1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 5, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 5, стр. 40-48

Исследование методом LIF поля температуры за фронтом пламени дежурного факела модельного фронтового устройства газотурбинного типа

А. Г. Савицкий a, b, *, Д. К. Шараборин a, b, В. М. Дулин a, b, Д. М. Маркович a, b

a Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН
630090 Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, д. 1, Россия

b Новосибирский государственный университет
630090 Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2, Россия

* E-mail: a.savitskii@g.nsu.ru

Поступила в редакцию 12.07.2022
После доработки 29.10.2022
Принята к публикации 25.11.2022

Аннотация

В последние годы особенно актуальной стала задача снижения уровня выбросов вредных веществ при работе газотурбинных установок (ГТУ). При этом детальное исследование скорости потока и процесса горения в камерах сгорания ГТУ необходимо для оптимизации происходящих в них термогазодинамических процессов. Такая оптимизация позволяет не только обеспечить высокую полноту сжигания топлива и устойчивую работу горелок в широком диапазоне соотношений топливо/окислитель, но и снизить выбросы вредных веществ. Статья посвящена изучению структуры поля температуры дежурного факела модельного газотурбинного двухзонного горелочного устройства. Для регистрации мгновенного распределения температуры в факеле был использован метод, основанный на термически активированной планарной лазерно-индуцированной флуоресценции [thermally-assisted Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF)] при возбуждении линии Q1(8) перехода (1–0) электронной системы A2Σ+–X2Π гидроксильного радикала OH. Исследование проведено при горении частично перемешанной смеси метана с воздухом со значительным избытком последнего (с коэффициентом α = 1.54) при нормальных условиях в закрученном потоке при числе Рейнольдса Re = 1.5 × 104. В работе детально описана процедура калибровки thermally-assisted PLIF-системы с использованием термопары. Кроме того, представлены мгновенные распределения температуры за фронтом пламени в диапазоне 1500–2000 К. Полученные данные указывают на значительную неоднородность поля температуры вследствие стабилизации пламени на периферии центрального факела топлива смешивающимся закрученным потоком воздуха. При этом условное осреднение поля температуры с учетом перемежаемости, вызванной движением фронта пламени, свидетельствует о том, что температура в основании фронта близка к минимальным значениям адиабатической температуры предварительно перемешанной смеси вблизи “бедного” [α > 1, т.е. когда окислителя (воздуха) больше, чем необходимо для полного сгорания топлива] предела воспламеняемости.

Ключевые слова: вихревая камера сгорания, турбулентное закрученное пламя, лазерно-индуцированная флуоресценция, панорамная термометрия, метановоздушная смесь, коэффициент перемежаемости

Список литературы

  1. Lucco-Negro O., O’Doherty T. Vortex breakdown: a review // Prog. Energy Combust. Sci. 2001. V. 27. Is. 4. P. 431–481. https://doi.org/10.1016/S0360-1285(00)00022-8

  2. Syred N. A review of oscillation mechanisms and the role of the precessing vortex core (PVC) in swirl combustion systems // Prog. Energy Combust. Sci. 2006. V. 32. Is. 2. P. 93–161. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2005.10.002

  3. A mechanism of combustion instability in lean premixed gas turbine combustors / T. Lieuwen, H. Torres, C. Johnson, B.T. Zinn // J. Eng. Gas Turbines Power. 2000. V. 123. Is. 1. P. 182–189.

  4. Detailed characterization of the dynamics of thermoacoustic pulsations in a lean premixed swirl flame/ W. Meier, P. Weigand, X.R. Duan, R. Giezendanner-Thoben // Combust. Flame. 2007. V. 150. Is. 1–2. P. 2–26. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2007.04.002

  5. Fooladgar E., Tóth P., Duwig C. Characterization of flameless combustion in a model gas turbine combustor using a novel post-processing tool // Combust. Flame. 2019. V. 204. P. 356–367. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.03.015

  6. Effect of burner geometry on swirl stabilized methane/air flames: A joint LES/OH-PLIF/PIV study / X. Liu, A.M. Elbaz, C. Gong, X.S. Bai, H.T. Zheng, W.L. Roberts // Fuel. 2017. V. 207. P. 533–546. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.06.092

  7. Influence of a central jet on isothermal and reacting swirling flow in a model combustion chamber / E.V. Palkin, M.Yu. Hrebtov, D.A. Slastnaya, R.I. Mullyadzhanov, L. Vervisch, D.K. Sharaborin, A.S. Lobasov, V.M. Dulin // Energies. 2022. V. 15. Is. 5. P. 1615. https://doi.org/10.3390/en15051615

  8. Eckbreth A.C. Laser diagnostics for temperature and species in unsteady combustion. Dordrecht: Springer, Unsteady Combustion 1996, P. 393–410.

  9. LES simulation of a model gas-turbine lean combustor: impact of coherent flow structures on the temperature field and concentration of CO and NO / L.M. Chikishev, D.K. Sharaborin, A.S. Lobasov, A.A. Dekterev, R.V. Tolstoguzov, V.M. Dulin, D.M. Markovich // Energies. 2022. V. 15. Is. 12. P. 4362. https://doi.org/10.3390/en15124362

  10. Large Eddy Simulation of an industrial gas turbine combustor using reduced chemistry with accurate pollutant prediction / T. Jaravel, E. Riber, B. Cuenot, G. Bulat // Proc. Combust. Institute. 2017. V. 36. Is. 3. P. 3817–3825. https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.07.027

  11. Numerical investigation of turbulent swirling flames with validation in a gas turbine model combustor / A.C. Benim, S. Iqbal, W. Meier, F. Joos, A. Wiedermann // Appl. Therm. Eng. 2017. V. 110. P. 202–212. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.143

  12. Phase-locked temperature measurements by two-line OH PLIF thermometry of a self-excited combustion instability in a gas turbine model combustor / R. Giezendanner-Thoben, U. Meier, W. Meier, M. Aigner // Flow, Turbulence and Combust. 2005. V. 75. Is. 1. P. 317–333. https://doi.org/10.1007/s10494-005-8587-0

  13. Copeland C., Friedman J., Renksizbulut M. Planar temperature imaging using thermally assisted laser induced fluorescence of OH in a methane–air flame // Exp. Therm. Fluid Sci. 2007. V. 31. Is. 3. P. 221–236. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2006.04.005

  14. Assessment of single-shot temperature measurements by thermally-assisted OH PLIF using excitation in the A2Σ+–X2Π (1–0) band / V. Dulin, D. Sharaborin, R. Tolstoguzov, A. Lobasov, L. Chikishev, D. Markovich, S. Wang, C. Fu, X. Liu, Y. Li, Y. Gao // Proc. Combust. Institute. 2021. V. 38. Is. 1. P. 1877–1883. https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.07.025

  15. PIV/PLIF investigation of unsteady turbulent flow and mixing behind a model gas turbine combustor / D.K. Sharaborin, A.G. Savitskii, G.Y. Bakharev, A.S. Lobasov, L.M. Chikishev, V.M. Dulin // Exp. Fluids. 2021. V. 62. Is. 5. P. 1–19. https://doi.org/10.1007/s00348-021-03181-z

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал