"Cercetări experimentale şi numerice asupra sistemului de postcombustie alimentat cu amestecuri metan-hidrogen" - H2POSTCOMB

Cod Proiect:
PN-III-P2-2.1-PED-2021-0969

Numar contract:
722PED/2022

Titlu Proiect:
Cercetări experimentale şi numerice asupra sistemului de postcombustie alimentat cu amestecuri metan-hidrogen

Acronim:
H2POSTCOMB

Autoritatea Contractanta:
UEFISCDI (Unitatea Executivă pentru Finanţarea Învăţământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării şi Inovării)

Durata Proiect:
24 luni (21/06/2024 - 20/05/2022)

Consorţiu:
CO: INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE TURBOMOTOARE - COMOTI

Buget Proiect:
Buget total: 598.795,00 lei
Buget de stat: 598.795,00 lei
Din care:
INCDT COMOTI: 598.795,00 lei
Buget cofinantare: 0 lei

Director Proiect (CO):
Dr.ing. Florin Gabriel FLOREAN

Scopul proiectului este de a proiecta, fabrica şi efectua experimente pe un sistem de postcombustie alimentat cu hidrogen plasat în avalul unui tubomotor. Pe lânga hidrogenul pur, amestecurile de hidrogen-metan vor fi studiate deoarece hidrogenul înlocuieşte metanul ca drept component principal al combustibilului. Toate testele vor fi efectuate la presiunea atmosferică. Stabilitatea flăcării este studiată într-o gamă largă de condiţii de funcţionare pentru amestec sarac de combustibil, deoarece aceasta metoda este recunoscută ca o abordare eficientă pentru reducerea emisiilor de NOx. Vor fi testate diferite procente volumice de hidrogen in amestecuri de hidrogen/metan incusiv hidrogen 100%. Din totalitatea geometriilor studiate vor fi alese cele mai bune trei geometrii care vor fi fabricate si testate.

Figure 1. Propunere stand experimental

Table 1- Program experimental


Etapa 1 -REZULTATE


Obiective:

1. Estimarea debitelor de combustibil pentru amestecurile de hidrogen cu gaz metan (60%H2+40%CH4, 80%H2+20%CH4) si pentru hidrogen pur 100%H2
Abordarea firească ar fi ca la înlocuirea combustibilului cu un altul să se urmărească obţinerea aceloraşi performante, prin urmare se va alege metoda: ?inerea puterii constante.
Realizată prin urmărirea puterii rezultate din combustibil:
         P= ṁc*Hi
unde : P - puterea termică [kW]
   ṁc - debitul masic al combustibilului [kg/s]
   Hi - puterea calorifică inferioară a amestecului combustibil [kJ/kg]

Tabel 1.2 Debitele de combustibil calculate în funcţie de puterea termică

   ∘ Grad de realizare: 100 %

2. Descrierea stabilizatorului de flacara si a injectorului de combustibil - Prototip (V1) - sistemul primar de stabilizare prin corp neaerodinamic de tip "V" de la care s-a plecat.

Fig. 1- Sistemul de postcombustie initial

Modificarea esentiala consta in aplicarea unui perete concav la marginea stabilizatorului de flacara asfel incat sa formeze un injector pentru combustibil. In cadrul incintei create s-au aplicat diferite diametre de gauri pentru combustibil atat pe partiile laterale ale stabilizatorului de flacara cat si pe peretele concav in functie de cazul studiat.

Fig.2 - Stabilizator de flacara

Rolul peretilor amplasati in lateralele stabilizatorului de flacara este acela de a direcţiona fluxul de gaze de ardere, anume un debit constant de 0,49kg/s, furnizat de către turbomotorul (Garret) în jurul geometriei V a stabilizatorului de flacără. Canalul de curgere prevăzut, permite simultan amestecarea gazelor de ardere ce au în componenţă 18, 5% procent volumic O2 cu combustibilul ales, cat şi racirea peretelui stabilizatorului prin asigurarea unei convecţii forţate datorate creşterii vitezei de curge în acest spaţiu.
   ∘ Grad de realizare: 100 %

3. Simularile numerice aferente solutilor constructive propuse.
Setarea cazurilor

Fig. 3-Domeniul de calcul

Tabelul 1.3 - Conditii la limita

Cazurile selectionate pentru fabricare sunt dupa cum urmeaza:

   ∘ Grad de realizare: 100 %

Domnule Presedinte Director General,

 

 

 

Etapa ll. Fabricarea ansamblului de postcombustie si Campania Experimentala privind testarea sistemului de postcombustie.”

 

 

Lucrarea prezintă la debut obiectivele generale ale proiectului, precum şi obiectivele specifice ale INCDT – COMOTI în această etapă. Scopul proiectului este de a proiecta, fabrica și efectua experimente pe un sistem de postcombustie alimentat cu hidrogen plasat la iesirea dintr-un  motor cu turbină cu gaz . In aceasta etapa s-au desfasutat urmatorele actiuni:

  • Pe baza rezultatelor obtinute in etapa anterioara,4 demonstratoare ale sistemului de postardere au fost fabricate(3 prin metoda clasica al 4-lea prin printare 3D) ;
  • Amenajarea standului experimental si instrumentarea lui;
  • Au fost efectuate experimentari folosind drept combustibil hidrogenul pur(100% H2) si amestecurile de hidrogen-metan (60%H2+40%CH4, 80%H2+20%CH4) ;
  • Au fost realizate analiza gazelor de ardere pentru fiecare demonstrator si combustibil folosit
  • Experimentari de laserometrie PIV(Particle image velocimetry) pentru determinarea campurilor de viteze.
  • Masuratori acustice globale

In urma cercetărilor efectuate in faza anterioara a proiectului 3 soluții constructive au fost alese iar Prototipul P3 a fost fabricat si prin Printare 3D folosind acelasi material ca si la Prototipurile precedente adica INCONEL 625 (Tabelul 1 / Figura1):

 

 

Tabelul 1- Solutii contructive testate

Nr.crt.

Versiune

Unghi stabilizator[Grade]

Numar de gauri

Diametru Gaura[mm]

1

Prototip 1(P1)

V60

40

1

2

Prototip 2(P2)

V60

40

3

3

Prototip 3(P3)

V45

40

3

4

Prototip 4-printat 3D(P4)

V45

40

3

Prima activitate, desfășurată integral de Comoti, a constat în proiectarea finala a celor trei stabilizatoare de flacara. Procesul tehnologic pentru execuția reperelor au inclus următoarele operațiunii: Debitare, îndoire, ajustară, control dimensional, sudura. Printarea 3D cu metal, SLM (selective laser melting), este numită în literatura de specialitate “additive manufacturing”, care presupune fabricarea unei piese în totalitate, numai cu ajutorul un printer 3D care folosește tehnica SLM.

Figură 1-Stabilizatorele de flacăra prelucrate prin metoda clasica(stânga) si Stabilizatorul de flacără printat 3D, asamblat(dreapta)

  •                   Grad de realizare 100%

 

Amenajarea standului experimental -In Fig.2 este prezentat schema standului experimental. In Fig.2 este prezentata in ansamblu totalitatea instrumentărilor ce conțin:

  1.                 Termocuplu local si achiziție PLC
  2.                 Analizor de gaze Horiba
  3.                 Stabilizatorul de flacără în “V 
  4.                 Carcasa stabilizatorului de flacără
  5.                 Țeava alimentare combustibil
  6.                 Zonă de măsură 60-200 mm
  7.                 Analizor de gaze MRU
  8.                 Microfon

Figură 2- Detalii instrumentare Stand experimental

 Particle ImageVelocimetry (PIV)- Metoda presupune o aşa numită „însămânţare” (Figură 3) a fluidului de lucru, adică introducerea în curgere a unor particule solide fine, în cazul de faţă de oxid de titan, şi iluminarea zonei de măsurat cu un fascicul Laser de intensitate medie, emis simultan cu declanşarea a două camere foto rapide care înregistrează imaginea astfel formată. Principalele componente care definesc acest experiment sunt: Sistem postcombustie, Camere CCD (Charge Coupled Device), Laserul: Litron Nano L200-15 PIV, Tronson evacuare.Turbomotorul,  prin ajutajul de evacuare,  permite realizarea însămânţării cu particule de oxid de titan, necesare metodei PIV, la capătul căruia există accesul optic necesar, după cum se arată în Fig. 3.

Figură 3-Schema standului experimental

  • Grad de realizare 100%

 

Analiza comparativa a gazelor rezultate in urma arderii

Concentratia de CO2

A)

B)

C)

Figura 4-CO2[ppm]( A)-60%H2, B)80%H2, C)100%H2

 

 

Concentratia de NO

A)

B)

C)

Figura 5-NO[ppm]( A)-60%H2, B)80%H2, C)100%H2

 

Măsurători PIV

A)

B)

C)

Figura 6- V component axial velocity]( A)-60%H2, B)80%H2, C)100%H2

 

Măsurători acustice globale

A)

B)

C)

 

 Figură 7- Măsurători acustice  A)-Aval, B)-Amonte și  C)-Ambiental.