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

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Гураков Никита Игоревич
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА РАСПЫЛА ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1 Экспериментальные исследования характеристик распыла
1.2 Полуэмпирические методики расчёта характеристик центробежных форсунок
1.3 Исследование характеристик распыла с помощью методов численного моделирования двухфазных потоков
1.3.1 Метод Лагранжа
1.3.2 Метод Эйлера
1.3.3 Гибридные методы исследования распыла топлива
Заключение по первой главе
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛА И ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
2.1 Экспериментальный стенд для исследования расходно-геометрических характеристик центробежных топливных форсунок
2.1.1 Стендовое оборудование для исследования расходных характеристик форсунок и угла факела распыла
2.1.2 Экспериментальный стенд для определения средних по Заутеру диаметров капель
2.1.3 Объекты исследований
2.1.4 Разработка программного кода в среде MATLAB для обработки экспериментальных данных по определению угла факела распыла
3
2.2 Экспериментальный стенд для исследования характеристик прцессов горения………
2.2.1 Описание стендового оборудования для исследования характеристик модельной камеры сгорания
2.2.2 Метод отбора проб на химический анализ продуктов сгорания и эмиссии вредных веществ
Заключение по второй главе
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ТОПЛИВА В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНКАХ
3.1 Описание математической модели для исследования течения топлива в центробежной форсунке
3.2 Рекомендации по использованию модели объёма жидкости для расчета характеристик течения топлива в центробежных форсунках
3.3 Расчётно-экспериментальное исследование по определению характеристик течения в сопле центробежных топливных форсунок
Заключение по третьей главе
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА И ВАЛИДАЦИЯ ГИБРИДНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ПО ЗАУТЕРУ ДИАМЕТРА КАПЕЛЬ ПРИ РАСПЫЛЕ ТОПЛИВА ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ ФОРСУНКАМИ
4.1 Формирование гибридной методики для определения среднего по Заутеру диаметров капель
4.2 Расчётно-экспериментальное исследование по определению среднего по Заутеру диаметров капель при распыле топлива центробежными форсунками
4.3 Определение параметров диаграммы распределения Розина-Раммлера для исследуемых центробежных форсунок
Заключение по главе 4

4
ГЛАВА 5 РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСПЫЛА ЖИДКОГО ТОПЛИВА НА ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТД
5.1 Математическая модель для определения эмиссии вредных веществ при горении испарённого жидкого топлива в камере сгорания
5.2 Определение эмиссии оксида углерода в модельной камере сгорания
5.3 Определение эмиссии оксида углерода и несгоревших углеводородов в камере сгорания авиационного двигателя АИ-25
Заключение по пятой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А

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

Актуальность темы исследования. Загрязнение атмосферы Земли
веществами, образованными вследствие сжигания углеводородного топлива, является одной из глобальных проблем человечества и в последние десятилетия жёстко регламентируется различными международными организациями (например, международной организацией гражданской авиации, ICAO). Рост интенсивности пассажирских и транспортных перелётов приводит к увеличению негативного воздействия на окружающую среду продуктов сгорания авиационных топлив, источником выбросов которых являются авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Узлом, отвечающим за образование вредных веществ, является камера сгорания (КС), так как именно в ней происходят процессы сгорания углеводородного топлива в двигателе.
Для прогнозирования эмиссионных характеристик КС разработаны различные методики, самыми перспективными из которых являются CFD методы моделирования. Важным фактором, влияющим на характеристики процессов горения, в том числе, образование загрязняющих веществ в КС, является распыл топлива, который в современных авиационных двигателях обеспечивается различными типами форсунок, в основном центробежными форсунками. Поэтому, при формировании математической модели рабочего процесса в камерах сгорания ГТД, необходимо достаточно точно определять граничные условия для моделирования процесса впрыска жидкого топлива в первичную зону КС, такие как: угол распыла, расходная характеристика, средний диаметр капель, начальная скорость движения капель и другие. Для определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива центробежными форсунками, обычно используют полуэмпирические методы. При этом границы применимости полуэмпирических методик, как правило ограничены теми параметрами режимов работы двигателя, форсуночных устройств и характеристик топлива, для которых они были разработаны. Поэтому полуэмпирические методики не являются универсальными и не охватывают все возможные конструктивные решения для центробежных топливных форсунок (ЦБТФ) и не учитывают изменения физических свойств топлив на различных эксплуатационных режимах. Параметры, характеризующие распыла топлива, можно получить экспериментально, но для проведения подобных исследований необходимо изготовить опытный образец форсуночного устройства и обеспечить необходимые стендовые условия проведения экспериментов, что связано с существенными материальными и временными затратами. Решение данной задачи возможно при использовании методов вычислительной газовой динамики (CFD) для расчёта течения жидкости внутри форсунки, формирования конуса топливного факела на выходе из её сопла и последующего распада плёнки жидкости на отдельные капли. Однако подобные модели требуют значительных вычислительных ресурсов, применяются в фундаментальных исследованиях и недоступны в инженерной практике. Рациональным выходом является применение гибридных методов, использующих при оптимальном сочетании преимущества CFD моделей и полуэмпирических соотношений. Поэтому, разработка гибридной методики расчёта характеристик центробежных форсунок является актуальной задачей.
Степень разработанности темы.
В разработку методов определения характеристик распыла топлива существенный вклад внесли такие исследователи как: Н. Домбровски, Б. Раушенбах, Л. Витман, Ю. Хавкин, Ю. Дитякин, Г. Симмонс, А. Лефевр, Н. Ризк, Г. Абрамович, Г. Коуто, В. Третьяков, А. Диденко, А. Сипатов, М. Халдер, C. Ким, C. Вэй, Ю. Куценко, Е. Строкач и другие.
Н. Домбровски, Б.В. Раушенбах, Г. Абрамович, А. Лефевр, Г. Коуто и другие на основе исследования течения жидкости внутри форсунки и процессов распада струи (или плёнки) разработали первые полуэмпирические методики, позволяющие получать характеристики распыла топлива форсунками. Однако, разработанные методики имели ряд допущений, в частности, в них отсутствовал учёт гидравлических потерь в элементах форсунки. Ю. Дитякин, А. Диденко, С. Вэй и другие, развили полуэмпирические методики с учётом гидравлических потерь в элементах форсунки. Однако построенные на основе этих обобщений прогностические модели зависят от эмпирических коэффициентов, справедливых в сравнительно узком диапазоне режимных параметров и геометрических характеристик форсунок.
Начиная с работ Т. Менарда, М. Геррмана, А. Сипатова, С. Сербина и других, были предложены методы численного моделирования процессов распада топливной струи для определения характеристик распыла. К сожалению, для центробежных форсунок, с учетом их разнообразия, не разработано верифицированных расчётных методик, работающих в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров, а также учитывающих свойства используемой жидкости.
В последнее время, активно ведутся работы по разработке гибридных методик определения характеристик распыла топлива, которые сочетают в себе численные и полуэмпирические методы. Такие методы предложены в работах Ю. Куценко, Т. Иноуэ, Е. Строкача, К. Баде и других. Несмотря на существование данных методов, их применимость в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров центробежных форсунок до сих пор остаётся открытым вопросом.
Цель работы: повышение эффективности проектирования камер сгорания авиационных ГТД, за счет разработки и применения гибридной методики определения параметров, характеризующих распыл топлива, на основе численных методов трёхмерного моделирования двухфазных потоков и полуэмпирических методик расчёта центробежных форсунок.
Задачи работы:
1. Экспериментальное исследование зависимостей коэффициента расхода сопла и угла факела распыла топлива от геометрических и режимных параметров центробежной форсунки, а также от свойств используемой жидкости.
2. Разработка и валидация алгоритма численного расчёта расходной характеристики, угла факела распыла и толщины топливной плёнки центробежной форсунки с использованием метода объёма жидкости (VOF). 3. Разработка и валидация гибридной методики расчёта среднего диаметра капель и распределения капель по размерам при распыливании топлива центробежными форсунками.
4. Расчётно-экспериментальное исследование эмиссионных характеристик модельной камеры сгорания и камеры сгорания в составе авиационного ГТД с использованием разработанной гибридной методики расчёта центробежных форсунок.
Объект и предмет исследования: Объектом исследования является процесс течения двухфазных сред в центробежных форсунках, предметом исследования является определение параметров, характеризующих распыл жидкого топлива центробежными форсунками КС авиационных ГТД.
Научная новизна:
1. Новые экспериментальные данные о расходно-геометрических характеристиках распыла топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД в зависимости от геометрических и режимных параметров, а также от свойств используемой жидкости.
2. Новая методика обработки экспериментальных данных, отличающаяся использованием современных методов распознавания изображений, позволяющая более информативно и точно проводить измерения угла факела распыла топлива.
3. Новая гибридная методика, отличающаяся сочетанием методов моделирования двухфазных потоков внутри форсунки и полуэмпирических методик расчёта размеров капель в топливном факеле, позволяющая определять основные параметры, характеризующие распыл топлива центробежными форсунками, такие как: коэффициент расхода сопла, угол распыла первичного топливного факела, толщина топливной плёнки на срезе сопла, средний диаметр капель (D32), а также распределение капель по размерам и начальная скорость их движения.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах выявлении зависимостей параметров распыла жидкого топлива от режимных и конструктивных параметров, свойств используемого топлива и результатах определении характеристик распыла при переходных режимах истечения топлива из центробежных форсунок.
Практическая значимость результатов работы заключается в возможности прогнозирования распределение диаметров капель без проведения экспериментальных исследований, за счёт разработанной гибридной методики расчёта характеристик распыла, основанной на сочетании численных методов расчёта двухфазных потоков и полуэмпирических методик расчёта ЦБТФ.
Разработанная гибридная методика расчёта характеристик распыла авиационного топлива позволяет улучшить прогностическую способность при моделировании процессов горения в камерах сгорания авиационных двигателей, что существенно повышает эффективность проектирования или доводки камер сгорания газотурбинных двигателей.
Результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении исследований в рамках договора с АО «ОДК» «Гибридная методика расчёта параметров распыла авиационного топлива в камерах сгорания ГТД» по договору No1700-06-20-026424 от 17 марта 2020 г. о предоставлении научной стипендии на выполнение работы соответствующей перечню перспективных технологий, определённых Стратегией развития АО «ОДК».
Результаты диссертации также используются в рамках решения одной из задач гранта Российского научного фонда No 21–19–00876 «Разработка моделей нагрева и испарения капель суррогатов керосина».
Методы исследования:
1. Методы экспериментального определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива и эмиссионных характеристик камер сгорания авиационных ГТД.
2. Методы обработки экспериментальных данных с помощью современных технологий распознавания изображений.
3. Полуэмпирические методы определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива. 4. Методы трёхмерного моделирования двухфазных потоков, основанные на подходе Эйлера.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований зависимости расходно- геометрических параметров распыла авиационного топлива от геометрических и режимных параметров центробежных форсунок, а также от свойств используемой жидкости.
2. Методика обработки результатов экспериментов по определению угла факела распыла топлива с помощью разработанного программного кода в среде MATLAB.
3. Гибридная методика расчёта параметров, характеризующих распыл топлива центробежными форсунками авиационных ГТД, включающая в себя методы CFD моделирования двухфазных потоков и полуэмпирические методы расчёта ЦБТФ.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
• применением сертифицированного программного комплекса MATLAB (США);
• применением сертифицированного коммерческого программного комплекса ANSYS Fluent (США), верифицированного на задачах расчёта газодинамических реагирующих течений по результатам сравнения с экспериментальными данными, полученными в научно-образовательном центре газодинамических исследований Самарского университета;
• использованием в экспериментальном исследовании аттестованного и поверенного измерительного оборудования;
• высоким уровнем согласования результатов численного моделирования с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований форсуночных устройств, модельных камер сгорания и натурного авиационного ГТД.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались на Международной НТК «International Conference on Renewable Energy and Environment Engineering» (REEE 2018) (Париж, 2018 г.), Международной НТК «ASME 2019 Gas Turbine India Conference» (GTINDIA 2019) (Ченнаи 2019 г.), Всероссийской НТК молодых учёных и специалистов «Авиационные двигатели и силовые установки» (Москва, 2019 г.); Всероссийской НТК «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (Самара, 2019 г.); Международной НТК «International Conference on Aviation Motors» (ICAM 2020) (Москва, 2021 г.); Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2021 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 2 статьи в периодическом издании, включённом в список ВАК, 6 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 4 публикации в материалах конференций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и 1 приложения. Основной текст 157 страниц, 79 иллюстраций и 12 таблиц.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

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

    Публикации автора в научных журналах

    Н. И. Гураков, И. А. Зубрилин, М. Эрнандэс Моралес, Д. В. Якушкин, А. А. Диденко,С. Г. Матвеев, Ю. В. Комисар //Вестник Самарского университета. Аэрокосмическаятехника, технологии и машиностроение. – 2– Т. – №. – С. 19
    Влияние процесса горения на структуру закрученного потока за горелочным устройством камеры сгорания газотурбинной установки
    И. А.Зубрилин, А. А. Диденко, Д. Н. Дмитриев, Н. И. Гураков, М. Эрнандэс Моралес//Вестник Московского авиационного института. – 2– Т. – №. – С. 124
    Validation of the VOF method for liquid spray processsimulation from a pressure-swirl atomizer
    N. I. Gurakov, I. A. Zubrilin, V. Y. Abrashkin,M. Hernandez Morales, D. V. Yakushkin, V. V. Yastrebov, O. V. Kolomzarov, D. V.Idrisov//AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2– V. 2– №. -P.020
    A study on the geometric characteristic influence on the liquidfuel flow in a three-way pressure-swirl atomizer
    N. I. Gurakov, М. Hernandez Morales, I.A. Zubrilin, S. A. Bolychev, A. A. Didenko, S. G. Matveev//Journal of Physics: ConferenceSeries. – IOP Publishing. – 2– V. 1– №. – P. 012
    Simulation of Pollutant Emissions in a Small-Sized CombustionChamber With a Gas Fuel for Various Regime Modes
    N. I. Gurakov, I. A. Zubrilin, I. V.Chechet, V. M. Anisimov, S. S. Matveev, D. V. Idrisov, M. Y. Anisimov //Gas Turbine IndiaConference. American Society of Mechanical Engineers. – 2– V. 83– P.V002T04A
    Experimental study of the combustion of surrogates of aviationkerosene TS-1
    S. S. Matveev, D. V. Idrisov, S. G. Matveev, N. I. Gurakov, M. Yu.Anisimov, A. S. Savchenkova, I. A. Zubrilin, M. Hernandez Morales //AIP ConferenceProceedings. AIP Publishing LLC. – 2– V. 2– №. – P. 020
    Simulation of CO and CO2 emissions in model combustionchamber based on the combination LES and Reactor Network model
    S. S. Matveev, D. V.Idrisov, N. I. Gurakov, G. Gangisetty, I. A. Zubrilin, S. G. Matveev, E. A. Shchepakina//E3SWeb of Conferences. – EDP Sciences, 2– V. – P. 03Прочие публикации
    Расчёт расходной характеристики центробежной форсунки
    Н.И. Гураков, И.А. Зубрилин, О.В. Коломзаров // Сборник тезисовВсероссийской НТК «Авиационные двигатели и силовые установки». – 2– С. 147
    Исследование влияния плотности расчетной сетки вблизи сопла центробежной форсунки на результаты расчета угла распыла в трехмерной постановке
    Н. И. Гураков, М. Э. Моралес, И. А. Зубрилин, Д. В. Якушкин, В. А.Шафрова // Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей. сб.тезисов XI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. – 2– С. 25
    Исследование влияния эквивалентной геометрической характеристики на течение топлива в трёхзаходной центробежной форсунке
    Н. И.Гураков, М. Эрнандэс Моралес, И.А. Зубрилин, С.А. Болычев, А.А. Диденко, С.Г.Матвеев // Сборник тезисов Международной НТК по авиационным двигателям (ICAM2020). – 2– Т.– С. 161
    Гибридная методика определения среднего диаметра капель (D32) керосина в области течения за центробежной форсункой
    Н.И. Гураков,С.Г. Матвеев, И.А. Зубрилин, А.А. Диденко, М. Эрнандэс Моралес, В.В. Ястребов //Материалы докладов Международной НТК «Проблемы и перспективы развитиядвигателестроения». – 2– Т.– С. 146

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Яна К. ТюмГУ 2004, ГМУ, выпускник
    5 (8 отзывов)
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Вики Р.
    5 (44 отзыва)
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.
    #Кандидатские #Магистерские
    60 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету