Підвищення ефективності двопаливних камер згоряння газотурбінних двигунів використанням плазмохімічних елементів
| dc.contributor.advisor | Сербін С. І. | uk_UA |
| dc.contributor.author | Діасамідзе, Б. Т. | |
| dc.contributor.author | Diasamidze, B. T. | |
| dc.date.accessioned | 2023-01-24T09:38:39Z | |
| dc.date.available | 2023-01-24T09:38:39Z | |
| dc.date.issued | 2023-01-24 | |
| dc.description | Діасамідзе, 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. | uk_UA |
| dc.description.abstract | 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. | uk_UA |
| dc.description.abstract1 | Diasamidze B.T. Increasing the efficiency of dual-fuel combustion chambers of gas turbine engines using plasma-chemical elements. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 142 "Power Machinery". – Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Mykolaiv, 2021. The application of dual-fuel gas turbine engines (GTE) is one of the promising areas for increasing the efficiency and reliability of energy systems. One of the urgent issues is the control of nitrogen oxides emissions when working on both gaseous and 11 liquid fuels. Despite a large amount of research in the field of low-emission combustion chambers, methodological and technical aspects of the solution of scientific-applied tasks of the creation of high-efficiency dual-fuel low-emission combustion chambers GTE with plasma support has not been developed enough so far. Researches of fuel spraying and combustion processes are quite problematic due to the high cost of material and human resources, high temperatures in the combustion chamber, but with modern methods of mathematical modeling and computational flow dynamics, such problems can be solved with high speed and accuracy. The research of improving emission characteristics of fuel combustion devices, which that meet the requirements of the new generation of energy modules creation of high-efficient power and marine gas turbine engines and operating simultaneously on liquid and gaseous organic fuels, - is an actual task which will have both social and economic effects. Thus, the relevance of the thesis research is determined by: a) the need to develop mathematical models of the influence of air plasma on the activation of fuel-air mixtures of different phase states and development of the mechanism of plasma-chemical influence on the working process of the dual-fuel combustion chamber; b) the necessity of the studies of the aerodynamics of flows and formation of toxic components in the combustion chamber operating on natural gas and liquid fuel, taking into consideration the influence of low-temperature air plasma. The main aim of the research is to study an increase in the efficiency of dual-fuel low-emission combustion chambers of the gas turbine engine through the use of low temperature air plasma for fuel-air mixtures activation. The novelty of research results, obtained in the thesis, is as follows. 1. For the first time the intensifying influence of low-temperature air plasma on the working process of a dual-fuel combustion chamber of a gas turbine engine with preliminary mixing based on the developed mathematical model of physicochemical processes of two-phase turbulent combustion in low-emission fuel processes of activation of fuel-air mixtures is obtained.12 2. Firstly the possibility of increasing the efficiency of the processes of simultaneous combustion of gaseous and liquid fuels combustion chamber GTE with the previous formation of the fuel-air mixture due to the plasma-chemical effect of low temperature air jet plasma on the processes of heating of liquid fuel’s droplet heating, mixture formation and oxidation of fuel is proven. 3. For the first time the volt-ampere characteristics of the plasma air generator of low-temperature plasma intended for work as a part of dual-fuel combustion chambers, and determined that the zone of stable work of the plasma generator is in the range of currents from 0.1 to 0.9 A at a flow rate of plasma-forming air up to 1.6 g /s, and with an additional supply of atomizing air the minimum value of current increases to 0.3 A. 4. The method of forecasting combustion processes of the different physical states of hydrocarbon fuels in the GTE low-emission combustion chambers has been improved, based on numerical modeling of their characteristics using the concept of vortex dissipation (Eddy-Dissipation-Concept), which differs from the known by the taking into consideration the oxidation of different fuels using detailed chemical mechanisms in the interaction of the reaction zone with turbulent flow pulsations. 5. The approach to modeling the influence of products of the plasma-chemical element on the processes of flame propagation in fuel-burning devices was developed further. It is based on the dependence of the activation energy of oxidation reactions of different physical states of fuels on the number of additives of plasma-chemical products, which is considered in the transport equations of chemical components. The scientific significance of the work is to expand the understanding of physicochemical mechanisms of plasma activation of combustion processes of different phase states of fuels in low-emission combustion chambers of gas turbine engines in terms of the impact of reducing the activation energy of the resulting hydrocarbon oxidation reaction on the structure of chemically reactive two-phase streams, as a scientific basis for implementing the concept of modernization and creation of new generation dual-fuel Ukrainian gas turbine engines. The practical significance of the results is to develop practical recommendations for the use of dual-fuel combustion chambers in power machinery, based on which design scheme of the dual-fuel low-emission combustion chamber of a gas turbine engine with a capacity of 25 MW that works on gaseous and liquid fuels on the level of world toxicity of exhausted gases requirements has been developed. The proposed three-dimensional mathematical model of the working process in a dual-fuel low emission combustion chamber, taking into consideration the influence of low temperature air plasma, can predict the energy and emission characteristics of modern gas turbine engines. Based on it, the optimization of the parameters of combustion chambers of the latest energy systems can be carried out. The results of the research were implemented in the design of domestic gas turbine plants for their further use as mobile energy means of integrated energy source of marine infrastructure (SE "Research and Design Center for Shipbuilding" of the state concern "Ukroboronprom"), in the analysis of scheme solutions of promising marine power plants and the implementation of design developments of concept ships ("Zaliv Ship Design"), in the educational process in the preparation of applicants for higher education at the Admiral Makarov National University of Shipbuilding. The introduction of the thesis substantiates the relevance of the topic, shows its connection with scientific programs and topics, formulates the object and subject of research, purpose, and main tasks, presents research methods and justification of the results, determines the scientific novelty and practical significance of the results, reflects the completeness of the results in publications and the degree of approbation at conferences. The first section analyzes modern methods of organizing the work process in dual-fuel GTE combustion chambers of world and domestic manufactures, features of functioning plasma-chemical systems, and chemic kinetics activation of various for phase fuel conditions. The performed analysis of the literature allowed determining the relevance of the use of plasma activation of hydrocarbon fuels as one of the promising areas for improving the efficiency and reliability of dual-fuel energy systems. The second section of the thesis is devoted to the description of methodology and substantiation of basic methods research workflows in dual-fuel combustion chamber. For the analysis of energy and emission characteristics of fuel-burning devices use the 14 basic equations of the mathematical model turbulent combustion liquid and gaseous fuel, chemical kinetic models, and the possibility of taking into consideration the influence of low-temperature plasma on the processes of flame propagation are suggested. The basic equations of the mathematical model describing the working process in a turbulent system during the combustion of gaseous fuel are given. The description of the schematic diagram of the experimental stand for research of plasma generators is given. The third section is devoted to the description of the developed mathematical models for the calculation of the dual-fuel low-emission combustion chamber with plasma activation. The choice of a three-dimensional model of continuous type is substantiated, which can predict the main processes in the combustion chambers of the gas turbine engine using different phase fuels. A mathematical model of plasma activation of combustion of liquid and gaseous fuels in a dual-fuel combustion chamber has been developed. Verification of mathematical model is offered. The fourth section is devoted to theoretical research of the characteristics of a dual-fuel gas turbine combustion chamber operating on gaseous and liquid fuels. Threedimensional calculations of the aerodynamic structure of the flow in the dual-fuel lowemission combustion chamber of the gas turbine engine when workings on gaseous and liquid fuels are carried out. The main features of the formation of recirculation flow zones in the flame tube of the combustion chamber in the modes of cold flow and with fuel burning are revealed. Calculations were performed for different modes of supply of liquid fuel to a dual-fuel low-emission combustion chamber. Distribution of temperatures and concentrations of toxic components at the outlet of the combustion chamber has been received while operating a low-emission chamber on liquid and gaseous fuels at different ratios of their flow rates through the channels of radial-axial swirlers in the flame tube. In the fifth section state of development of low-temperature plasma generators designed to activate the combustion of gaseous and liquid hydrocarbon fuels in combustion chambers transport and stationary gas turbine engines were analyzed. The 15 design scheme of the generator of low-temperature air plasma with the improved power characteristics intended for work as a part of the dual-fuel combustion chamber is developed. Experimental studies of the energy characteristics of the air plasma generator without supply and with the supply of atomizing air and water that simulates liquid fuel are carried out. The range of steady operation of the plasma torch is determined. The zone of constant burning of the plasma torch arc is in the current range from 0.1 to 0.9 A, and with the additional supply of atomizing air and water, the minimum value of the current increases to 0.3 A. Three-dimensional calculations of the characteristics of a dual-fuel low-emission combustion chamber of a gas turbine engine with a capacity of 25 MW were performed with plasma activation. Distributions of basic parameters on sections of the dual-fuel combustion chamber are obtained, taking into consideration different amounts of plasma-chemical products supplied to the primary zone of the chamber. The obtained results of mathematical modeling showed that the addition of plasma chemical products reduces the concentrations of carbon monoxide CO in the outlet cross-section of the flame tube from 25-28 ppm to 3.9-4.6 ppm. Practical recommendations for improving the design of a dual-fuel low-emission combustion chamber of a gas turbine with a capacity of 25 MW produced by Zorya - Mashproekt using plasma-chemical elements are given, which meets modern European requirements for emissions of gas turbine engines when working on both gaseous and liquid fuels. | uk_UA |
| dc.identifier.uri | https://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/6456 | |
| dc.language.iso | uk | uk_UA |
| dc.relation.ispartofseries | 621.45.022:621.43.057 | uk_UA |
| dc.subject | газотурбінний двигун | uk_UA |
| dc.subject | установка | uk_UA |
| dc.subject | турбокомпресор | uk_UA |
| dc.subject | двигун внутрішнього згоряння | uk_UA |
| dc.subject | камера згоряння | uk_UA |
| dc.subject | запалювання | uk_UA |
| dc.subject | конверсія | uk_UA |
| dc.subject | тепло- масоперенос | uk_UA |
| dc.subject | паливо газоподібне | uk_UA |
| dc.subject | паливо рідке | uk_UA |
| dc.subject | синтез-газ | uk_UA |
| dc.subject | емісія токсичних компонентів | uk_UA |
| dc.subject | плазмохімічне горіння | uk_UA |
| dc.subject | термохімія | uk_UA |
| dc.subject | робочий процес | uk_UA |
| dc.subject | математичне моделювання | uk_UA |
| dc.subject | термодинамічний аналіз | uk_UA |
| dc.subject | 142 "Енергетичне машинобудування" | uk_UA |
| dc.subject | gas turbine engine | uk_UA |
| dc.subject | power plant | uk_UA |
| dc.subject | turbocharger | uk_UA |
| dc.subject | internal combustion engine | uk_UA |
| dc.subject | combustion chamber | uk_UA |
| dc.subject | ignition | uk_UA |
| dc.subject | conversion | uk_UA |
| dc.subject | heat-mass transfer | uk_UA |
| dc.subject | gaseous fuel | uk_UA |
| dc.subject | liquid fuel | uk_UA |
| dc.subject | synthesis gas | uk_UA |
| dc.subject | emission of toxic components | uk_UA |
| dc.subject | plasma-chemical combustion | uk_UA |
| dc.subject | thermochemistry | uk_UA |
| dc.subject | operating process | uk_UA |
| dc.subject | mathematical simulation | uk_UA |
| dc.subject | thermodynamic analysis | uk_UA |
| dc.title | Підвищення ефективності двопаливних камер згоряння газотурбінних двигунів використанням плазмохімічних елементів | uk_UA |
| dc.title1 | Increasing the efficiency of dual-fuel combustion chambers of gas turbine engines using plasma-chemical elements | uk_UA |
| dc.title2 | 2023 | |
| dc.type | Other | uk_UA |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- diss. Diasamidze.pdf
- Розмір:
- 3.25 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
- дисертація
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 7.05 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: