Б.Г. Мингазов, В.Б. Явкин,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г.. Казань)
В процессе эксплуатации некоторых типов стационарных газотурбинных установок (ГТУ), использующих в качестве топлива природный газ, обнаружена нестабильность работы камер сгорания (КС) при запуске ГТУ. Нестабильность заключается в возникновении сильной окружной неравномерности температурного поля и даже погасании отельных жаровых труб в процессе запуска.
Для изучения механизма вызывающего неустойчивость работы КС была создана CFD модель камеры сгорания в среде Fluent. Модель базировалась на осредненных по Рейнольдсу стационарных уравнениях Навье-Стокса с использованием для замыкания стандартной k-е модели турбулентности.
Важное значение имеет выбор механизма горения. Fluent предлагает четыре механизма: модель скорости распространения ламинарного фронта пламени (кинетическая модель), модель диссипации вихря (диффузионная модель), кинетическо-диффузионную модель и модель, в которой детальный механизм химической реакции встраивается в турбулентное поле течения.
В данной работе были рассмотрены три первые модели (четвертая требует значительно больших затрат времени на решение). Выбор модели производился на основе моделирования горения в экспериментальной установке, на которой получены надежные данные по исследованию устойчивости горения.
По результатам расчетов была построена бедная граница срыва пламени для трех применявшихся моделей горения. Сравнение рассчитанных границ с экспериментальными данными, показало, что наилучее согласование достигается при применении диффузионно-кинетической модели. Совместный учет химической кинетики и турбулентного характера течения дал физически корректные результаты: воспламенение и стабилизация пламени наблюдались только в зоне за конусообразным телом, где в силу срыва потока при внезапном расширении, формируется зона аэродинамической циркуляции.
Для определения лимитирующего фактора были проанализированы значения скоростей химических реакций, определенные по выражению Аррениуса и с позиций модели распада вихря (диффузионный механизм). Установлено, что в целом лимитирующим является механизм турбулентной диффузии, так как скорости химических реакций, определенные по модели распада вихря, оказались выше. Однако, в низкотемпературных областях, а также в областях расчетной области с негорючими составами смеси фактором, тормозящим развитие горения, является кинетический механизм.
В качестве условия существования горения принималось равенство температур входящего и исходящего воздуха, Тех = Гвых. Параллельно определялось время пребывания, которое сравнивалось со временем химической реакции.
|
