Gázturbina légporlasztó CFD analízise
Absztrakt
Cím: Gázturbina légporlasztó CFD analízise
Szerző: Józsa Viktor (e-mail: jozsa.viktor.m@gmail.com)
Konzulens: Nagy László egyetemi tanársegéd (e-mail: nagy@ara.bme.hu)
Napjainkban a gázturbina a légiközlekedésben domináns, az energiatermelésben kiemelkedő szerepet tölt be. Az áramlással kapcsolatos részegységek továbbfejlesztése (kompresszor, égőtér, turbina) ma már döntően numerikus áramlástani (CFD) szoftverekkel történik. Általános célkitűzés a jobb hatásfok elérése és az egyre szigorodó rendeletek miatt az alacsonyabb károsanyag kibocsátás.
A turbinára érkező füstgáz tulajdonságai (pl. koromtartalom, hőmérséklet eloszlás, sebesség, turbulencia) nagyban befolyásolják az élettartamot. A dolgozatban az üzemanyag porlasztó tulajdonságaival foglalkozunk. A keletkező folyadékcseppek mérete és eloszlása határozza meg az égés minőségét az előbb említett paramétereken keresztül. Ma már az égés hatásfoka gyakorlatilag a 100%-ot is eléri, de a megfelelő porlasztás közvetve javítani tudja a körfolyamati hatásfokot is, ezért fontos a témával foglalkoznunk. Ez a munka egy másfél éve futó projekt része, mely tartalmaz kísérleteket és a jövőben lézeres áramlásmérést is meg fogunk valósítani az erre a célra kialakított tesztpadon [1] [2].
Egy folyadéküzemű C-330 mikro-gázturbina légporlasztójának az áramlás által átjárható részét vizsgáltunk meg, kifejezetten a porlasztásra és a folyadékcseppek keveredésére fókuszálva. A modell az égést, így a hősugárzást nem veszi figyelembe, ez is a jövőben lesz vizsgálva. Különböző porlasztási segédközegekkel egyaránt megvizsgáltuk a modellt. Ezek belépés előtti nyomását változtatva vizsgáltuk a 3 komponens (dízelolaj, etanol-víz elegy gőze, levegő) keveredését.
A geometria hálózása bonyolult, mivel az üzemanyag fúvóka tartalmaz előperdítőt és furatokat. Így kevert megoldást alkalmaztunk: a közepe strukturált, az előperdítő közelében pedig strukturáltatlan, tetraéder elemeket tartalmazó hálót készítettünk. A kapcsolatot a két rész közt piramis elemekkel hidaltuk át. A megfelelő peremfeltételekkel először egy 2D-s, axiszimmetrikus kevés elemet tartalmazó hálón vizsgáltuk majd a 3D esetnél ~3 millió használtunk a térbeli diszkretizáció során.
A gázturbina légnyelése 0,31 kg/s 30 kW villamos terhelés esetén, így ebből meghatározható volt az előperdítő elemeken és a furatokon át érkező levegő tömegárama. A kísérleteink során a porlasztási segédközeg nyomását mértük a porlasztó előtt, így ezt egy belépő nyomás peremfeltételnek írtuk elő. A kilépés a szabadba történt.
A megoldáshoz sűrűség alapú megoldó algoritmust használtunk, először teljes explicit sémát és 0,5-ös Cu számot használva. Utána tértünk át a gyorsabb, implicit megoldóra. Ebben már mi adhatjuk meg az időlépést és a belső iterációk számát is. A levegőt ideális gázként modelleztük.
A hálófüggetlenségi vizsgálat a felhasznált modell szempontjából jelentős, viszont a porlasztás és a keveredés modellezése miatt olyan sűrű hálóra van szükségünk, ami bőven teljesíti az y+-al kapcsolatban támasztott követelményeket.
A modellt már most több szempontból is tudtuk értékelni, mivel rendelkezésre állt kellő mennyiségű mérési eredmény. Viszont a numerikus szimulációt teljes egészében a lézeres áramlásmérés után fogjuk tudni kiértékelni.
[1] Münz Péter: Folyadéküzemű gázturbina fúvókájának vizsgálata, Szakdolgozat, Budapest 2011
[2] Józsa Viktor: Application of bioethanol in gas turbines, Periodica Polytechnica – Mechanical Engineering, 55/ vol. 2 pp. 91-94 (2012)
