Разработка и исследование кислородно-топливной камеры сгорания высокого давления

Авиационная и ракетно-космическая техника

2022. Т. 29. № 4. С. 196-207.

DOI: 10.34759/vst-2022-4-196-207

Авторы

Комаров И. И.1*, Рогалёв А. Н.2**, Харламова Д. М.1***, Нестеров П. М.1****, Соколов В. П.1*****

1. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия
2. «Силовые машины», ул. Ватутина, 3А, Санкт-Петербург, 195009, Россия

*e-mail: KomarovII@mpei.ru
**e-mail: r-andrey2007@yandex.ru
***e-mail: RostovaDM@mpei.ru
****e-mail: NesterovPM@mpei.ru
*****e-mail: vl.sokolov2013@mail.ru

Аннотация

Использование в качестве окислителя чистого кислорода приводит к высоким значениям тепловой напряженности жаровой трубы, температура в зоне горения начинает превышать 2500°С, что приближает кислородно-топливную камеру сгорания (КС) энергетической установки к условиям работы КС авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и делает целесообразным использование отработанных при проектировании авиационных КС методов, прототипов и технических решений. В статье представлены результаты проектирования КС энергетической газотурбинной установки, использующей в качестве рабочего тела диоксид углерода при сверхкритических параметрах. Результаты получены с использованием методик и научно-технических решений, применяемых при создании камер сгорания авиационных двигателей. На основе проведенных исследований предложены рекомендации по проектированию камер сгорания для энергоустановок на диоксиде углерода, учитывающие различие используемого окислителя, охладителя и балластных компонентов.

Распределение потоков углекислотного разбавителя по длине жаровой трубы должно основываться на недопущении его активного ингибирующего воздействия на реакцию горения топлива. Установлено, что оптимальное содержание СО2 в зоне горения не должно превышать 15% от общего массового расхода в камере сгорания. На основе проведенного исследования теплового состояния жаровой трубы камеры сгорания показано, что щелевая система охлаждения, широко применяемая в камерах сгорания ГТД, показала наилучшую эффективность в заданных условиях работы. Определено, что первую секцию охлаждения необходимо располагать в диффузорной области. Канал, заполненный охлаждающим диоксидом углерода, должен иметь конфузорную форму для предотвращения возникновения вихрей при обтекании входного диффузора жаровой трубы и последующего запирания отверстий охлаждения. Установлено, что секции щелевого охлаждения, направленные под углом 10° к продольной оси кислородно-топливной камеры сгорания, исключают подмешивание вторичного потока диоксида углерода в активную зону горения.

Ключевые слова:

камера сгорания ГТД, сверхкритический диоксид углерода, пленочное охлаждение, температурное поле, кинетический механизм

Библиографический список

  1. Adu E., Zhang Y.D., Liu D., Tontiwachwuthikul P. Parametric process design and economic analysis of post-combustion CO2capture and compression for coal- and natural gas-fired power plants // Energies. 2020. Vol. 13. No. 10: 2519. DOI: 10.3390/en13102519
  2. Andryushin A., Shcherbatov I., Dolbikova N., Kuznetsova A., Tsurikov G. Outlier detection in predictive analytics for energy equipment // In book: Kravets, A., Bolshakov, A., Shcherbakov, M. (eds) Cyber-Physical Systems: Advances in Design & Modelling. Studies in Systems, Decision and Control. — Springer, Cham, 2020. Vol 259, pp. 193-203. DOI: 10.1007/978-3-030-32579-4_15
  3. EDGAR — Emissions Database for Global Atmospheric Research — Report. Publications Office of the European Union, 2019. URL: https://edgar.jrc.ec.europa.eu/
  4. Shcherbatov I., Agibalov V., Dolgsuhev A., Belov M. Subsystem for building a digital twin of the main and auxiliary equipment of thermal scheme of thermal power plant // In book: Kravets, A.G., Bolshakov, A.A., Shcherbakov, M. (eds) Society 5.0: Human-Centered Society Challenges and Solutions. Studies in Systems, Decision and Control. — Springer, Cham. 2022. Vol 416, pp. 239-249. DOI: 10.1007/978-3-030-95112-2_20
  5. Jo H., Kang K., Park J. et al. Optimization of air distribution to reduce NOx emission and unburned carbon for the retrofit of a 500 MWe tangential-firing coal boiler // Energies. 2019. Vol. 12. No. 17: 3281. DOI: 10.3390/en12173281
  6. Kindra V., Rogalev A., Lisin E. et al. Techno-economic analysis of the oxy-fuel combustion power cycles with near-zero emissions // Energies. 2021. Vol. 14. No. 17: 5358. DOI: 10.3390/en14175358
  7. Allam R., Martin S., Forrest B. et al. Demonstration of the Allam Cycle: An Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture // Energy Procedia. 2017. Vol. 114, pp. 5948–5966. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.1731
  8. Rogalev A., Rogalev N., Kindra V. et al. Research and Development of the Oxy-Fuel Combustion Power Cycles with CO2Recirculation // Energies. 2021. Vol. 14. No. 10: 2927. DOI: 10.3390/en14102927
  9. Allam R.J., Fetvedt J.E., Forrest B.A., Freed D. The oxy-fuel, supercritical CO2Allam Cycle: New cycle developments to produce even lower-cost electricity from fossil fuels without atmospheric emissions // ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition (16–20 June 2014; Dьsseldorf, Germany). Vol. 3B. Paper No: GT2014-26952. DOI: 10.1115/GT2014-26952
  10. Орлов М.Ю., Лукачёв С.В., Матвеев С.Г. Моделирование процессов в камере сгорания: Учебное пособие. — Самаpа: Изд-во Самарского университета, 2017. — 291 с.
  11. Михайлов А.И., Горбунов Г.М., Борисов В.В. и др. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей. — М.: Оборонгиз, 1959. — 285 с.
  12. Delimont J., Andrews N., Chordia L. Computational Modeling of a 1MW Scale Combustor for a Direct Fired sCO2Power Cycle // ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (11-15 June 2018; Oslo, Norway). Vol. 9 «Oil and Gas Applications; Supercritical CO2 Power Cycles; Wind Energy». Paper No: GT2018-77087. DOI: 10.1115/GT2018-77087
  13. Komarov I., Kharlamova D., Vegera A., Makhmutov B. Principal Design of Methane-oxygen Combustion chamber with Supercritical CO2// ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021. Vol. 16.
    No. 6, pp. 673–678. URL: https://arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2021/jeas_0321_8537.pdf
  14. Харитонов В.Ф. Проектирование камер сгорания: Учебное пособие. — Уфа: УГАТУ, 2008. — 138 с.
  15. Koroglu B., Pryor O.M., Lopez J. et al. Shock tube ignition delay times and methane time-histories measurements during excess CO2diluted oxy-methane combustion // Combustion and flame. 2016. Vol. 164. No. 2, pp. 152-163. DOI: 10.1016/j.combustflame. 2015.11.011
  16. Polezhaev Yu.V., Mostinskii I.L. Normal flame propagation speed and analysis of the influence of system parameters on it // Thermophysics of high temperatures. 2005. Vol. 43. No. 6, pp. 933–942.
  17. Heil P., Toporov D., Fцrster M., Kneer R. Experimental investigation on the effect of O2and CO2 on burning rates during oxyfuel combustion of methane // Proceedings of the Combustion Institute. 2011.
    Vol. 33. No. 2, pp. 3407-3413. DOI: 10.1016/j.proci. 2010.05.047
  18. Бакланов А.В. Экспериментальное исследование температурного состояния стенок жаровой трубы многофорсуночной камеры сгорания газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 116-125.
  19. Токталиев П.Д., Мартыненко С.И., Яновский Л.С., Волохов В.М. Математическое моделирование гидродинамических и тепловых процессов в системе охлаждения камер сгорания авиационных прямоточных двигателей на эндотермических топливах // XL Академические чтения по космонавтике: сборник тезисов конференции (26–29 января 2016; Москва). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. С. 334.
  20. Токталиев П.Д., Мартыненко С.И. Математическая модель системы охлаждения камер сгорания авиационных прямоточных двигателей на эндотермических топливах // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2015. № 1(58). С. 84-98.
  21. Lilley D.G. Swirl flows in combustion: a review // AIAA Journal. 1977. Vol. 15. No. 8, pp. 1063–1078. DOI: 10.2514/3.60756
  22. Yilmaz H., Cam O., Yilmaz I. Swirler geometry effects (dh/do ratio) on synthetic gas flames. Part 1: Combustion and emission characteristics // Energetika. 2021. Vol. 67. No. 1–2. DOI: 10.6001/energetika.v67i1.4535
  23. Марчуков Е.Ю., Вовк М.Ю., Кулалаев В.В. Анализ технического облика энергетических систем методами математической статистики // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 156-165. DOI: 10.34759/vst-2019-4-156-165
  24. Рекин А.Д., Секундов А.Н., Якубовский К.Я. Особенности численного моделирования конвективно-ударной системы охлаждения для камеры сгорания //Теплоэнергетика. 2005. № 11. С. 14-18.
  25. Братухин А.Г. (гл. ред.). Авиационно-космическое машиностроение: Международная энциклопедия CALS-технологий. — М.: Научно-исследовательский центр автоматизированных систем конструирования, 2015. — 608 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2023