А.В. Костыря^{1, 2}, Д.В. Оносов²

(¹Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия, avk.tep@yandex.ru

²Научно-производственная фирма «ТеплоЭнергоПром», Пермь, Россия, onosov@inbox.ru)

Рассматривается тепловое состояние малоинерционной камеры сгорания прямого тока, осложнённое разделением потока дымовых газов надвое путём внедрения патрубка отбора топочных газов в центр камеры сгорания. Производится сравнение данной камеры сгорания с прямоточным прототипом. Моделируется установившийся режим. Сделан вывод об удовлетворительном тепловом состоянии конструктивных элементов камеры сгорания. Сделано заключение о принципиальной возможности создания малоинерционных камер сгорания с отбором горячих дымовых газов.

Ключевые слова: камера сгорания, топка, тепловое состояние, поле температур, дымовые газы.

Исследование посвящено моделированию теплового состояния малоинерционной (нефутерованной) камеры сгорания (далее – топка) с дополнительным отбором дымовых газов. Отбор осуществляется путём внедрения патрубка отбора во внутренний контур камеры сгорания, что вызывает поворот отбираемого потока на 90º вверх.

Задачи исследования:

1. Определение технической возможности создания вышеописанной топки.
2. Количественное определение выходных параметров топки с разделением потоков, для сравнения их с действующим прототипом.

Принципиальные схемы исследуемой топки и прямоточного прототипа представлены на рис. 1 и 2.

В исследовании была применена модель горения Магнуссена (рассеивания  вихрей)  [1],  реализующая  двухстадийное  сгорание  метана  по  схеме CH₄ --> CO --> CO₂. Излучение горячего газа имитировалось с помощью модели P 1 [2]. Для описания движения топочных газов была применена модель турбулентности k-epsilon [3].

Расчётные схемы топки и прототипа представлены на рис. 3 и 4. Граничные условия для исследуемой топки представлены в табл. 1.

В результате эксперимента были получены поля температур потоков (рис. 5 и 6) и поверхностей топки (рис. 7 и 8).

Таблица 1. Граничные условия.

На рис. 6 видно затягивание верхнего факела в патрубок отбора дымовых газов, высвобождение объёма в верхней части топки, расположенной за патрубком по ходу движения газов. При этом происходит заполнение освободившегося объёма нижним факелом, что вызывает его более выраженное «всплытие». Эти факторы в совокупности приводят к большему нагреву отдельных элементов верхних поверхностей топки по сравнению с прототипом. Результаты сравнения выходных параметров и тепловой нагрузки корпусов исследуемой топки и прототипа приведены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение параметров топок.

Как видно из результатов эксперимента, повышение температуры поверхностей топки не приводит элементы конструкции к выходу за пределы жаропрочности известных в промышленности сталей. Содержание СО в дымовых газах не приближается к критичным значениям. Таким образом, можно говорить о принципиальной возможности создания топки с дополнительным отбором горячих дымовых газов.

Литература

1. Magnussen B.F. The Eddy Dissipation Concept for Turbulent Combustion Modelling. Its Physical and Practical Implications // First Topic Oriented Technical Meeting, International Flame Research Foundation (IJmuiden, The Netherlands, Oct. 1989).
2. Modest M. Radiative Heat Transfer, Second Edition. – San Diego: Academic Press, 2003.
3. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows // Computer methods in applied mechanics and engineering. 1974. № 3. С. 269-289.