Skip to main content

Annular Instabilities and Transient Phenomena in Gas Turbine Combustors

Article Category

Article available in the folowing languages:

Badania pełnopierścieniowych komór spalania turbin gazowych usprawniają projektowanie

Nowatorskie badania eksperymentalne, teoretyczne i numeryczne pełnopierścieniowych komór spalania turbin gazowych ujawniły krytyczne szczegóły procesu, wcześniej nieosiągalne na stanowiskach do badania podzespołów.

Energia

Komory spalania są sercem turbin gazowych, które stanowią podstawę lotnictwa i zapewniają najwydajniejszy sposób generowania znacznej mocy. W ramach szeroko zakrojonych badań na rzeczywistych komorach spalania ujawniono nowe procesy fizyczne dynamiki spalania. Kluczowe znaczenie ma przewidywanie, jak te procesy fizyczne przebiegają w rzeczywistych, bardziej złożonych systemach. Przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” w ramach projektu ANNULIGhT scharakteryzowano dynamikę spalania w pełnopierścieniowych komorach spalania turbin gazowych. Nowe metodologie, narzędzia i fundamentalna wiedza przedstawione w ponad 40 publikacjach w czasopismach naukowych stanowią obecnie najaktualniejszy stan wiedzy w dziedzinie i wesprą rozwój nowej generacji niskoemisyjnych, bezemisyjnych turbin gazowych na potrzeby napędu i zasilania.

Niestabilności termoakustyczne, przedmuch spowodowany ubogą mieszanką i ponowny zapłon

Większość silników odrzutowych opiera się na pierścieniowych komorach spalania z wieloma wtryskiwaczami na obwodzie w celu stabilizacji płomieni. „Niestabilności termoakustyczne występują, gdy fale akustyczne (ciśnieniowe) oddziałują z płomieniami i są wzmacniane, powodując rezonans układu spalania. Miało to miejsce w przypadku rakiety Saturn V. W pierścieniowych komorach spalania te fale ciśnieniowe poruszają się wokół pierścienia i mogą być wystarczająco silne, aby poważnie uszkodzić silnik i spowodować awarię”, wyjaśnia James Dawson z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii i koordynator projektu ANNULIGhT. Przedmuch spowodowany ubogą mieszanką i ponowny zapłon są wzajemnie powiązanymi wyzwaniami. Spalanie przy większej ilości powietrza niż paliwa minimalizuje emisję tlenków azotu, ale zbyt duża ilość powietrza może doprowadzić do zgaszenia płomieni. Inżynierowie zapewniają, że ponowny zapłon silników jest możliwy; jednak ich wiedza na temat procesów jest ograniczona, ponieważ nie mają możliwości zajrzenia do wnętrza silnika podczas przeprowadzania testów – wiedzą tylko, czy silnik pracuje, czy nie.

Badania pełnopierścieniowej komory spalania pozwalają na uzyskanie kluczowych informacji

„ANNULIGhT dysponuje kilkoma unikalnymi pierścieniowymi komorami spalania w skali laboratoryjnej, które pozwalają nam zobaczyć, co dzieje się w prawdziwym silniku, np. wtedy, gdy zapalamy jeden z płomieni i podróżuje on wokół komory spalania, powodując zapłon na wszystkich wtryskiwaczach. Eksperymenty z użyciem kamer mogących zarejestrować dużą liczbę klatek na sekundę i laserów pozwalają uchwycić istotną złożoność prawdziwych silników. Są one połączone z symulacjami numerycznymi o wysokim poziomie wierności, które dostarczają jeszcze więcej informacji”, wyjaśnia Dawson. Zespół odkrył, że łamanie symetrii jest kluczowe dla kontroli niestabilności termoakustycznych w geometriach pierścieniowych. Doprowadziło to do opracowania nowych metod obliczeniowych i narzędzi pozwalających na identyfikację kluczowych parametrów zapobiegających tym niestabilnościom oraz na ulepszenie konstrukcji. Wizualizacja przedmuchu spowodowanego ubogą mieszanką, jak również zapłonu i światła wokół, dostarczyła istotnych informacji na temat tego, jak zwiększyć bezpieczeństwo silników. Zespół projektu ANNULIGhT wykazał, że bogatą różnorodność odpowiedzi systemu występującą w geometrii pierścieniowej można ujawnić tylko przy geometriach pełnopierścieniowej komory spalania. Dokładniejsze poznanie fizyki ponownego odpalania silnika oraz nowe narzędzia fizyczne, pozwalające lepiej przewidywać dynamikę spalania i zapobiegać jej, wesprą projektowanie komór spalania nowej generacji.

Współpraca środowiska akademickiego i przemysłowego w zakresie rozwoju paliwowych komór spalania

Ścisła współpraca w ramach projektu ANNULIGhT przynosi już praktyczne postępy. Eksperymenty i symulacje numeryczne wykazały, że bardzo duże przepływy rotacyjne tłumią niestabilności termoakustyczne, a zjawisko to udało się wyjaśnić pod kątem teoretycznym. Doprowadziło to do rozwoju technologii spalania wirowego przez partnera projektu, firmę Safran Helicopter Engines. Dawson podsumowuje: „Często mówi się o skomplikowanej naturze technologii rakietowych, ale w rzeczywistości to turbina gazowa jest niesamowicie złożoną i piękną maszyną. Mam nadzieję, że następnym razem, gdy usiądziecie w samolocie i patrząc przez okno zobaczycie ten cud techniki, zadacie sobie pytanie, jak ona właściwie działa”. Zespół projektu ANNULIGhT zna odpowiedź na to pytanie.

Słowa kluczowe

ANNULIGhT, komora spalania, pierścień, turbina gazowa, termoakustyczne, przedmuch, uboga mieszanka, ponowny zapłon

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania