Население нашей планеты, по оценке ООН, в 2019 г. достигло показателя в 7,7 млрд чел. и будет только расти [1]. Такой рост численности человечества не может не влиять на рост производства и масштабов потребления, что оказывает значительное влияние на окружающую среду.

Перед промышленностью остро встает вопрос обеспечения населения необходимым количеством тепловой и электрической энергии, при этом не менее важны вопросы снижения нагрузки на экологию планеты. Поэтому исследования технологий сжигания газообразного топлива в газотурбинных установках изучаются мировым научным сообществом на протяжении многих лет [2, 3] и в современных реалиях не теряют своей актуальности [4–6].

Известно, что процессы подачи и подготовки топлива имеют первостепенное значение для горения и являются важной частью организации рабочего процесса в камерах сгорания. Безусловно, угол подачи топлива также влияет на эффективность горения за профилями, и его выбор важен при разработке новых конструкции микрофакельных устройств.

Ранее автором, совместно с исследовательской группой, было проанализировано влияние угла β между турбинным профилем и накладкой на процессы горения в камере сгорания ГТУ [6]. На основании полученных экспериментальных данных и проведенного анализа было сделано заключение, что с точки зрения оптимизации процесса горения в камере сгорания ГТУ наиболее рационально применять турбинные профили с углом β между профилем и накладкой равным 45 °.

Цель исследования: изучение влияния угла φ подачи топлива на турбинный профиль с накладкой в 45 ° на концентрацию оксидов азота, длину факела, стабилизацию пламени и температуры на выходе из камеры сгорания ГТУ. На рис. 2 представлен общий вид профиля.

Рис. 1. Население мира по регионам, 1990–2050 гг. [1]

Рис. 2. Общий вид профиля

Материалы и методы исследования

Для проведения исследования была использована экспериментальная установка. Ее принципиальная схема представлена на рис. 3.

Пропан находится в баллонах. Регулировка давления и расхода топлива осуществлялась клапаном, манометром и клапаном для снижения давления. Электрический расходометр использовался для контроля расхода топлива, с точностью 1 % по всему диапазону измерений.

В связи с тем, что при проведении эксперимента изучалось неперемешанное (диффузионное) горение, процесс перемешивания топлива с воздухом происходил непосредственно в зоне горения. За профилями установлено зажигание искрового типа, которое использовалось для поджога топлива. Замер температур осуществлялся посредством термопар (хромель-алюмель) диаметрами 0,5 мм, расположенных радиально на выходе из камеры сгорания. Для замеров параметров уходящих газов был использован стационарный газоанализатор с погрешностью 5 %. Снимки производились цифровой фотокамерой с высоким разрешением.

В рамках данного исследования изучалось влияние угла φ подачи топлива на турбинный профиль с накладкой в 45 ° на процессы стабилизации, образования токсичных веществ. Пламя зажигалось при отсутствии подачи воздуха, при минимальном расходе топлива, равном 0,0025 кг/с. Следующим этапом постепенно включался вентилятор, в котором с шагом в 1 м/с увеличивалась скорость подачи воздуха. При достижении нужной скорости от 2 до 12 м/с выставлялся максимальный расход топлива, равный 0,0075 кг/с. После этого расход топлива снижался с шагом в 0,0005 кг/с, для определения бедного срыва.

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментальной установки

Результаты исследования и их обсуждение

Рис. 4 иллюстрирует зависимость температур на выходе из камер сгорания от скорости подачи воздуха и угла φ подачи топлива на турбинный профиль.

Из графиков видно, что наибольшие показатели температуры на выходе из камеры сгорания мы получаем при скорости потока воздуха 4 м/с, при этом при угле φ подачи топлива на турбинный профиль равном 30 ° мы наблюдаем максимальное значение этого параметра.

Зависимость длины факела от угла φ подачи топлива и скорости подачи воздуха представлена на рис. 5.

Графики показывают, что чем развитее зоны обратных токов (рециркуляции), тем короче факел: большая часть топлива сжигается в рециркуляционной зоне благодаря большему втягиванию в нее топливно-воздушной смеси.

Одним из важнейших показателей современных газотурбинных установок является их экологичность. Наиболее интересными для нас являются выбросы таких токсичных веществ, как оксид азота и монооксид углерода. Однако последний мы не рассматриваем в рамках данного исследования в связи с тем, что он в основном образуется за счет большого недожога топлива.

На рис. 6 представлены графики зависимости концентрации NOx от угла φ подачи топлива и скорости подачи воздуха.

Рис. 4. Зависимость температуры на выходе из камеры сгорания от угла φ подачи топлива и скорости подачи воздуха

Рис. 5. Зависимость длины факела от угла φ подачи топлива и скорости подачи воздуха

Рис. 6. Зависимость концентрации NOx от угла φ подачи топлива и скорости подачи воздуха

1 2 3

Рис. 7. Фотоснимки факелов за профилями лопаток. Скорость потока v = 4 м/с; 1 – φ = 0°; 2 – φ = 15°; 3 – φ = 30°

Полученные в ходе проведения эксперимента данные демонстрируют нам, что при росте температуры в зоне горения, развитой зоны рециркуляции и увеличения времени нахождения газов в зоне горения растет концентрация оксидов азота.

На рис. 7 представлены фотоснимки факелов за профилями лопаток.

Данные снимки позволяют нам увидеть, что увеличение угла φ подачи топлива на турбинный профиль приводит к уменьшению светимости факела. С точки зрения оптимизации процесса горения, учитывая температуры, концентрации оксидов азота, наиболее оптимальной является подача топлива на профиль с углом β = 45 ° под углом φ = 15 °.

Заключение

Эксперименты позволяют сделать вывод, что применение удобообтекаемых турбинных профилей является перспективным направлением для создания новых фронтовых устройств. Регулируемые накладки в целом приводят к повышению эффективности процесса горения и влияет на пределы устойчивости горения, а изменение угла φ подачи топлива на турбинный профиль также влияют на качество перемешивания топлива с воздухом. Показано, что увеличение угла φ приводит к значительному повышению температуры в зоне горения, что сказывается на росте образования токсичных веществ (оксида азота). Наиболее рациональной с точки зрения оптимизации выглядит подача топлива на профиль с углом β = 45 ° под углом φ = 15 °.