СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОЗОНА НА ПРОЦЕССЫ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Настоящая полезная модель относится к газотурбостроению и может быть использована для исследования процессов горения газообразного топлива и испытаний горелочных устройств. Она обеспечивает возможность моделирования условий сжигания топлива в камерах сгорания (КС) газотурбинных установок (ГТУ) для определения путей повышения эффективности этого процесса при одновременном снижении выбросов токсичных продуктов сгорания.
Из существующего уровня техники известен огневой стенд для испытания горелочных устройств, содержащий: камеру сгорания; горелочное устройство с узлами крепления; газовоздушную систему, включающую высоконапорный вентилятор, расходомерное сопло, воздушную заслонку и температурный датчик; топливную систему, содержащую расходомерную топливную емкость, насос, фильтры грубой и тонкой очистки, подогреватель, регулировочный клапан; пароводяную систему, включающую сепаратор атмосферного типа, циркуляционный насос, пароводяной и водяной коллекторы (см. RU 8446 U1, МПК F23М 13/00, опубл. 16.11.1998).
Данное техническое решение имеет следующие недостатки: высокая стоимость его реализации, обусловленная необходимостью создания сложных систем, укомплектованных дорогостоящим оборудованием; невозможность проведения на физической модели горелочного устройства экспериментальных научных исследований влияния озона на процессы в камере сгорания газотурбинных установок.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является экспериментальный стенд для испытаний и изучения физических моделей вихревых горелочных устройств, содержащий: источник горючего газа, источник сжатого воздуха, вихревое запально-горелочное устройство (ВЗГУ) с радиальным и тангенциальным входами соответственно для горючего газа и воздуха, манометр горючего газа, дифференциальный водяной манометр сжатого воздуха, запорно-регулирующие органы подачи воздуха и горючего газа (см. К.А. Щенников, И.А. Богов. «Экспериментальное исследование фазовых превращений процессов горения в вихревых запально-горелочных устройствах на физической модели» с. 81-94, Современное турбостроение: Сб. научн. тр. - Вып. 1 / Под общ. ред. И.А. Богова. - СПб.: Международная Академия Наук Высшей Школы. Санкт-Петербургское отд-ние. Санкт-Петербургский институт машиностроения (ВТУ3-ЛМЗ). 1998. - 116 с.). Этот стенд позволяет изучить особенности фазовых превращений горения в ВЗГУ, на основе которых были отмечены и описаны наиболее характерные режимы горения: образование первичного очага горения у свечи; пламепередача с образованием трубчатого фронта горения; образование факелов различного типа.
Недостатком данного технического решения является невозможность проведения исследований, направленных на повышение эффективности сжигания топлива, снижение выбросов токсичных продуктов сгорания (ПС), в частности, за счет влияния озона на процессы в КС ГТУ.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание технического средства определенного назначения, а именно стенда для исследования влияния озона на процессы в камере сгорания газотурбинных установок для определения путей повышения эффективности сжигания топлива в КС ГТУ при одновременном снижении выбросов токсичных ПС.
Данная проблема решается за счет того, что стенд для исследования влияния озона на процессы в камере сгорания газотурбинных установок, содержащий вихревое запально-горелочное устройство (ВЗГУ) с радиальным входом для подачи горючего газа и тангенциальным входом для подачи воздуха, запорно-регулирующие органы для подачи воздуха и горючего газа, электрическую свечу зажигания, дифференциальные водяные манометры для воздуха и горючего газа, дополнительно содержит электроозонирующее устройство, установленное на тангенциальном входе в ВЗГУ, выпускную трубу, снабженную анализатором дымовых газов, успокоительные трубы для воздуха и горючего газа, снабженные термометрами и пневмометрическими датчиками статического и полного давления воздуха и горючего газа соответственно, причем успокоительная труба для воздуха соединена с запорно-регулирующим органом для подачи воздуха и электроозонирующим устройством, а успокоительная труба для горючего газа соединена с запорно-регулирующим органом для подачи горючего газа и радиальным входом в ВЗГУ, а пневмометрические датчики статического и полного давления воздуха и горючего газа подключены к соответствующим дифференциальным водяным манометрам.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения и признаков прототипа свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна».
Установка электроозонирующего устройства на тангенциальном входе в ВЗГУ обеспечивает возможность преобразования в озон части кислорода, содержащегося в воздухе. Для моделирования процессов, происходящих в камере сгорания газотурбинной установки в присутствии озона, подводимую к ВЗГУ воздушно-озоновую смесь смешивают с горючим газом и воспламеняют ее от электрической свечи зажигания, образуя трубчатый фронт горения. Продукты сгорания отводят по выпускной трубе к анализатору дымовых газов для определения в них концентрации углекислого газа, кислорода и токсичных веществ: монооксида азота, диоксида азота, угарного газа; температуры, коэффициентов полноты сгорания топлива и избытка воздуха. Влияние содержания озона на процессы в камере сгорания исследуют, моделируя режимы работы камер сгорания, исходя из расчета массовых расходов горючего газа и воздуха (далее - рабочие тела), изменяя концентрацию озона в воздушно-озоновой смеси и определяя при этом состав продуктов сгорания.
ст
Для моделирования необходимых режимов работы камер сгорания измеряют температуры рабочих тел с помощью термометров, статическое давление Р рабочих тел по пневмометрическим датчикам статического давления, полное давление Р* рабочих тел по пневмометрическим датчикам полного давления, а массовые расходы воздуха и горючего газа, подаваемые от источников через запорно-регулирующие органы, рассчитывают по уравнению неразрывности потока:
где G - массовый расход соответствующего рабочего тела (воздуха или горючего газа);
ρ - плотность соответствующего рабочего тела;
ƒ - площадь проходного сечения соответствующей успокоительной трубы;
c - скорость соответствующего рабочего тела, определяемая по формуле:
где Р* - полное давление соответствующего рабочего тела;
ст
Р - статическое давление соответствующего рабочего тела.
Успокоительные трубы предназначены для выравнивания потоков воздуха и горючего газа и исключения возмущений, вызванных термометрами и запорно-регулирующими органами.
Выпускная труба служит для охлаждения продуктов сгорания до температуры, которую предписывает в технических требованиях производитель анализатора дымовых газов.
Сущность полезной модели поясняется фиг., на которой изображена схема стенда для исследования влияния озона на процессы в КС ГТУ, где: 1 - вихревое запально-горелочное устройство; 2 - электроозонирующее устройство; 3 - выпускная труба; 4 - анализатор дымовых газов; 5 - запорно-регулирующий орган подачи воздуха; 6 - успокоительная труба воздуха; 7 - запорно-регулирующий орган подачи горючего газа; 8 - успокоительная труба горючего газа; 9 - электрическая свеча зажигания; 10 - термометр воздуха; 11 - пневмометрические датчики статического давления воздуха; 12 - пневмометрический датчик полного давления воздуха; 13 - дифференциальные водяные манометры воздуха; 14 - термометр горючего газа; 15 - пневмометрические датчики статического давления горючего газа; 16 - пневмометрический датчик полного давления горючего газа; 17 - дифференциальные водяные манометры горючего газа.
Стенд для исследования влияния озона на процессы в КС ГТУ содержит соединенные сборочными операциями: ВЗГУ 1 с радиальным входом для подачи горючего газа и тангенциальным входом для подачи воздуха; тангенциальный вход ВЗГУ соединен муфтой с электроозонирующим устройством 2; выпускную трубу 3, к которой под углом 90° посредством болтового соединения присоединен анализатор дымовых газов 4; запорно-регулирующие органы 5 и 7, соединенные с успокоительными трубами 6 и 8 с помощью разборных фитингов; электрическую свечу зажигания 9, ввинченную в резьбовое отверстие ВЗГУ. Успокоительные трубы 6 и 8 снабжены: термометрами 10 и 14, которые под углом 90° вставлены в соответствующие отверстия в стенке успокоительных труб; пневмометрическими датчиками статического давления 11 и 15 и пневмометрическими датчиками полного давления 12 и 16, которые впаяны в соответствующие отверстия успокоительных труб. Датчики 11, 12 подключены к дифференциальным водяным манометрами 13, датчики 15, 16 подключены к дифференциальным водяным манометрам 17 с помощью разборных фитингов.
Электроозонирующее устройство может быть выполнено из алюминиевых электродов и диэлектрического, например, стеклянного барьера, установленного между электродами с образованием газоразрядных промежутков. Диэлектрический барьер устанавливают между электродами для расширения на его поверхности части канала микроразряда, вследствие чего происходит увеличение концентрации озона в 10-12 раз. Достаточную производительность электроозонирующего устройства обеспечивают при значениях напряжения между электродами 15-25 кВ и промышленной частоте 50 Гц.
Стенд работает следующим образом.
Воздух подают от источника в тангенциальный канал ВЗГУ 1 транзитом сначала через запорно-регулирующий орган 5 по успокоительной трубе 6, а затем через электроозонирующее устройство 2, в котором, в зависимости от назначенного режима работы стенда, определяемого концентрацией озона в смеси от 0 до 0,1 ppm, отсутствует или осуществляется превращение части кислорода воздуха в озон с образованием воздушно-озоновой смеси посредством генерируемых в потоке этого воздуха электрических искровых разрядов при напряжении 15-25 кВ.
Горючий газ подают от источника в ВЗГУ 1 транзитом сначала через запорно-регулирующий орган 7 по успокоительной трубе 8, а затем в радиальный канал. В ВЗГУ 1 происходит его смешение с воздухом или воздушно-озоновой смесью.
Для моделирования режимов работы камер сгорания проводят расчет массовых расходов воздуха и горючего газа по уравнению неразрывности, для чего выполняют следующие измерения. С помощью термометров 10 и 14 измеряют температуры рабочих тел в успокоительных трубах 6 и 8.
Статическое давление воздуха измеряют в успокоительных трубах посредством пневмометрических датчиков 11, подключенных к дифференциальным водяным манометрам 13, статическое давление газа измеряют в успокоительных трубах посредством пневмометрических датчиков 15, подключенных к дифференциальным водяным манометрам 17. Далее посредством пневмометрического датчика 12, подключенного к дифференциальным водяным манометрам 13, измеряют в успокоительных трубах полное давление воздуха, а посредством пневмометрического датчика 16, подключенного к дифференциальным водяным манометрам 17, измеряют в успокоительных трубах полное давление газа.
ст
Динамический напор определяют, как разность полного Р* и статического Р давлений из уравнения Бернулли:
- динамический напор соответствующего рабочего тела.
Скорости рабочих тел с определяют по формуле (2). Массовые расходы G воздуха и горючего газа определяют из уравнения неразрывности потока (1) для заданных площадей ƒ проходных сечений успокоительных труб 6, 8.
С помощью запорно-регулирующих органов 5, 7 выставляют рассчитанные массовые расходы G воздуха и горючего газа, с помощью свечи зажигания 9 воспламеняют полученную смесь и получают трубчатый фронт пламени, который имитирует процессы в камере сгорания.
Продукты сгорания отводят по выпускной трубе 3. Определение температуры продуктов сгорания, коэффициентов избытка воздуха и полноты сгорания топлива, содержание углекислого газа, кислорода и токсичных веществ монооксида азота, диоксида азота, угарного газа осуществляют посредством анализатора 4 дымовых газов. С помощью электороозонирующего устройства 2 меняют концентрацию озона в воздушно-озоновой смеси, подаваемой в ВЗГУ 1. По содержанию в продуктах сгорания кислорода, углекислого газа, угарного газа, диоксида азота и водорода судят о степени влияния озона на процессы в камерах сгорания газотурбинных установок.
Для экспериментального подтверждения технического результата был создан опытный образец стенда для исследования влияния озона на процессы в КС ГТУ, выполненный согласно формуле полезной модели. В качестве горючего газа применяли смесь на основе пропан-бутана следующего состава:
3
8
- пропан (СН) - 80%;
4
10
- бутан (СН) - 13%;
2
5
- этан (СН) - 3,5%;
2
4
- этилен (СН) - 3,5%.
Предварительно горючий газ и воздух подавали в ВЗГУ 1 от источников, при этом измеряли по термометрам 10, 14 и датчикам 11, 12, 15, 16:
воз
- температуру воздуха Т = 300,15 К;
газ
- температуру газа Т = 300,15 К;
ст.воз.
- статическое давление воздуха Р = 3236 Па;
ст.газ
- статическое давление газа Р = 4422,8 Па;
- полное давление воздуха
- полное давление газа
По полученным данным определяли:
- плотность воздуха
- плотность газа
- скорость воздуха
- скорость газа
- массовый расход воздуха
- массовый расход газа
В соответствии с результатами расчетов осуществляли подачу рабочих тел в ВЗГУ 1. С помощью электроозонирующего устройства 2 часть кислорода воздуха превращали в озон, при этом количество озона в воздушно-озоновой смеси изменяли от 0 до 0,1 ррm. В ВЗГУ 1 имитировали процессы, протекающие в камере сгорания, для чего организовывали трубчатый фронт горения, что позволило осуществить построение характеристик этого ВЗГУ 1. Продукты сгорания отводили по выпускной трубе 3 и определяли содержание кислорода, углекислого газа, угарного газа, оксида азота, водорода посредством анализатора 4 дымовых газов.
Результаты исследования влияния озона на процессы в камере сгорания при применении вышеописанного горючего газа отражены в таблице.
Как видно из таблицы, изменение концентрации озона приводит к изменению содержания кислорода, углекислого газа, угарного газа, оксида азота и водорода в продуктах сгорания. По содержанию кислорода и водорода в продуктах сгорания судят о полноте сгорания топлива. По содержанию углекислого газа, угарного газа, оксида азота судят о степени токсичности выхлопных газов.
Стенд имитирует процессы в камерах сгорания за счет воссоздания соответствующих условий сжигания топлива и дает возможность анализировать, как влияет концентрация озона в озоно-воздушной смеси на процессы в различных камерах сгорания газотурбинных установок для определения путей повышения эффективности сжигания различных видов топлива в КС ГТУ при одновременном снижении выбросов токсичных продуктов сгорания.