Тривимірні дослідження камери згоряння газотурбінного двигуна з впорскуванням пари, що працює на суміші аміаку і водню

Abstract

Робота спрямована на дослідження характеристик камери згоряння газотурбінного двигуна з впорскуванням водяної пари, яка працює на суміші аміаку і водню. Подібні двигуни є перспективнимиз точкизорупроєктування і використаннядекарбонізованих гібридних енергетичних систем без викидів вуглецю. Метою роботи є тривимірні дослідження енергетичних і емісійних характеристик камери згоряння з впорскуванням водяної пари, що працює на суміші аміаку і водню. В якості об’єкта дослідження вибрано робочі процеси камери згоряння суднового газотурбінного двигуна потужністю 32 МВт.Для знаходження параметрів паливоспалюючого пристрою застосовано метод обчислювальної гідродинаміки (CFD), який розв’язує систему диференційних рівнянь збереження маси, енергії та перенесення хімічних компонентів в багатокомпонентній реагуючій турбулентній системі. В розрахунках використано детальну кінетичну схему горіння аміаку і водню, яка налічує 203 хімічні реакції з 31 хімічним компонентом. В результаті тривимірного моделювання отримано нові дані про процеси поширення полум’я аміаку і водню в сильно закручених потоках та умовах стадійного підведення повітря та водяної пари по перерізах жарової труби, а також отримано основні енергетичні і екологічні характеристики такого паливоспалюючого пристрою. Дослідження засвідчують, що стійке функціонування камери згоряння при подаванні водяної пари забезпечується винятково за умови додавання щонайменше 30 % водню до складу палива. Це пояснюється прискоренням хімічних перетворень і зростанням чисельності активних радикалів у області горіння. Виявлено, що підвищення концентрації пари в основній зоні спалювання спричиняє падіння температури та суттєве зниження ефективності вигоряння аміаку, наслідком чого є збільшення його залишкового вмісту у продуктах згоряння на випуску. За значного розбавлення паливної суміші парою процес утворення оксидів азоту визначається не лише термічним механізмом, а й складними ланцюгами перетворення азоту, що надходить з аміаком, через утворення проміжних радикальних часток. Отримані результати можуть бути корисними при проєктуванні перспективних камер згоряння газотурбінних установок в складі гібридних енергетичних систем.