MÜNZ PÉTER SZAKDOLGOZAT
BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDAS[GTUDOM[NYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK SZAKDOLGOZATOK
BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDAS[GTUDOM[NYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK MÜNZ PÉTER SZAKDOLGOZAT Folyadéktüzelésű g{zturbina fúvók{j{nak vizsg{lata Konzulens: Dr. Sztankó Kriszti{n Endre Egyetemi adjunktus Témavezető: Nagy L{szló Egyetemi tan{rsegéd Budapest, 2011
Szerzői jog Münz Péter, 2011. Szerzői jog Nagy L{szló, 2011.
NYILATKOZATOK Elfogad{si nyilatkozat Ezen tervezési feladat a Budapesti Műszaki és Gazdas{gtudom{nyi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszéke {ltal a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra előírt valamennyi tartalmi és formai követelménynek maradéktalanul eleget tesz. E tervezési feladatot bír{latra és nyilv{nos előad{sra alkalmasnak tartom. A bead{s időpontja:...... konzulens témavezető Nyilatkozat az ön{lló munk{ról Alulírott, Münz Péter (WCFMWU), a Budapesti Műszaki és Gazdas{gtudom{nyi Egyetem hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudat{ban kijelentem és saj{tkezű al{ír{sommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saj{t magam készítettem, és a szakdolgozat feladatomban csak a megadott forr{sokat haszn{ltam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de {tfogalmazva m{s forr{sból {tvettem, egyértelműen, a forr{s megad{s{val megjelöltem. Budapest, 2011.... szigorló hallgató vii
TARTALOMJEGYZÉK Előszó... xi Jelölések jegyzéke...xiii 1. Bevezetés... 1 1.1. Célkitűzések... 1 1.2. [ttekintés... 1 2. Irodalomkutat{s, elméleti h{ttér... 3 2.1. G{zturbin{k működése... 3 2.1.1. Ide{lis és veszteséges g{zturbina körfolyamat... 3 2.1.1.1. A Joule-Brayton körfolyamat... 3 2.1.1.2. A valós{gos (veszteséges) g{zturbina körfolyamat... 5 2.1.2. Hat{sfoknövelő lehetőségek... 5 2.1.2.1. T3 hőmérséklet növelése... 5 2.1.2.2. T1 hőmérséklet csökkentése... 6 2.1.2.3. A kilépő közeg hőhasznosít{sa... 7 2.1.3. A Capstone C30-as g{zturbina... 7 2.2. G{zturbina tűzterek... 9 2.2.1. Tüzeléstechnikai h{ttérismeretek... 9 2.2.1.1. Alapok... 9 2.2.1.2. Égés fizikai jellemzői... 9 2.2.2. Égőterek kialakít{sa... 11 2.2.2.1. Égőtér követelmények... 11 2.2.2.2. Az égőterek kifejlesztésének gondolatmenete... 11 2.2.2.3. Égőterek típusai és fő részei... 12 2.2.2.4. Égőterek objektív jellemzői... 15 2.3. Porlasztók... 20 2.3.1. A porlaszt{s fizik{ja... 20 2.3.1.1. Alapok... 20 2.3.1.2. Cseppfelboml{s mechanizmusai... 21 2.3.1.3. Cseppméret eloszl{sok... 23 2.3.2. Porlasztók kialakít{sa... 26 2.3.2.1. Porlasztó követelmények... 26 2.3.2.2. Porlasztó típusok... 26 ix
3. A Numerikus modell... 33 3.1. Geometriai modellezés... 33 3.2. H{lógener{l{s... 36 3.2.1. H{lókészítés ICEM CFD-vel... 36 3.2.1.1. I/A v{ltozat: struktur{lt hexa... 36 3.2.1.2. I/B v{ltozat: hibrid tetra... 41 3.2.2. H{lókészítés ANSYS Workbench környezetben... 43 3.2.2.1. II/A v{ltozat: Tetra... 44 3.2.2.2. II/B v{ltozat: Hexa... 45 3.3. A modell futtat{sa... 45 3.3.1. Peremfeltételek... 46 3.3.1.1. Porlasztólevegő belépés (inlet_1)... 46 3.3.1.2. Tüzelőanyag belépés (inlet_2)... 47 3.3.1.3. Radi{lis furatok (inlet_3-inlet_6) és tangenci{lis rések (inlet_7- inlet_21)... 47 3.3.2. Tov{bbi sz{mít{sok... 49 3.3.2.1. Anyagtulajdons{gok sz{mít{sa... 49 3.3.2.2. Csepp méretek... 50 3.3.2.3. Elp{rolg{si idő... 51 3.3.3. Futtat{si esetek... 52 3.3.3.1. I.eset: Csak turbulenciamodell... 53 3.3.3.2. II. eset Species modell... 54 3.3.3.3. III. eset: DPM modell... 55 4. Eredmények értékelése... 59 4.1. Eredmények összehasonlít{si az irodalommal... 59 4.1.1. I. futtat{si eset: csak turbulenciamodell... 59 4.1.1.1. a) Be{raml{s a tangenci{lis réseken... 59 4.1.1.2. b) Be{raml{s a radi{lis furatokon... 62 4.1.2. II. Futtat{si eset: Species modell... 64 4.1.3. III. Futtat{si eset: Discrete Phase modell... 69 5. Összefoglal{s/Eredmények értékelése... 77 5.1. Eredmények... 77 5.2. Javaslatok/Következtetések/Tanuls{gok... 78 6. Felhaszn{lt forr{sok... 79 6.1. Irodalomjegyzék... 79 6.2. [br{k jegyzéke... 81 7. Summary... 83 8. Mellékletek (DVD-n)... 84
ELŐSZÓ Ma a vil{g technikai szempontból egy óri{si gonddal küzd, és ez nem m{s, mint a fosszilis energiahordozók készleteinek csökkenése. Életszínvonalunk fenntart{sa szempontj{ból létkérdés, hogy működő alternatív{kat tal{ljunk a jelenlegi energetikai megold{sokra. Éppen ezért nagy a jelentősége a megújuló tüzelőanyagok alkalmazhatós{g{val kapcsolatos kutat{soknak. A jelen szakdolgozat reményeim szerint hozz{ tud j{rulni eredményeivel egy ilyen kutat{shoz a g{zturbin{k területén. * * * Köszönetnyilv{nít{s Köszönettel tartozom témavezetőmnek, Nagy L{szlónak hasznos tan{csaiért, és a munk{mat nagyban segítő tanszéki PC-erőforr{s biztosít{s{ért. Köszönöm tov{bb{ konzulensem, Sztankó Kriszti{n segítségét mind ezen mind a kor{bbi szintén a g{zturbin{k témakörében végzett - TDK munk{mhoz. Végül, de nem utolsó sorban szeretném megköszönni szüleimnek, hogy t{mogatt{k tanulm{nyaimat. Budapest, 2011... Münz Péter xi
JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A t{bl{zatban a többször előforduló jelölések magyar nyelvű elnevezése, valamint a fizikai mennyiségek esetén annak mértékegysége tal{lható. Latin betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység A keresztmetszet mm 2, m 2 C aerodinamikai ellen{ll{stényező 1 cp izob{r fajhő J/(kgK) D {tmérő m, mm, m d {tfoly{si keresztmetszet {tmérője mm, m d hidraulikai {tmérő mm,m E energia J É égéshő MJ/kg F fűtőérték MJ/kg H hidrogén tartalom 1 entalpia H2O víztartalom 1 K kerület mm, m m tömeg{ram kg/s Oh Ohnesorge-sz{m 1 P teljesítmény W p nyom{s bar q fajlagos hőközlés J/kg Q hőteljesítmény kw, MW térfogati ar{nysz{m Rosin-Rammler eloszl{sn{l 1 q Rosin-Rammler eloszl{s paramétere 1 r p{rolg{shő J/kg Re Reynolds-sz{m 1 s fajlagos entrópia J/(kgK) SMD Sauter Mean Diameter (reprezentatív csepp{tmérő) m, mm T hőmérséklet K t idő s TA tömeg{ram-ar{ny 1 xiii kj
TPF turbine profile factor 1 u sebesség m/s U sebesség m/s v fajtérfogat m 3 /kg V térfogat m 3 w fajlagos munkavégzés J/kg {raml{si sebesség We Weber-sz{m 1 X Rosin-Rammler eloszl{s paramétere 1 p nyom{skülönbség, nyom{sveszteség bar m/s Görög betűk Jelölés Megnevezés, megjegyzés, érték Mértékegység turbina nyom{sviszony 1 hat{sfok 1 hull{mhossz mm légfelesleg tényező 1 elp{rolg{si konstans 1 dinamikai viszkozit{s Pas L0 L elméleti levegőszükséglet, valódi levegőszükséglet kglevegő/kgtüa. kompresszor nyom{sviszony 1 sűrűség kg/m 3 össznyom{sveszteségi tényező 1 felületi feszültségi tényező N/m
Indexek, kitevők Jelölés Megnevezés, értelmezés H T K be el Carnot Hcs min kezd é max tv tüa lev rel ell krit korr él A L elp hasznos turbina kompresszor bevezetett elvont Carnot-körfolyamatra vonatkoztatott hőcserélő minim{lis kezdeti égés maxim{lis térfogatra vonatkoztatott tüzelőanyag levegő relatív ellen{ll{s kritikus korrig{lt égés levegő air (levegő) liquid (folyadék) elp{rolg{si