Гибридная методика определения характеристик распыла жидкого топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность
темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, а также пути их
достижения. Отмечена научная новизна, практическая значимость и достоверность
результатов выполненной работы, приведены результаты, выносимые на защиту
автором. Представлена информация по апробации и публикации результатов.
В первой главе по работам К. Ринка, Д. Баллала, А. Лефевра, А. Диденко,
Н. Екаба, Р. Мишра и других проанализировано влияние качества распыла топлива на
основные характеристики камер сгорания ГТД. Показано, что угол конуса топливного
факела и размеры капель оказывают значительное влияние на эмиссию вредных
веществ и температурные поля в камере сгорания.
Проанализированы способы экспериментального исследования характеристик
топливных форсунок. Для определения коэффициента расхода (µL) форсунок
необходимо использовать высокоточные жидкостные расходомеры, как показано в
работах К. Гате, А. Ланского, А. Густаво и других. Для определения угла факела
распыла (φ), как показано в работах С. Вэя, Б. Сфорца, В. Егорычева и других,
целесообразно использовать высокоскоростные камеры и последующую программную
обработку изображений.
Рассмотрены способы определения толщины топливной плёнки жидкости в сопле
форсунки, представленные в работах Н. Ризка, А. Лефевра, Д. Дрисколла, С. Кима,
C.Джаянти, С. Сома и других. Работоспособность представленных методов не
апробирована на углеводородных топливах, а также на форсунках с малыми
диаметрами сопла, характерными для форсунок авиационных двигателей (0,3…1,5
мм).
Определение диаметров капель, как показано в работах А, Диденко,
М.Бенджамина, Дж.Цуя и других, осуществляется с использованием методов лазерной
диагностики параметров потока, например, интегрального метода малоуглового
рассеяния.
Проанализированы полуэмпирические методики расчёта характеристик форсунок
А. Лефевра, Г. Коуто, Е. Гиффена, Ю. Дитякина, А. Диденко, С. Вэя. Показано, что
разработанные полуэмпирические методики позволяют определить характеристики
распыла форсунок, но диапазон их применимости ограничен как режимными
параметрами (перепад давления не ниже 100…150 кПа), так и геометрией форсунок.
Тем не менее данные методики могут быть использованы на этапе предварительной
оценки характеристик проектируемых форсунок.
Рассмотрены работы по численному моделированию распада топливной струи,
а также течению жидкости в элементах форсунки с помощью моделей двухфазных
потоков, таких как метод объёма жидкости (VOF). Использование численных методов
для получения характеристик распыла ограничено тем аспектом, что минимальный
размер капель в спектре распыла будет зависеть от минимального размера элемента в
сеточной конечно-объёмной модели. Независимость решения от размера ячеек в
конечно-объёмной (сеточной) модели для определения диаметров капель является
весьма ресурсоёмкой задачей и не может быть решена в инженерной практике.
Перспективным способом определения характеристик распыла авиационного
топлива является создание и валидация гибридных методик расчёта, сочетающих в
себе полуэмпирические методики и методы CFD моделирования двухфазных потоков.
Во второй главе описаны экспериментальные модели, установки и методики
проведения исследований для определения характеристик распыла и их влияния на
рабочий процесс камер сгорания ГТД.
Объектами исследования являлись:
центробежная форсунка с трёхзаходным
шнеком, разработанная в Самарском
университете и центробежная форсунка
улиточного типа газотурбинного двигателя
АИ-25 (рисунок 1). Для шнековой форсунки
предусмотрены сменные сопла с диаметрамиШнековая (Самарский университет)
dc = 0,3…1 мм. Исследования проводились в
диапазонах по перепаду давления на
форсунке ΔP = 50…1000 кПа, по чиcлам
Рейнольдса Re=660…9100 и числам Вебера
We=0,2…19.
В рамках выполнения работы создана
экспериментальнаяустановкадляУлиточная (АИ-25)
определениякоэффициентарасходаРисунок 1 – Схемы форсунок
форсунки с погрешностью, не превышающей
0,5%. На этой же установке с помощью высокоскоростной камеры Phantom V 7.3 (1100
кадр/с) фиксировался угол факела распыла, последующая обработка изображения
производилась с помощью разработанного в среде MATLAB кода (рисунок 2). Данная
система фиксации и обработки изображений обеспечивала погрешность измерения
значения φ не более 2%.
Расчётно-экспериментальное исследование экологических характеристик
камеры сгорания с учётом параметров распыла жидкого топлива производилось на
доработанной модели одногорелочной камеры сгорания с применением в составе
фронтового устройства разработанной
шнековой топливной форсунки с dc =
0,4 мм (рисунок 3). Стендовые системы
обеспечивалиизмерениерасходов
воздуха и топлива с погрешностью, не
превышающей 0,7%, а определение
концентраций продуктов сгорания с
погрешностью, не превышающей 10 %.
Таким образом сформирована
необходимая экспериментальная база для Рисунок 2 – Результат обработки изображения
получения достоверных опытных данных
по характеристикам распыла жидкого
топлива через ЦБТФ и оценке их влияния
на состав продуктов сгорания в камерах
сгорания ГТД, с целью последующей
валидации разрабатываемых расчётных
моделей.
Рисунок 3 – Одногорелочная камера сгорания
Третья глава посвящена расчётно-экспериментальному исследованию течения
жидкости в ЦБТФ с целью определения коэффициента расхода форсунки, угла факела
распыла и толщины топливной плёнки на срезе сопла форсунки (tпл).
Разработан алгоритм CFD расчёта, позволяющий производить моделирование
течения жидкости через ЦБТФ в трёхмерной нестационарной постановке с
использованием программного продукта ANSYS Fluent. Данный алгоритм включает в
себя использование метода объёма жидкости (VOF) в сочетании с применением
различных схем пространственной аппроксимации границы раздела фаз. Так, на
первом этапе, в соответствии с разработанным алгоритмом, расчёт проводится в
неявной формулировке со схемой Compressive до сходимости расчёта по значениям
расхода жидкости. Затем проводится расчёт в явной формулировке, в которой доступна
схема Geo-Reconstruct, в результате расчёта по данной схеме определяется угол факела
распыла. Далее используется функция локального измельчения сеточной модели по
значению градиента объёмной доли жидкости равной 0,5. В результате уточняется
положение границы раздела фаз, что позволяет определить толщину топливной плёнки
в сопле форсунки.
В результате CFD расчёта течения керосина через шнековую ЦБТФ с dc = 0,3…1
мм, что соответствует значениям геометрической характеристики, рассчитанной по
методике Г. Абрамовича А = 0,6…2,1, и улиточную форсунку с dc = 1,4 мм (А = 3,4)
получены данные по значениям коэффициента расхода и угла факела распыла при
перепаде давления на форсунке ΔP = 50…1000 кПа (рисунки 4-5). На этих же рисунках
представлены и полученные в данной работе результаты экспериментов.

а)б)
Рисунок 4 – Зависимости коэффициента расхода µL от:
а) диаметра сопла форсунки (dc); б) геометрической характеристики форсунки (А)

Из экспериментальных данных следует, что коэффициент расхода (µL) в
значительной степени зависит от размеров сопла и перепада давления только на
форсунках с dc до 0,6 мм. При диаметрах сопла больше 1 мм величина ΔP практически
не влияет на µL. При этом, в большей степени значения коэффициента расхода сопла
зависят от перепада давления при числах Вебера We < 1, что соответствует переходным режимам работы форсунок. На угол факела распыла перепад давления на форсунке оказывает существенное влияние при ΔP < 500 кПа, но во всём диапазоне исследуемых размеров сопла (рисунок 5). Сравнение полученных опытных данных с классическими зависимостями µL, φ = f (A), предложенными Г.Абрамовичем для невязких жидкостей показывает существенные расхождение в исследуемом диапазоне режимных и геометрических параметров форсунок. Это подтверждает необходимость учёта реальных свойств жидкостей и соответсвующих гидравлических потерь в элементах форсунок, что частично реализовано в отдельных полуэмпирических методиках (например, Ю. Хавкина, Ю. Дитякина, А.Диденко и др.) и в полной мере в разработанном в данном исследовании алгоритме CFD расчёта. Анализ данных расчётно-экспериментального исследования показывает, что для коэффициента расхода форсунки расхождение между результатами CFD расчёта и экспериментом не превышает 10% во всём диапазоне исследований, тогда как полуэмпирические методики (А. Лефевра, А. Диденко) в отдельных случаях показывают расхождение с опытными данными более, чем на 20% (рисунок 4). Для угла факела распыла получено, что расхождение между результатами CFD расчёта и экспериментальными данными не превышают 13 %. При этом стоит отметить, что предложенный метод моделирования двухфазных потоков в трёхмерной нестационарной постановке является более универсальным, так как его работа проверена на нескольких типах форсунок и в широком диапазоне конструктивных (dc = 0,3…1,4 мм) и режимных (ΔP = 50…1000 кПа) параметров. Для оценки влияния свойств жидкости на характеристики ЦБТФ было проведено расчётно-экспериментальное исследование течения в шнековой форсунке (dс = 0,5 мм, ΔP = 100…700 кПа) с использованием керосина (ТС-1), нормального декана и дизельного топлива (ДТ), результаты представлены на рисунке 6. Показано, что коэффициент расхода практически не зависит от свойств, используемых в данном исследовании жидкостей. Среднее расхождение между экспериментальными данными и расчётными значениями не превышает 10 %. В то же время угол факела распыла зависит от Рисунок 5 – Зависимость угла факела распыла свойств жидкости, при этом его наибольшие(φ) от геометрической характеристики значения достигаются при распыле наименеефорсунки (А) плотной и наименее вязкой жидкости – нормального декана, а минимальные, наоборот, для самой плотной и вязкой жидкости – дизельного топлива. Среднее расхождение между экспериментальном и расчётом составило 13 %. Рисунок 6 – Влияние свойств топлива на коэффициент расхода форсунки и угол факела распыла Для толщины топливной плёнки на срезе сопла в известной литературе нет экспериментальных данных для исследуемого диапазона геометрических размеров ЦБТФ при использовании керосина. В связи с малыми размерами сопел изучаемых форсунок (dс < 1,5 мм) и в данной работе не представилось возможным получить соответствующие опытные результаты. Несмотря на это, известно, что толщина топливной плёнки определяется коэффициентом заполнения сопла (φс), напрямую связанного с коэффициентом расхода форсунки, который как уже отмечалось выше достаточно достоверно определяется разработанным алгоритмом расчёта и удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными. Исходя из этого можно заключить, что и толщина топливной плёнки, полученная напрямую из результатов CFD расчётов, должна определяться с погрешностью, сопоставимой с погрешностью расчета µL. Результаты расчёта tпл, представленные на рисунке 7, указывают на значительное влияние размеров сопла ЦБТФ на толщину топливной плёнки при менее существенном влиянии режимного фактора (ΔP). Таким образом, предложенная методика и алгоритм расчёта течения жидкости через ЦБТФ позволяет прогнозировать такие базовые характеристики форсунок, как коэффициент расхода, угол факела распыла и толщина топливной плёнки в широком диапазоне как режимных, так и конструктивных параметров, что может быть использовано на этапе проектирования форсунок для авиационных камер сгорания. Универсальность методики доказываетсяеёработоспособностью на нескольких типах центробежных форсунок и при Рисунок 7 – Зависимость значений использовании жидкостей с отличающимися толщины топливной плёнки (tпл) от свойствами.диаметра сопла форсунки (dc) Четвёртая глава посвящена результатам разработки гибридной методики определения среднего диаметра капель по Заутеру (D32) (рисунок 8) с помощью полуэмпирических методов (ПЭ), входными данными для расчёта, по которым, являются базовые характеристики ЦБТФ, определённые с помощью разработанного и валидированного алгоритма CFD расчёта (см. главу 3). Рисунок 8 – Схема использования гибридной методики расчёта характеристик распыла топлива ЦБТФ А. Лефевром, С. Вэем, А. Диденко и другими предложены и экспериментально обоснованы для определённого типа форсунок и их режимных параметров полуэмпирические зависимости D32 от свойств жидкости, режима, геометрии и базовых характеристик распыла (в основном, толщины топливной плёнки). Анализ этих зависимостей показал, что для исследуемого в данной работе типа форсунок наиболее универсальными являются выражения, предложенные в работах С. Вэя (1) и А. Диденко (2, 3): 0,51.17 ( − )0,671/6 ∙ (1+√1− ) пл пл ж 2 32 = С []∙[0,67]()(1) ж ж ∙ в пл 5 D32 = К8 ⋅, для We>1(2)
отн
51 ⋅
D32 =К81 ⋅ пл,для We<1(3) 1отн При этом, по методике А. Диденко выбор применяемой формулы для расчёта связан с числом Вебера (We), т.е. учитываются переходные режимы работы форсунки. На рисунке 9 представлено сравнение экспериментальных и расчётных значений D32 для шнековой форсунки (рисунок 1) с dc = 0,3…1 мм, при ΔP = 50…600 кПа. При использовании формулы С. Вэя (1) отклонение от экспериментальных данных может составлять 30 – 40%, в тоже время, как для методики А.Рисунок 9 – Сравнение Диденко (2-3) данная погрешность неэкспериментальных и расчётных превышает 13%. Аналогичные результатызначений среднего диаметра капель получены и при расчёте исследованной в работе С. Вея улиточной форсунки с dc = 0,4…0,6 мм при ΔP = 800…1000 кПа. Анализ полученных результатов показал, что формула С. Вея (1) в этом случае дает погрешность по отношению к данным опытов не превышающую 13%, а методика А. Диденко (2-3) на уровне 15%. По совокупности результатов в разрабатываемой гибридной методике для определения D32 предлагается использовать формулы (2-3) из работы А. Диденко как более универсальные для различных типов форсунок и режимов течения жидкости. При определении граничных условий для CFD расчёта рабочего процесса камеры сгорания ГТД кроме расходной характеристики, угла факела форсунки, среднего диаметра капель (D32), необходимо задавать распределение капель по размерам в топливном факеле. Из анализа литературных источников следует, что для решения последней задачи используют распределение Розина-Раммлера, результаты проверки применения этого закона для условий работы одногорелочной модельной КС (см. рисунок 3) с разработанной шнековой форсункой представлены на рисунке 10, из которого видно хорошее согласование опытных и расчётных значений. а)б) Рисунок 10 – Распределение капель по размерам в топливном факеле: а) распределение Розина-Раммлера; б) плотность распределения капель Таким образом предложенная гибридная методика позволяет получить необходимые данные для моделирования процесса горения жидкого топлива в камерах сгорания ГТД. Пятая глава посвящена апробацииразработанной гибриднойметодикирасчёта характеристик распыла жидкости для задания граничных условий впрыска топлива в камеру сгорания на примере моделирования рабочего процесса в модельной камере сгорания (см. рисунок 3) и в камере сгорания газотурбинного двигателя АИ-25. Численный расчёт процессов горения в модельной КС произведён Рисунок 11 – Траектории движения капель в с граничными условиями впрыска,камере сгорания: полученными по предложенной ва) по разработанной гибридной методике; данной работе гибриднойб) по методике А. Лефевра методике, а также, с граничными условиями впрыска, рассчитанными с помощью полуэмпирической методики А. Лефевра. Визуализация траекторий движения капель топлива (керосин ТС-1) по результатам расчёта рабочего процесса с горением в модельной камере сгорания при атмосферном давлении и температуре воздуха на входе в КС равной 623К (коэффициент избытка воздуха в камере сгорания α = 5) показана на рисунке 11. Из сравнения двух вариантов граничных условий видно, что траектории капель, характеристики которых определены по полуэмпирической методике А. Лефевра, распространяются вплоть до выходного сечения КС. Это может привести к завышенным значениям продуктов неполного сгорания при расчёте выбросов вредных веществ, что и подтвердилось при сравнении расчётных и экспериментальных данных по эмиссии оксида углерода (EICO) при α > 4, представленных на рисунке 11.
При использовании разработанной гибридной методики траектории капель
завершаются в первичной зоне КС (см. рисунок 11 а). Это свидетельствует о более
интенсивном процессе сгорания топлива,
что в большей степени согласуется с
экспериментом (см. рисунок 12), при этом
среднеквадратичное отклонение между
экспериментальнымизначениямии
результатами CFD расчёта, полученными
при использовании гибридной методики
расчёта характеристик распыла, составило
15%,чтоявляетсяприемлемым
результатом.
Сравнение индексов эмиссии оксида
углерода(CO)инесгоревшихРисунок 12 – Зависимость индекса эмиссии
углеводородов (HC) в камере сгоранияоксида углерода (EICO) от коэффициента
двигателя АИ-25 показано на рисунке 13.избытка воздуха в выходном сечении модельной
камеры сгорания
При сравнении расчётных и экспериментальных значений эмиссии CO и HC в
камере сгорания двигателя АИ-25 получено, что качественно расчётные зависимости
согласуются с экспериментом, но несколько расходятся количественно.

Рисунок 13 – Зависимость индексов эмиссии EICO и EIHC от относительной тяги ГТД АИ-25
Расчётные значения EICO и EIHC несколько выше опытных данных практически
на всех режимах работы двигателя. Последнее может быть связано со спецификой
проведения экспериментов на двигателе, когда отбор проб на химический анализ
продуктов сгорания осуществлялся за соплом двигателя, а расчётные значения
определялись перед турбиной в выходном сечении КС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых расчётно-экспериментальных исследований
процессов течения топлива в центробежных форсунках решена актуальная научная
задача об определении характеристик распыла ЦБТФ камер сгорания авиационных
ГТД на этапе проектирования и доводки двигателя.
В процессе работы получены следующие результаты:
1.Сформирована база экспериментальных данных по расходным
характеристикам и углу факела распыла ЦБТФ в широком диапазоне геометрических
размеров сопла форсунки (dc = 0,3…1,4 мм) и режимных параметров по перепаду
давления на форсунке (ΔP = 50…1000 кПа) для различных углеводородных топлив
(керосин ТС-1, н-декан, дизельное топливо).
2.Разработанаивнедренавнаучно-образовательномцентре
газодинамических исследований Самарского университета методика обработки
результатов экспериментальных исследований по определению угла факела распыла с
использованием современных методов распознавания изображений, реализованных с
помощью кода, написанного в среде MATLAB.
3.Разработан и валидирован алгоритм определения характеристик
первичного конуса распыла с использованием численных методов моделирования
двухфазных потоков, позволяющих определять такие характеристики распыла, как:
коэффициент расхода форсунки с погрешностью около 10 %, и угол факела распыла, с
погрешностью около 13 %, что ниже по сравнению с классическими
полуэмпирическими методиками в 1,5 – 2 раза. Методика валидирована в широком
диапазоне геометрических размеров сопла центробежной форсунки (dc = 0,3…1,4 мм)
и режимных параметров по перепаду давления на форсунке (ΔP = 50…1000 кПа) для
различных углеводородных топлив (керосин, декан, дизельное топливо).
4.Разработана и валидирована гибридная методика расчёта средних по
Заутеру диаметров капель (D32) и функции распределения капель по размерам,
основанная на сочетании алгоритма численного определения характеристик
первичного конуса распыла и полуэмпирических соотношений для определения
диаметров капель D32 и функции распределения капель по размерам. Разработанная
гибридная методика позволяет получать значения D32 с погрешностью, не
превышающей 15%, что ниже по сравнению с классическими полуэмпирическими
методиками в 1,5 – 2 раза.
5.Проведена апробация разработанной гибридной методики определения
характеристик распыла жидкого топлива центробежными форсунками при
формировании граничных условий для численного расчёта в трёхмерной постановке
рабочего процесса и эмиссионных характеристик модельной камеры сгорания и
камеры сгорания полноразмерного двигателя АИ-25. Показано удовлетворительное
согласование расчётных и экспериментальных данных.
Таким образом в результате данной работы предложена гибридная методика,
обеспечивающая большую по сравнению с традиционными полуэмпирическими
методами точность определения характеристик распыливания топлива ЦБТФ, что
повышает эффективность проектирования камер сгорания авиационных ГТД.
Перспективой дальнейшего развития темы является верификация разработанной
методики при повышенных давлениях в камере сгорания, а также адаптация методики
для форсунок различных типов в более широком диапазоне геометрических
параметров.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ