС турбоустановки с позиций системного анализа можно выделить в качестве самостоятельного системообразующего модуля - запально-стаби-лизирующее горел очное устройство. Широкое внедрение в турбоустановках перспективных вихревых запально-стабилизирующих модулей (ВЗСМ) сдерживается отсутствием, достоверных экспериментальных данных о влиянии геометрических и режимных параметров на их аэродинамические, тепловые и рабочие характеристики, а также отсутствием методики их проектировочного расчета. В связи с этим, разработка методики инженерно-проектировочного расчета конструкции ВЗСМ и его тепловых характеристик на основе систематизированных теоретических и экспериментальных исследований является весьма актуальной задачей.

Цель работы заключается в разработки методики инженерно-проектировочного расчета конструкции вихревого запально-стабилизирующего горелоч-ного модуля (ВЗСМ) на основе обобщения результатов систематизированных теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на физических моделях ВЗСМ.

В первой главе приводится анализ способов зажигания топливовоздушной смеси в КС и топках котлов турбоустановок, обзор публикаций посвященных разработке конструкций запальных устройств (ЗУ), экспериментальным и теоретическим методам исследования внутренних закрученных потоков.

Экспериментальные исследования закрученных потоков и разработки конструкций ЗУ проводились на следующих предприятиях и в организациях: Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ), Московском энергетическом институте (МЭИ), Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СГТбГПУ), Центральном котлотурбинном институте имени Ползунова (ЦКТИ), Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ), Санкт-Петербургском институте машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ), Невском машиностроительном заводе (НЗЛ), Киевском политехническом институте (КПИ), Самарском аэрокосмическом университете (СГАУ), Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) и других. Проведенный обзор публикаций, посвященных исследованию характеристик закрученных течений в изотермических и неизотермических условиях с горением, показывает, что закрутка потока оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: расширение струи, размер, форму и устойчивость пламени, а также интенсивность горения. Анализ работ [2, 6, 10, 14, 19, 29, 31, 35-41, 46, 53, 58, 71, 77, 81, 91-96] позволяет выявить проблемы конструктивных решений ЗУ.

Выбор рациональной конструктивной схемы ЗУ производился с учетом различных факторов: надежности запуска ГТУ, тепловых характеристик и устойчивости факела к возмущениям в КС, конструктивной надежности элементов и систем, технологичности, условий эксплуатации и других. Указанным системным принципам в значительной мере удовлетворяет конструкция вихревого запально-горелочного устройства (ВЗГУ), разработанного в Санкт-Петербургском институте машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ) и ОАО «ЛМЗ» [72, 90].

Проведенный анализ конструкции ВЗГУ и публикаций [4-20, 31-38, 42-92], посвященных исследованию внутренних закрученных потоков показал, что устойчивость и длина факела при фиксированных расходах воздуха и газа зависят от относительной длины вихревой трубы Ьтр /с1тр , интенсивности закрутки потока на выходе из нее Ф*вых, коэффициента избытка воздуха а и относительного кон» фузорного сужения ¥тр /Гк выходного сечения камеры закручивающего устройства. В свою очередь интенсивность закрутки на выходе трубы Ф*вых зависит от геометрических параметров закручивающего устройства, которые определяют интенсивность закрутки на входе в трубу Ф*вх, а также от относительных длины Ьтр IЛтр и гидравлической шероховатости внутренней стенки трубы 2 Л/йЦр .

Для закрутки газовоздушной смеси в ВЗГУ используется закручивающее устройство тангенциального типа с одним входом потока цилиндрической или эллипсоидной формы в поперечном сечении, который расположен при конструктивном угле закрутки /?к=90° на середине длины камеры закручивающего устройства (Ьк/Ок =1,5.3), что является его конструктивной особенностью. Это позволяет получить две зоны рециркуляции в полости ВЗГУ по обе стороны от тангенциального входа. Малые осевые скорости в области электродов свечи обеспечивают устойчивое зажигание и развитие факела. Геометрические параметры закручивающего устройства и форма поперечного сечения тангенциального входа позволяют варьировать в широком диапазоне интенсивностью закрутки Ф*вх на входе в трубу, которая определяет при фиксированных расходах воздуха и газа форму и длину свободного факела, а закручивающее устройство создает удобства для подвода рабочих тел и является наиболее технологичным.

Для физического моделирования процессов в ВЗГУ используется системный вихревой запально-стабилизирующий модуль (ВЗСМ), на котором проводится весь комплекс исследований. В качестве критерия связывающего геометрические характеристики генератора закрутки потока ВЗСМ принимается конструктивный параметр Ф* закручивающего устройства. В главе приводится обосвх.к нование проведения комплексных экспериментально-теоретических исследований на физических моделях ВЗСМ аэродинамических характеристик закрученного потока воздуха и в неизотермических условиях изменение температуры и длины факела от коэффициента избытка воздуха, а также пределов рабочего регулирования по расходу газа и устойчивости запального факела.

Во второй главе приводятся описание экспериментального стенда, схемы измерения, конструкций и геометрические характеристики моделей ВЗСМ.

В качестве варьируемых геометрических параметров моделей ВЗСМ принимаются безразмерные комплексы: - отношение площади сечения камеры закручивающего устройства к площади наименьшего сечения тангенциального входа и Ьвх /Як - отношение плеча закрутки потока к внутреннему радиусу камеры закручивающего устройства. В зависимости от задачи исследования в качестве дополнительных варьируемых параметров моделей принимаются: относительная длина трубы Ьтр^тр, гидравлическая шероховатость ее внутренней стенки 2^!<Лтр и относительная величина конфузорного сужения выходного сечения камеры закручивающего устройства Ртр!Рк ■

На моделях ВЗСМ проводятся комплексное измерение локальных параметров потока - полного и статического давлений, а также угла подъема потока по спирали вдоль радиуса в диаметрально противоположных точках камеры закручивающего устройства на относительном расстоянии х/с1тр -2,1 от его тангенциального входа. Полученные данные позволяют установить эмпирическую зависимость интенсивности закрутки потока на входе в трубу Ф*вх от конструктивного параметра Ф*вх к закручивающего устройства.

Влияние относительной величины конфузорного сужения выходного сечения камеры закручивающего устройства Ртр /на структуру потока и его аэродинамические характеристики на входе в трубу, а также работоспособность в условиях с горением разработаны модели ВЗСМ при Ртр/Ек =0,25; 0,44; 0,563 и 1 или угла сужения конфузора 2 у =63, 45, 34° и без сужения). На этих моделях экспериментально определены зависимость относительного диаметра приосевого возвратного тока с10шГП^тр от интенсивности закрутки потока Ф*вх на входе в трубу и величины конфузорного сужения Ртр /выходного сечения камеры закручивающего устройства.

Весьма важной задачей исследований является определение совместного количественного влияния на интенсивность снижения закрутки потока вдоль трубы Ф*-/Ф*ех начальной интенсивности закрутки Ф*вх, относительной длины вихревой трубы Ьтр/с1тр и шероховатости ее внутренней стенки 2 к/<Лтр .

Для решения этой задачи модели вначале продувались воздухом и различались конструктивным параметром закручивающего устройства Ф*вх к и соответственно начальной интенсивностью закрутки потока на входе в трубу Ф*вх, ее относительной длиной и шероховатостью внутренней стенки, формой поперечного сечения тангенциального входа и величиной конфузорного сужения.

После воздушных продувок и определения аэродинамических характеристик потока на моделях исследовалось влияние геометрических параметров конструкции на режимы горения, коэффициента избытка воздуха на изменение длины и температуры запального факела, а также определялся диапазон рабочего регулирования. В конструкции трубы моделей ВЗСМ было предусмотрено изменение ее длины за счет соединяющихся по проточке цилиндрических колец длиной Это позволило в условиях с горением последовательным снятием колец определить рабочую длину трубы моделей ВЗСМ. В конце главы приводится теоретическое обоснование вихревого способа передачи пламени (ВСПП) по трубам ВЗСМ в объем КС или топки котла турбоустановок.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований и анализ структуры закрученного потока в изотермических условиях, а также тепловых и рабочих характеристик ВЗСМ в условиях с горением.

По результатам измерений угла подъема потока /Зп, полного и статического давлений на моделях получены градиенты осевой и окружной скорости. Анализ градиентов осевой скорости в поперечных сечениях моделей показал, что в приосевой области моделей ВЗСМ имеет место две зоны обратных токов, расположенных по обе стороны поперечного сечения трубы, проходящего через ось тангенциального входа.

Для подтверждения экспериментальных данных и построенных на их основе градиентов скорости в поперечном сечении камеры закручивающего устройства и трубы ВЗСМ, а также разработанной схемы течения потока в осевом направлении приводятся результаты расчетно-теоретических исследований аэродинамических характеристик закрученного потока в стандартном газодинамическом программном комплексе «Fluent». Расчеты проводились на основе усредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса численным моделированием несжимаемого, вязкого и турбулентного потока. Вопрос об адекватности моделирования решался сопоставлением экспериментальных данных с результатами тестовых расчетов, полученных на ВЗСМ. Проведенные теоретические исследования подтвердили схему течения потока в осевом направлении и значения скорости в приосевой области. Наиболее высокая сходимость значений скорости имеет место в пристеночной области, где разница экспериментальных и расчетных величин не превышает 6% и несколько хуже в осевой области 10. 12%.

По экспериментальным данным, усреднением значений скорости и угла подъема потока получена графическая зависимость интенсивности его закрутки Ф*вх на входе в трубу ВЗСМ от конструктивного параметра Ф*вх к закручивающего устройства. В работе приведено сравнение полученной графической зависимости с аналогичной зависимостью для типового закручивающего устройства, в котором тангенциальный вход расположен вплотную к торцевой стенке камеры. Сравнение этих зависимостей показало, что при одном и том же значении конструктивного параметра закручивающего устройства Ф*вх к величина интенсивности закрутки в модельном закручивающем устройстве в среднем меньше на 25%, чем в геометрически подобном типовом. Поэтому известные эмпирические зависимости типового закручивающего устройства не могут использоваться для разработки математической модели определения рабочей длины трубы ВЗСМ и методики его проектировочного расчета.

Для модельного закручивающего устройства аппроксимацией получена эмпирическая зависимость интенсивности закрутки потока Ф* от конструктивного параметра закручивающего устройства Ф*вхж, которая как одна из основополагающих используется в методике проектировочного расчета конструкции ВЗСМ для расчета интенсивности закрутки потока на входе в трубу. По результатам продувок моделей, используя первую и вторую теоремы Эйлера, применительно к закрученным течениям для методики проектировочного расчета ВЗСМ разработана математическая модель изменения интенсивности закрутки потока вдоль трубы. Адекватность математической модели подтверждают полученные результаты экспериментальных данных изменения интенсивности закрутки вдоль трубы Ф*г- под действием сил вязкого трения для принятых граничных условий.

Анализ изменения интенсивности снижения закрутки Ф*- /Ф*вх вдоль трубы моделей показал, что ее величина снижается тем интенсивнее, чем больше относительная шероховатость 2 к/с1тр и закрутка потока Ф*вх на входе в вихревую трубу.

На физических моделях ВЗСМ в условиях с горением при коэффициентах избытка воздуха а =0,7. 1,05 последовательным снятием цилиндрических колец наборных труб с заданной шероховатостью для принятых геометрических параметров закручивающего устройства определены работоспособные длины труб моделей, которые обеспечивают устойчивое развитие факела. С помощью разработанной математической модели снижения интенсивности закрутки вдоль трубы и методики проектировочного расчета конструкции ВЗСМ, учитывающей изменение физических свойств среды, увеличение температуры и вязкости в условиях с горением определено значение интенсивности закрутки факела на выходе из работоспособных труб моделей, значение которых составило Ф*выхтт=1,3. При меньших значениях этой величины в ВЗСМ устойчивость факела существенно ухудшается при любых начальных параметрах. Это обусловлено тем, что под действием центробежных сил в свободном пространстве интенсивность закрутки потока резко снижается вдоль потока и при ее значениях меньше около 0,6 в приосевой области отсутствует возвратный ток, что приводит к снижению устойчивости горения и ограничению рабочей длины трубы ВЗСМ. Работоспособные длины труб моделей ВЗСМ составляют 0,2.4,0 м и зависят от геометрических параметров закручивающего устройства и относительной шероховатости стенки трубы.

При определении рабочих режимов горения в моделях ВЗСМ установлено, что местное конфузорное сужение выходного сечения камеры закручивающего устройства оказывает, в определенных пределах, положительное влияние на устойчивость горения. Анализ влияния величины конфузорного сужения выходного сечения камеры закручивающего устройства на градиенты основных составляющих скорости показывает, что несимметричность потока относительно оси, вызванная одним тангенциальным входом, за конфузором практически исчезает. Максимумы осевой и окружной составляющих скорости перед конфузором находятся соответственно на среднем радиусе и в периферийной области, а при выходе из кон-фузора смещаются в приосевую область при всех значениях Ртр!Рк <1. Диаметр возвратного приосевого тока в моделях с сужением Ртр / <1 уменьшается, и чем меньше величина сужения Ртр /, тем значительней уменьшается данный диаметр. Обобщением экспериментальных данных получено эмпирическое выражение относительного диаметра приосевого возвратного тока <^от1<йтр в зависимости от

Ф*вх и Ртр/Рк . Эта зависимость используется в методике расчета ВЗСМ для определения общей длины фронта пламени и для выбора интенсивности закрутки потока на входе в трубу. По результатам проведенных исследований на моделях в условиях с горением установлено, что при значениях конфузорного сужения меньше Рщр/Гк < 0,44 режимы горения являются неустойчивыми при любых рабочих параметрах. Относительная величина сужения Етр > 0,44 в моделях показала положительное влияние на режимы горения, обеспечивая высокую устойчивость факела с ускоренным выходом его из трубы. Конфузорное сужение выходного сечения камеры закручивающего устройства позволяет не только увеличить длину факела в трубе в соответствии с теоретическим обоснованием вихревого способа передачи пламени (ВСПП), но и уменьшить разность температур на входе и выходе трубы ВЗСМ и тем самым уменьшить вероятность возбуждения неустойчивости горения обусловленного термическим механизмом.

По результатам измерений массового расхода воздуха и газа на основных режимах горения, а также длины запального факела и температуры вдоль него определены основные тепловые характеристики моделей ВЗСМ. Для сравнения привлечены опубликованные тепловые характеристики распространенного в энергетике запально-защитного устройства (ЗЗУ) [10]. Температурная характеристика ВЗСМ превышает аналогичную характеристику ЗЗУ на 300.400°С. Наибольшие средние значения температуры в факеле ВЗСМ 1300. 1500°С соответствуют режимам горения при коэффициенте избытка воздуха а =0,7. .1,05.

Полученные характеристики изменения температуры и длины запального факела, а также диапазон рабочего регулирования и характеристика устойчивости имеют большое практическое значение, так как позволяют выбрать оптимальный диапазон режима горения в ВЗСМ при компоновке его с горелочным устройством КС. Экспериментальным путем установлено влияние коэффициента избытка воздуха и интенсивности закрутки потока на длину факела ВЗСМ. При обогащении горючей смеси (а =0,7) длина запального факела возрастает до 0,4 м, а при ее обеднении (а = 2) сокращается и составляет 0,1 м.

По результатам измерения массовых расходов воздуха и газа в моделях ВЗСМ с различными длинами труб и тепловой мощностью получена рабочая характеристика диапазона регулирования по расходу газа и устойчивости факела к отрыву и уходу его в трубу. Рабочий диапазон регулирования ВЗСМ по расходу газа составляет 1:5 и шире, чем рабочий диапазон ЗЗУ, который составляет 1:3.

В четвертой главе приводится методика проектировочного расчета ВЗСМ, разработанная на основе обобщения полученных результатов экспериментальных исследований, а также результаты сравнения расчетных геометрических параметров и тепловых характеристик ВЗСМ с внедренными в эксплуатацию конструкциями ВЗГУ. На основе математической модели снижения интенсивности закрутки вдоль трубы и разработанной методики проектировочного расчета ВЗСМ приводится номограмма для выбора их рабочих геометрических параметров конструкции для условий КС и топок котлов, а также рекомендации по практическому применению вихревых модулей в турбоустановках.

Алгоритмы методики расчета позволяют проводить проектировочный расчет ВЗСМ с учетом условий его эксплуатации. Предложенный проектировочный алгоритм включает тепловой и конструктивный расчеты ВЗСМ, а так же расчет длины и температуры факела на рабочих режимах горения. В соответствии с теорией зажигания тепловая мощность ВЗСМ принимается для розжига равной 1% и для стабилизации 10.20% от мощности горелки КС или топки. Тепловая мощность ВЗСМ, удельная теплота сгорания газа и коэффициент избытка воздуха определяют потребный массовый расход горючей смеси. Среднее значение эффективной температуры факела уточняется последовательными приближениями [47]. Найденные рабочие параметры определяют геометрические характеристики конструкции ВЗСМ. Разработанный алгоритм позволяет последовательными приближениями определить геометрические параметры закручивающего устройства ВЗСМ и для заданной относительной шероховатости внутренней стенки вихревой трубы ее рабочую длину, а также тепловые характеристики факела на рабочих режимах горения. В результате исследований на моделях установлено, что проектная тепловая мощность ВЗСМ составляет 2. 150 кВт и ограничивается среднемассовой скоростью и требованием компактности конструкции, а рабочие длины трубы ВЗСМ при гидравлической шероховатости А =0,12.0,44% и конструктивном параметре закручивающего устройства Ф*вх.к= 4,2.14,2 составляют Ьтр^тр = 10.50.

Достоверность результатов исследований и разработанной методики подтверждается проведением экспериментов с использованием методов теории подобия, удовлетворительным совпадением экспериментальных данных и расчетных величин, полученных в стандартном газодинамическом программном комплексе, а также удовлетворительным совпадением расчетных геометрических и тепловых характеристик ВЗСМ с внедренными в эксплуатацию конструкциями ВЗГУ.

Точность измерений и корректность методов их обработки соответствует общепринятым требованиям в области исследования закрученных течений и удовлетворительно согласуется с результатами полученными другими исследователями [5, 11-16, 18, 23, 24, 33-38, 47, 51, 54, 56, 67, 70, 75, 80, 92].

Практическая значимость и внедрение. Результаты, представленные в данной работе, являются научным обоснованием известных работ кафедры «Турбино-строение и средства автоматики» ПИМаш. На основе предварительной закрутки потока на входе в вихревую трубу разработаны конструкции вихревых запально-горелочных устройств (ВЗГУ) [72], вихревых пламеперебрасывающих патрубков (ВПП) для секционных КС [44], вихревых горелок нагрева (ВГН) [86], используемых при технологической сборке крупногабаритных элементов турбомашин, а также пакет вихревых модулей в качестве самостоятельной микрофакельной КС [3, 83].

Внедренная методика расчета ВЗСМ на ЛМЗ позволяет сократить затраты времени и материальных средств на разработку эффективных вихревых горелочных систем различного назначения. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых и модернизации действующих конструкций ВЗГУ, которые внедрены в энергетических установках типа ГТ-100, ГТЭ-150, ГТЭ-65, проектах ГТУ типа ГТЭ-180 ОАО «Силовые машины», а также в котлах типа ТГМ-94 и ПТВМ-100.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Толмачев, Валерий Вячеславович

4.7. Основные выводы

1. На основе эмпирических и полуэмпирических выражений, обобщающих экспериментальные исследования, с использованием традиционных методов расчета горелочных устройств разработана методика проектировочного расчета геометрических параметров вихревого запально-стабилизирующего модуля (ВЗСМ) и его основных тепловых характеристик [60]. Расчет проводится без учета теплообмена с окружающей средой в одномерной постановке задачи, свойства рабочих тел подчиняются закономерностям совершенного газа, течение стационарное, среда несжимаемый и вязкий газ.

2. Разработанная методика расчета конструкции ВЗСМ справедлива в следующих границах геометрических параметров: конструктивного параметра тангенциального закручивающего устройства Ф*вхж= 4,2. 14,2; конфузорного сужения выходного сечения его камеры ^Он=0,44.1,0; длины трубы Ьтр/с1тр =10.50 с внутренним диаметром с1тр =0,02.0,08 м и относительной шероховатостью ее внутренней стенки кд= =0,12.0,44% (Д =0,035.0,1 мм).

Максимальная рабочая длина трубы ВЗСМ составляет около Ьтр тах = 4 м. По данным экспериментальных исследований установлено минимальное значение интенсивности закрутки потока на выход вихревой трубы, которое составляет Ф*вых.тт=При меньших значениях модели ВЗСМ распространение фронт пламени неустойчиво ввиду сравнительно быстрого затухания закрутки потока в свободном пространстве [60, 61].

3. Увеличение относительной шероховатости вихревой трубы на 17 % приводит к снижению интенсивности закрутки потока в среднем на 8,3% и сокращению относительной рабочей длины трубы на 13 % (на 9 калибров). В свою очередь уменьшение относительной шероховатости вихревой трубы на 12% приводит к повышению интенсивности закрутки в среднем на 8% и увеличению относительной рабочей длины вихревой трубы на 14 % (на 5 калибров). В результате, чем больше на входе в трубу ВЗСМ начальная интенсивность закрутки потока Ф*вх и чем меньше относительная шероховатость внутренней стенки трубы А = 2 А/с1тр , тем больше ее рабочая длина.

4. Достоверность предложенной методики проектировочного расчета вихревого запально-стабилизирующего модуля подтверждается удовлетворительным совпадением геометрических параметров закручивающего устройства проектируемых конструкций ВЗСМ с опытно-промышленными образцами вихревых за-пально-горелочных устройств (ВЗГУ) [90]. Кроме этого, удовлетворительным согласованием расчетной максимальной длины вихревой трубы конструкций ВЗСМ с рекомендуемыми диапазонами длин труб на заданные параметры закручивающего устройства, а также расчетных значений тепловых характеристик с экспериментальными данными [60].

5. При проектировании ВЗСМ необходимо учитывать длину камеры закручивающего устройства Ьк/Бк =1,5.3 и оптимальное расположение тангенциального входа на ее середине, что позволяет разделить ее на полузамкнутую часть и проточную. Каждая часть камеры выполняет особые функции в конструкции ВЗСМ. Полузамкнутый объем камеры выполняет функцию смесителя и позволяет создать благоприятные условия для надежного зажигания смеси и устойчивого развития начального фронта пламени без возмущений и пульсации. Проточная часть камеры при высоких значениях интенсивности закрутки потока и наличии зон рециркуляции позволяет стабилизировать горение с выходом факела в свободное пространство [88].

6. Разработаны рекомендации по применению конструкции ВЗСМ для камер сгорания газотурбинных установок и котлов в качестве запальных устройств и стабилизирующей дежурной горелки. Конструкция ВЗСМ может, использована при совершенствовании перебрасывающих пламя патрубков блоч-но-секционных камер сгорания [44].