Maciej Chmielewski

Badanie wpływu zmiennej geometrii komory spalania na efektywność procesów spalania i emisję substancji szkodliwych w miniaturowej turbinie gazowej

Abstract:

Rosnące ceny ropy naftowej na rynkach światowych przekładają się na wyższe ceny paliw do silników turbinowych wymuszają potrzebę ograniczenia zużycia tego surowca. Dodatkowo, coraz ostrzejsze regulacje prawne dotyczące emisji substancji uznanych za szkodliwe dla środowiska (głównie NOX i CO) z silników turbinowych wymagają poszukiwania nowych sposobów ich ograniczania. Przepisy dotyczą obecnie dużych turbinowych silników przemysłowych oraz lotniczych, natomiast perspektywicznie mogą one zostać rozszerzone o silniki małe oraz miniaturowe.

W pracy doktorskiej autor podjął się próby optymalizacji parametrów pracy oraz ograniczenia emisji NOX i CO z komory spalania miniaturowego silnika turbinowego przy użyciu zmiennej geometrii. Zmienna geometria komory spalania zaliczana jest do niekonwencjonalnych metod optymalizacji parametrów pracy silnika ze szczególnym uwzględnieniem redukcji udziału związków szkodliwych w gazach spalinowych. Polega ona na kontroli temperatury strefy pierwotnej komory spalania za pomocą redystrybucji powietrza pomiędzy strefą pierwotną, a strefą rozcieńczania. Autor postuluje możliwość wykorzystania zaproponowanego rozwiązania konstrukcyjnego komory spalania o zmiennej geometrii
w celu zwiększenia sprawności i zmniejszenia emisji z miniaturowej komory spalania. Jednocześnie postuluje się możliwość doboru odpowiedniego prawa sterowania zmiennością geometrii komory w oparciu o jakościowe wyniki zaproponowanych metod symulacji numerycznych.

W celu potwierdzenia słuszności stawianych w pracy tez autor przeprowadził serię badań numeryczno-eksperymentalnych, rozpoczynając od eksperymentalnego zbadania parametrów pracy miniaturowego silnika turbinowego GTM-120 na stworzonym stanowisku hamownianym. Wykazano m. in., że istnieje jeden optymalny punkt pracy silnika. W oparciu o wyniki zebrane podczas badań eksperymentalnych stworzono numeryczny model przepływu ze spalaniem przez komorę spalania silnika GTM 120. Kolejnym etapem prac było eksperymentalne zbadanie parametrów pracy dwóch komór o zmiennej geometrii wykonanych w oparciu o projekt autora rozprawy. Badania wykonano na zaprojektowanym
i stworzonym przez autora stanowisku badań miniaturowych komór spalania. Na podstawie wyników eksperymentalnych stworzono trójwymiarowe mapy parametrów pracy komór spalania o zmiennej geometrii. Ostatecznie, wykazano jakościową zgodność wyników numerycznych, przy wykorzystaniu opracowanego modelu przepływu ze spalaniem przez komory o zmiennej geometrii, z uzyskanymi uprzednio rezultatami eksperymentalnymi.

Uzyskane podczas badań wyniki wykazały możliwość uzyskania wzrostu temperatury gazów spalinowych o 245°C. Dowiedziono eksperymentalnie możliwości redukcji emisji NOX o 29% oraz redukcji zawartości CO w gazach spalinowych o 26%.
W podsumowaniu pracy przedyskutowano fizyczne implikacje uzyskanych wyników oraz zaproponowano dalsze kierunki prac naukowo-badawczych z zakresu zmiennej geometrii miniaturowych komór spalania.