Сербін С. І.Діасамідзе, Б. Т.Diasamidze, B. T.2023-01-242023-01-242023https://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/6458Діасамідзе, Б. Т. Підвищення ефективності двопаливних камер згоряння газотурбінних двигунів використанням плазмохімічних елементів = Increasing the efficiency of dual-fuel combustion chambers of gas turbine engines using plasma-chemical elements : дис. … д-ра філос. : 142 Енергетичне машинобудування / Б. Т. Діасамідзе ; наук. кер. С. І. Сербін : НУК. – Миколаїв, 2023. – 184 с.Діасамідзе Б. Т. Підвищення ефективності двопаливних камер згоряння газотурбінних двигунів використанням плазмохімічних елементів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 142 – Енергетичне машинобудування. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2021. Застосування двопаливних газотурбінних двигунів (ГТД) є одним із перспективних напрямків підвищення ефективності й надійності енергетичних систем. Одним із актуальних питань є контроль емісії оксидів азоту при роботі як на газоподібному, так і рідкому паливах. Незважаючи на велику кількість наукових досліджень в області низькоемісійних камер згоряння методологічні і технічні аспекти вирішення науково-прикладного завдання створення високоефективних двопаливних низькоемісійних камер згоряння ГТД з плазмовим супроводом до теперішнього часу розроблені недостатньо. Натурні дослідження процесів розпилювання та горіння палив достатньо проблематичні у зв’язку з високою вартістю матеріальних та людських ресурсів, високими температурами в камері згоряння, але за допомогою сучасних методів математичного моделювання та обчислювальної гідродинаміки такі завдання можуть розв’язуватися з високою швидкістю та точністю. Дослідження шляхів вдосконалення емісійних характеристик паливоспалюючих пристроїв, що забезпечують розв’язання завдання створення високоефективних газотурбінних двигунів наземного та морського призначення, які відповідають вимогам до енергетичних модулів нового покоління та працюють на рідкому та газоподібному органічних паливах одночасно, – є актуальним і матиме як соціальний, так і економічний ефекти. Таким чином, актуальність дисертаційного дослідження визначається: а) необхідністю розробки математичних моделей впливу повітряної плазми на процеси активації паливно-повітряних сумішей різного фазового стану та розробки механізму плазмохімічного впливу на робочий процес двопаливної камери згоряння; б) необхідністю досліджень аеродинаміки потоків та утворення токсичних компонентів в камері згоряння, що працює на природному газі та рідкому паливі, з урахуванням впливу низькотемпературної повітряної плазми. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності двопаливних низькоемісійних камер згоряння ГТД шляхом використання низькотемпературної повітряної плазми для активації паливно-повітряних сумішей. Новизна результатів, одержаних в дисертації, полягає в наступному. 1. Вперше обґрунтовано інтенсифікуючий вплив низькотемпературної повітряної плазми на робочий процес двопаливної камери згоряння ГТД з попереднім сумішоутворенням на основі розробленої математичної моделі фізико-хімічних процесів двофазного турбулентного горіння у низькоемісійних паливоспалюючих пристроях, яка відрізняється від відомих запропонованим кінетичним механізмом окиснення вуглеводнів з урахуванням впливу плазмохімічних продуктів на процеси активації паливно-повітряних сумішей. 2. Вперше доведено можливість підвищення ефективності процесів одночасного горіння газоподібного і рідкого палива в камері згоряння ГТД з попереднім утворенням паливно-повітряної суміші шляхом плазмохімічного впливу струмин повітряної низькотемпературної плазми на процеси прогріву крапель рідкого палива, сумішоутворення й окиснення пального. 3. Вперше експериментально отримано вольт-амперні характеристики плазмового повітряного генератора низькотемпературної плазми, призначеного для роботи в складі двопаливних камер згоряння, та визначено, що зона його стійкої роботи лежить в діапазоні струмів від 0,1 до 0,9 А при витратах плазмоутворюючого повітря до 1,6 г/с, а мінімальне значення сили струму зростає до 0,3 А при додатковій подачі розпилюючого повітря. 4. Вдосконалено метод прогнозування процесів вигоряння різних за фізичним станом вуглеводневих палив в низькоемісійних камерах згоряння ГТД, заснований на числовому моделюванні їх характеристик на основі концепції дисипації вихорів (Eddy-Dissipation-Concept), який відрізняється від відомих тим, що враховує особливості окиснення палив різного стану за допомогою детальних хімічних механізмів в умовах взаємодії зони реагування з турбулентними пульсаціями потоку. 5. Отримав подальший розвиток підхід до моделювання впливу продуктів плазмохімічного елемента на процеси поширення полум'я у паливоспалюючих пристроях, заснований на залежності енергії активації реакцій окиснення різних за фізичним станом палив від кількості добавок плазмохімічних продуктів, яка враховується у рівняннях переносу хімічних компонентів. Наукове значення роботи полягає в розширенні уявлень про фізико-хімічні механізми плазмової активації процесів горіння різних за фазовим станом палив в низькоемісійних камерах згоряння ГТД в частині впливу зменшення енергії активації результуючої реакції окиснення вуглеводнів на структуру хімічно реагуючих двофазних потоків, як наукового підґрунтя для реалізації концепції модернізації та створення двопаливних українських ГТД нового покоління. Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці практичних рекомендацій з використання двопаливних камер згоряння в енергетиці, на підставі яких розроблено конструктивну схему двопаливної низькоемісійної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт, що працюює на газоподібному і рідкому паливах і забезпечує світові показники токсичності вихлопних газів. Запропонована тривимірна математична модель робочого процесу в двопаливній низькоемісійній камері згоряння з урахуванням впливу повітряної низькотемпературної плазми здатна прогнозувати енергетичні та емісійні характеристики найсучасніших газотурбінних двигунів. На її основі може бути проведена оптимізація параметрів камер згоряння новітніх енергетичних систем. Результати дисертаційного дослідження впроваджено при проєктуванні вітчизняних газотурбінних установок для їх подальшого використання в якості мобільних енергетичних засобів комплексного забезпечення енергією об’єктів морської інфраструктури (ДП «Дослідно-проектний центр кораблебудування» державного концерну «Укроборонпром»), при аналізі схемних рішень перспективних суднових енергетичних установок та виконанні проєктних розробок концептуальних суден (―Zaliv Ship Design‖), в навчальному процесі при підготовці здобувачів вищої освіти в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова. У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність теми, показано її зв’язок з науковими програми й темами, сформульовано об’єкт і предмет дослідження, мету та головні його задачі, представлено методи дослідження та обґрунтування достовірності отриманих результатів, визначено наукову новизну та практичне значення результатів роботи, відображено повноту викладення результатів у публікаціях та ступінь апробації на конференціях. У першому розділі проаналізовано сучасні методи організації робочого процесу в двопаливних камерах згоряння ГТД світових та вітчизняних виробників, особливості функціонування плазмохімічних систем та хімічної кінетики активації різних за фазовим станом палив. Виконаний аналіз літератури дозволив визначити актуальність використання плазмової активації горіння вуглеводневих палив як одного з перспективних напрямків підвищення ефективності й надійності двопаливних енергетичних систем. Другий розділ дисертації присвячено опису методології та обґрунтуванню основних методів досліджень робочих процесів в двопаливних камерах згоряння. Запропоновано для аналізу енергетичних і емісійних характеристик паливоспалюючих пристроїв використовувати основні рівняння математичної моделі турбулентного горіння рідких і газоподібних палив, моделі хімічної кінетики, що місять можливості урахування впливу низькотемпературної плазми на процеси поширення полум’я. Приведено основні рівняння математичної моделі, що описує робочий процес в турбулентній системі при спалюванні газоподібного палива. Надано опис принципової схеми експериментального стенду для проведення досліджень плазмових генераторів. Третій розділ присвячено опису розроблених математичних моделей для розрахунку двопаливної низькоемісійної камери згоряння з плазмовим супроводом. Обґрунтовано вибір тривимірної моделі континуального типу, яка здатна прогнозувати основні процеси в камерах згоряння ГТД при використанні різних за фазовим станом палив. Розроблено математичну модель плазмової активації горіння рідких та газоподібних палив в двопаливній камері згоряння. Проведено верифікацію запропонованої математичної моделі. Четвертий розділ присвячено теоретичним дослідженням характеристик двопаливної газотурбінної камери згоряння, що працює на газоподібному та рідкому паливах. Проведено тривимірні розрахунки аеродинамічної структури потоку в двопаливній низькоемісійній камері згоряння ГТД при роботі на газоподібному та рідкому паливах. Виявлено основні особливості формуванні зон зворотних течій в жаровій трубі камери згоряння на режимах холодної продувки і при підведенні пального. Проведено розрахунки різних варіантів подачі рідкого палива в двопаливну низькоемісійну камеру згоряння. Отримано розподіли температур та концентрацій токсичних компонентів на виході камери згоряння при одночасній роботі низькоемісійної камери на рідкому і газоподібному паливах при різних співвідношеннях їх витрат через канали радіально-осьових завихрювачів жарової труби. У п’ятому розділі проаналізовано стан розробки генераторів низькотемпературної плазми, призначених для активації горіння газоподібних і рідких вуглеводневих палив в камерах згоряння транспортних і стаціонарних газотурбінних двигунів. Розроблено конструктивну схему генератора низькотемпературної повітряної плазми з покращеними енергетичними характеристиками, призначеного для роботи в складі двопаливної камери згоряння. Проведено експериментальні дослідження енергетичних характеристик генератора повітряної плазми без подачі та з подачею розпилюючого повітря і води, що імітує рідке паливо. Визначено діапазон сталої роботи плазмотрону постійного току. Зона сталого горіння дуги плазмотрона знаходиться у межах сили току від 0,1 до 0,9 А, а при додатковій подачі розпилюючого повітря і води 7 мінімальне значення сили струму зростає до 0,3 А. Проведено тривимірні розрахунки характеристик двопаливної низькоемісійної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт з плазмовим супроводом. Отримано розподіли основних параметрів по перерізах двопаливної камери згоряння з урахуванням різної кількості плазмохімічних продуктів, що подаються у первинну зону камери. Отримані результати математичного моделювання показали, що додавання плазмохімічних продуктів забезпечує зменшення концентрацій монооксиду вуглецю СО в вихідному перерізі жарової труби з 25-28 ppm до 3,9-4,6 ppm. Розроблено практичні рекомендації щодо вдосконалення конструктивної схеми двопаливної низькоемісійної камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт виробництва ДП НВКГ ―Зоря‖-‖Машпроєкт‖ використанням плазмохімічних елементів, що дозволило забезпечити розрахункову емісію токсичних компонентів (оксидів азоту і монооксиду вуглецю) на рівні, який відповідає сучасним Європейським вимогам на викиди газотурбінних двигунів при роботі як на газоподібному, так і рідкому паливах.ukгазотурбінний двигунустановкатурбокомпресордвигун внутрішнього згоряннякамера згоряннязапалюванняконверсіятепло- масопереноспаливо газоподібнепаливо рідкесинтез-газемісія токсичних компонентівплазмохімічне горіннятермохіміяробочий процесматематичне моделюваннятермодинамічний аналіз142 "Енергетичне машинобудування"gas turbine enginepower plantturbochargernternal combustion enginecombustion chamberignitionconversionheat-mass transfergaseous fuelliquid fuelsynthesis gasemission of toxic componentsplasma-chemical combustionthermochemistryoperating processmathematical simulationthermodynamic analysisOther