Методика оценки характеристик стабилизирующих устройств форсажных камер сгорания турбореактивных двигателей
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Теоретические модели стабилизации пламени.
1.1.1. Модели на основе теплового баланса между циркуляционной зоной и
основным потоком.
1.1.2. Модели на основе контактной теории стабилизации пламени
1.1.3. Реакторная модель стабилизации горения
1.2. Срывные характеристики гомогенного реактора.
1.3. Экспериментальное определение времени пребывания в
циркуляционных зонах за плохообтекаемыми телами.
1.4. Экспериментальные исследования срывных характеристик
стабилизаторов пламени.
1.5. Заключение по первой главе
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ ГАЗА В
ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ЗОНАХ, ПОСРЕДСТВОМ ЧИСЛЕННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ В ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ЗОНАХ С
ПОДВОДОМ ТРАССИРУЮЩЕГО ГАЗА
2.1. Описание постановки задачи и граничных условий.
2.2. Обработка полученных результатов и расчет времен пребывания.
2.3. Исследование влияния места подвода трассирующего газа на время
пребывания в циркуляционной зоне.
2.4. Время пребывания в циркуляционных зонах при дополнительном вдуве
струй.
2.5. Результаты расчета времен пребывания для различных стабилизаторов
пламени.
2.6. Заключение по второй главе
ГЛАВА 3. ВРЕМЯ ПРЕБЫВАНИЯ И СРЫВ ГОРЕНИЯ В
ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ЗОНАХ ЗА ПЛОХООБТЕКАЕМЫМИ ТЕЛАМИ
3.1. Описание расчета срывных характеристик гомогенного реактора.
3.2. Расчет срывных характеристик стабилизаторов.
3.3. Заключение по третьей главе
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК ДЛЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФОРСАЖНЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ
4.1. Гидравлические и срывные характеристики различных стабилизаторов
пламени.
4.2. Влияние подачи топлива непосредственно в циркуляционную зону на
срывные характеристики.
4.3. Определение параметров фронтового устройства форсажной камеры
сгорания
4.4. Заключение по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Во введении показаны и обоснованы актуальность работы, её цель и
поставлены задачи исследования, изложены научная новизна, теоретическая и
практическая значимость, методы исследования и положения, которые
выносятся на защиту.
В первой главе приведен критический анализ опубликованной научно-
технической и патентной литературы. Дан обзор существующих теоретических
моделей стабилизации горения, которые позволяют обобщить результаты
экспериментальныхисследованийсрывныххарактеристикразличных
горелочных устройств, и обоснован выбор модели гомогенного реактора в
дальнейших исследованиях.
Приведены результаты экспериментальных исследований по срыву пламени
за различными стабилизаторами пламени, а также влияние различных факторов
на стабилизацию горения.
Вторая глава посвящена разработке методики определения времени
пребываниягазавциркуляционныхзонах,посредствомчисленного
моделирования течения в них при подводе трассирующего газа.
Рассмотрены способы определения времени пребывания в циркуляционных
зонах, из которых выделены способ стационарного и нестационарного подвода
газа.
Так для определения времени пребывания газа в циркуляционной зоне
методом стационарного подвода газа необходимо расположить источник
примеси в циркуляционной зоне, тогда времянаходится из зависимости:
̅
̅ =,
ист
где– объем циркуляционной зоны,ист– расход трассирующего газа, а ̅ –
средняя концентрация примеси в зоне.
Второй способ подвода трассирующего газа основан на постановке
нестационарногорасчетаиотключениемподачивовремярешения.
Концентрация примеси при этом будет описываться зависимостью:
=.
Отсюда, для определения времени пребывания требуется определить в
процессе решения, за какое время концентрация трассирующего вещества
уменьшится в e раз.
На рисунке 1 показано сопоставление экспериментальных данных и
полученных двумя расчетными методами зависимостей времени пребывания
газав циркуляционной зоне от скорости набегающего потока. Метод 1 –
стационарный подвод газа в циркуляционную зону. Метод 2 – нестационарный.
Как видно, данные для уголка (d=50 мм), диска (d=56 мм) практически
совпадают с данными для уступа h=30 мм. Данные для дисков (d=40 мм и d=34
мм) близки к данным для уступа h=15…25 мм.
Таким образом, для определения в первом приближениидля различных
тел можно использовать результаты расчета для уступа, если принять, что
расчетное значение hр=(0,45…0,6)d.
tz , сек
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
020406080100120
U0 , м/сек
Характерный
Форма
ОбозначениеразмерИсточник данных
стабилизатора
стабилизатора, мм
Уголокd = 2h = 50Эксперимент
Цилиндрd = 2h = 56Эксперимент
▲Дискd = 2h = 56Эксперимент
Дискd = 2h = 40Эксперимент
Дискd = 2h = 34Эксперимент
Уступh = 30Расчет методом 1
Уступh = 25Расчет методом 1
Уступh = 15Расчет методом 1
Уступh = 30Расчет методом 2
Рис. 1. Зависимость времени пребыванияв циркуляционной зоне от
скорости набегающего потока
На рисунке 2 показаны зависимости времени пребывания газа в
циркуляционных зонах от характерного размера стабилизатора пламени.
tz, секU0 = 15 м/сU0 = 23 м/с
tz, сек
0,160,16
0,120,12
0,080,08
0,040,04
010203040010203040
hр, ммhр, мм
U0 = 30 м/сU0 = 50 м/с
tz, секtz, сек
0,080,08
0,060,06
0,040,04
0,020,02
010203040010203040
hр, ммhр, мм
ОбозначениеФорма стабилизатораИсточник данных
УголокЭксперимент
ДискЭксперимент
ЦилиндрЭксперимент
УступРасчет методом 1
Рис. 2. Изменение значенийв зависимости от расчетных значений высоты
уступа hр для плохообтекаемых тел различной формы.
Для течения за уступом значение hр равно высоте уступа, для других тел
принималось, что hр = 0,5 d. Как видно, экспериментальные значенияблизки
к расчетным данным для уступа (превышение 5…25%).
Для уголковых стабилизаторов значениясущественно больше, чем
значенияза уступом. По-видимому, это связано с тем, что размер
циркуляционной зоны превышает геометрический размер тела, вследствие
расширения аэродинамического следа за ним из-за наклона линий тока,
вызванного обтеканием наклонных стенок уголка и нарастанием пограничного
слоя на стенках цилиндра.
Аппроксимировать полученные расчетные кривые для уступа можно с
помощью зависимости:
1,6 ℎр
=,
где ℎр в мм, ав м/с.
Кроме того, сопоставление с экспериментальными данными показало, что
для уголкового стабилизатора с углом при вершиневеличина ℎр ≈ 0,01 ∙ ∙d
[мм].
В третьей главе излагается методика определения срывных характеристик
стабилизаторов пламени с помощью рассчитанного времени пребывания в
циркуляционных зонах за ними.
Для расчета необходимо задать следующие исходные данные:
1) Размер стабилизатора ;
2) Угол раскрытия стабилизатораст ;
3) Скорость набегающего потокаст ;
4) Давление в набегающем потокевх ;
5) Температура на входе !н .
Характерный размер ℎр определяется из зависимости:
ℎр = 0,01 ·ст· .
При обтекании цилиндра (ст =0°) характерный размер равен половине
ширины полки стабилизатора, т.е. ℎр = 0,5 .
Затем, задавая значения скоростист ,определяется время пребывания
газаза стабилизатором:
1,6 ℎр
=.
30 ст
Параметр форсирования циркуляционной зоны:
10′
$цз =.
̅ ( !н
Максимальные значения коэффициента избытка воздуха )ср*+, и бедная
граница срыва пламени находится из зависимости:
)ср*+, = 1,8 − /0123$цз − 45.
При температуре на входе в канал !н = 400К, богатая граница срыва
описывается зависимостью:
6*+, == 1,8 − 0,530123$цз − 0,4755.
)ср*78
Результаты такого расчета и сопоставление их с экспериментальными
данными для различных стабилизаторов пламени и условий в потоке показаны
на рисунке 3.
Видно, что расчетная методика с достаточной точностью описывает
границы срыва пламени (максимальное отклонение 10-15%), что говорит о
возможности её применения для предварительной оценки стабилизирующих
устройств различной формы.
U0, м/с
120
40
0,000,501,001,502,002,503,00
αср
№ИсточникВидРазмервх ,
Обозначение!н , К
п/пданныхстабилизатора стабилизатора, ммкПа
1ЭкспериментПластинаd=40100473
2Расчетст = 180°hр=72100473
V-образный
3Экспериментd=40100473
( ст = 60°)
4Расчетст = 60°hр=24100473
Цилиндр
5Экспериментd=40100473
( ст = 0°)
6Расчетст = 0°hр=20100473
V-образный
7Экспериментd=4031483
( ст = 60°)
8Расчетст = 60°hр=2431400
V-образный
9Экспериментd=4040483
( ст = 60°)
10Расчетст = 60°hр=2440400
Конус
11Экспериментd=40100300
( ст = 30°)
12Расчетст = 30°hр=12100300
Рис. 3. Влияние скорости основного потока на пределы устойчивого
горения различных стабилизаторов пламени.
Объединенныйупрощенныйалгоритмметодикрасчетавремени
пребывания газа в циркуляционной зоне и срывных характеристик пламени за
стабилизатором пламени можно представить в виде блок-схемы показанной на
рисунке 4.
Расчет эквивалентного размера стабилизатора пламени
Определение времени пребывания
Расчет параметра форсирования циркуляционной зоны
Определение границы “бедного” срыва пламени
Определение границы “богатого” срыва для однородных смесей при
температуре 400К
Рис. 4. Блок-схема упрощенного алгоритма методик расчета времени
пребывания газа в циркуляционной зоне и срывных характеристик
стабилизаторов пламени.
Четвертаяглавапосвященапримерампрактическогоприменения
разработанных методик для проектирования форсажных камер сгорания.
В современных форсажных камерах сгорания для создания автономного
очагавоспламенениязачастуюиспользуютстабилизаторыпламенис
установленнымивнихкарбюраторами.Нарежимахминимального
форсирования двигателя АЛ-41Ф1С топливо подается исключительно в
карбюратор центрального стабилизатора пламени (форкамеру). Благодаря
этому обеспечивается минимальный прирост тяги с включением форсажа, что
является необходимым требованием при создании современных форсажных
камер.
Таким образом, существует определенный интерес в определении срывных
характеристик стабилизаторов при подаче топлива только в циркуляционную
зону.
Схема стабилизатора пламени с карбюратором показана на рисунке 5.
Рис. 5. Схема стабилизатора пламени с карбюратором.
1 – заборник; 2 – карбюраторная трубка; 3 – обечайки.
При такой подаче топливо испаряется и смешивается с газом из
набегающего потока. Затем через отверстия в карбюраторной трубке 2 газо-
топливная смесь поступает в циркуляционную зону. В этом случае
коэффициент избытка воздуха в циркуляционной зоне )цз будет существенно
ниже, чем средний коэффициент избытка воздуха в целом по камере )> , что
способствует расширению диапазона устойчивого горения при обеднении
смеси.
Расход воздуха в циркуляционной зоне можно оценить из условия:
вцз=в>∙ ?ст ,(4.14)
гдев>=@A – суммарный расход газа через канала, а ?ст – площадь
загромождения канала стабилизатором.
Затем определяется время пребывания в зонеи её параметр
форсирования $цз :
1,6 ℎр
=,
30 ст
10′
$цз =.
̅ ( !н
Коэффициент избытка воздуха в циркуляционной зоне при срыве
пламени:
)ср.цз = 1,8 − /(123$цз − 4)
Тогда расход топлива в циркуляционной зонетцз :
вцз
тцз=.
C ∙ )ср.цз
Суммарный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания:
в>
)ср> =.(4.15)
Cтцз
Результатырасчетауголковогостабилизаторасd=40ммс
ст= 60° приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты расчета бедной границы срыва пламени
,,вцз ,тцз ,вD ,
$р)срцз)ср>
м/ссеккг/секкг/секкг/сек
500,01921,082,631,02·10-32,59·10-50,00297,49
-5
1000,00962,162,422,02·10-35,61·100,00586,89
-5
1500,00643,242,303,03·10-38,83·100,00876,55
2000,00484,322,214,02·10-312,19·10-50,01156,3
Из таблицы 1 видно, что подача топлива в циркуляционную зону, в
несколько раз увеличивает критические значения бедной границы срыва
пламени по суммарным расходам топлива и воздуха. Это подтверждается и
экспериментально.
Для включения форсажной камеры обычно летчик должен перевести РУД
из максимального режима работы двигателя в область форсажных режимов.
Однако, при применении карбюрированной подачи топлива за стабилизатор,
форсажная камера сгорания может работать в диапазоне от малого газа до
максимального режима работы двигателя, что позволит при взлёте самолета
оторвать передние колёса самолета от взлетной полосы на меньших расходах
газа через двигатель, при этом снизится вероятность попадания посторонних
предметов с взлетно-посадочной полосы в тракт двигателя.
Заключение
1. Впервые разработана методика определения времени пребывания в
циркуляционныхзонахзаплохообтекаемымителами,путем
численного моделирования подвода трассирующего газа. Результаты
расчета по данной методике удовлетворительно согласуются с
экспериментальнымиданными,имеющимисявтехнической
литературе.
2. Изучено влияние параметров набегающего потока и характеристик
стабилизатора на время пребывания в циркуляционных зонах,
рассчитанное по предложенной методике. Полученные результаты
расчета с достаточной степенью точности согласуются с данным
приведенным в технической литературе.
3. Разработанаметодика определения границустойчивой работы
стабилизаторовпламени,основаннаянаопределениивремени
пребывания газа в циркуляционной зоне, которая позволяет в первом
приближении проводить оценку срывных характеристик различных
стабилизирующих устройств.
4. Проведен расчет срывных и гидравлических характеристик различных
стабилизаторовфорсажнойкамерысгоранияспомощью
разработанныхметодик.Показанаихработоспособностьи
применимость к различным конструкциям стабилизаторов.
5. Расчетным образом доказано, что обеспечение в циркуляционной зоне
за стабилизаторами коэффициента избытка воздуха ) = 1 позволяет
улучшить срывные характеристики камеры сгорания, что позволяет
при проектировании уменьшить размер стабилизаторов и снизить
потери полного давления в камере.
6. Результаты работы приняты в ОКБ им. А. Люльки для дальнейшей
проработки в задачах создания перспективной форсажной камеры
сгорания турбореактивного двигателя.
Актуальность темы диссертации. На сегодняшний день практически
все авиационные двигатели, используемые в сверхзвуковой авиации, имеют в
составе форсажную камеру сгорания, которая позволяет за короткий
промежуток времени значительно увеличить тягу двигателя.
В форсажной камере проходят сложные физико-химические процессы,
каждый из которых сам по себе представляет направление самостоятельного
исследования. К ним относятся аэродинамика течения, тепло- и массообмен в
условиях химических реакций, воспламенение топливо-воздушной смеси, а
также распространение пламени в потоке.
Скорость течения в камере достаточно высока и превышает скорость
распространения пламени. В связи с этим в форсажных камерах сгорания
устанавливают фронтовое устройство, включающее систему стабилизации
горения, от которого в наибольшей степени зависят характеристики рабочего
процесса камеры.
Вообще говоря, существуют различные способы стабилизации горения,
к которым относятся:
− стабилизация в пограничном слое (например, бунзеновская
горелка)
− внешний источник энергии (например, электрическая свеча)
− стабилизация за счет аэродинамической циркуляции.
В форсажных камерах сгорания наибольшее распространение получил
способ аэродинамической циркуляции, который основан на переносе тепла
от продуктов сгорания к свежей смеси. Этот процесс осуществляется с
помощью стабилизаторов пламени, которые могут быть механическими,
газодинамическими или форкамерными. Вследствие относительно простой
конструкции и небольшого веса в существующих форсажных камерах чаще
всего применяются V-образные и форкамерные стабилизаторы.
На рис. ВВ.1 показана схема форсажной камеры сгорания двигателя
АЛ-31Ф. Здесь фронтовое устройство камеры состоит из трех
эшелонированных кольцевых стабилизаторов: большого и малого V-
образного стабилизатора, а такжецентральной форкамеры. Форкамера
выступает в роли пускового стабилизатора, с которого начинается процесс
горения в камере, и работает на всех форсажных режимах работы двигателя.
Переброс пламени от центрального стабилизатора к другим осуществляется с
помощью 22 радиальных пламяпередающих стоек, выполненных также в
виде V-образных тел. Топливо подается через 5 топливных коллекторов,
расположенных перед фронтовым устройством.
Рис. ВВ.1 – Схема форсажной камеры сгорания двигателя АЛ-31Ф.
Другим серийным двигателем отечественного двигателестроения
является РД-33. На рис. ВВ.2 показана схема форсажной камеры сгорания
этого двигателя. Фронтовое устройство данной форсажной камеры
выполнено в виде блока стабилизаторов, состоящего из двенадцати секций
радиально-кольцевой формы, соединенных в единый кольцевой контур.
Рис. ВВ.2 – Форсажная камера сгорания двигателя РД-33.
Размеры стабилизаторов и их количество обычно выбираются из для
наихудших условий работы камеры, а именно наименьших давлении и
температуры на входе. В результате чего устройство стабилизации
переразмерено на большинстве рабочих режимов работы камеры, с чем
связаны дополнительные потери тяги двигателя и увеличение удельного
расхода топлива. Это обстоятельство привело разработчиков к идее
регулируемых фронтовых устройств. На рис. ВВ.3 для примера показана
схема патента на изобретение Уфимского Государственного авиационного
технического университета RU 2472027C1 [1], где предлагается использовать
поворотные стабилизаторы пламени. Основное преимущество такого
устройства в снижении гидравлических потерь на бесфорсажных режимах, за
счет создания безотрывного течения при обтекании стабилизаторов пламени.
Рис. ВВ.3 – Схема стабилизирующего устройства с поворотными
стабилизаторами (Патент RU 2472027C1).
Данное техническое решение имеет свои недостатки, заключающиеся в
создании привода и механизации поворотного устройства, что увеличивает
массу двигателя. Кроме того, на частичных и минимальных форсажных
режимах работы двигателя фронтовое устройство так же является
переразмеренным и создает дополнительные потери давления.
Другим типом стабилизирующих устройств являются
газодинамические стабилизаторы пламени. Разработки таких стабилизаторов
начались еще в середине 50-х годов прошлого столетия, однако до сих пор не
нашли практического применения в современных форсажных камерах.
Недостатком данной схемы является снижение тяги двигателя и увеличение
удельного расхода топлива из-за отбора сжатого воздуха от компрессора.
Расчеты, выполненные на кафедре ВРД Казанского авиационного института
[2] для двигателя РД-9Б, показали, что отбор 1% воздуха из-за последней
ступени компрессора приводит к уменьшению тяги двигателя на 1,2% и
увеличению удельного расхода топлива на 0,9%.
Рабочий процесс газодинамического стабилизатора основан на
создании зон циркуляции газа не с помощью плохообтекаемого тела, а путем
вдува струи воздуха или топливо-воздушной смеси в набегающий поток.
Возможность изменения параметров струи позволяет изменять
стабилизирующие характеристики фронтового устройства в широких
пределах.
Примерами форсажных камер с применением газодинамической
стабилизации горения могут служить следующие устройства. На рис. ВВ.4
показана схема ФК с установленным малоразмерным ГТД в коке (Патент RU
2403422C1 [3]).
Рис. ВВ.4 – Схема форсажной камеры с газодинамической
стабилизацией (Патент RU 2403422C1).
Несмотря на то, что стабилизирующие устройства различны по своей
схеме и способам стабилизации [4], они имеют общий принцип работы,
заключающийся в создании области с пониженными и обратно
направленными скоростями. За стабилизаторами пламени образуются зоны
циркуляции. Устойчивая работа камеры сгорания зависит от процессов
массо- и теплообмена между набегающим потоком и продуктами сгорания из
циркуляционной зоны, в частности от среднего времени пребывания газа в
ней. В связи с чем, определение времени пребывания в циркуляционных
зонах за различными стабилизаторами может дать оценку о срывных
характеристиках стабилизирующего устройства.
При разработке форсажных камер сгорания огромные ресурсы тратятся
на их доводку. С развитием численного моделирования появилась
возможность сократить эти затраты [5-9]. Однако для этого требуются
методики расчета, которые могут дать удовлетворительные результаты
решения поставленной задачи. К таким задачам относится разработка
методики определения времени пребывания газа в циркуляционных зонах
путем численного моделирования подвода трассирующего вещества и
методика определения срывных характеристик стабилизирующего
устройства.
В связи с вышеизложенным, разработка фронтового устройства
перспективной форсажной камеры сгорания является актуальной задачей,
для решения которой необходимы соответствующие методики расчета
срывных характеристик стабилизаторов пламени.
Степень разработанности темы. Вопросам определения границ
устойчивой работы камер сгорания и теории стабилизации горения
посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ.
Среди авторов отечественных работ наиболее важный вклад внесли: А.Н.
Хитрин, Б.В. Раушенбах, Е.С. Щетинков, Т.А. Бовина, А.В. Талантов, Б.П.
Лебедев, В.А. Костерин, М.Т. Бортников, А.А. Горбатко, Э.Л. Солохин, Б.Г.
Мингазов и другие.
Несмотря на многообразие работ в данном направлении, на
сегодняшний день задача стабилизации пламени не имеет окончательного
решения и требует дальнейшей проработки. Тем более с развитием
численного моделирования появилась необходимость в разработке новых
методик расчетов стабилизирующих устройств камер сгорания.
Цель работы: Разработка методики расчета срывных характеристик
стабилизирующих устройств, применимой при создании перспективного
фронтового устройства форсажной камеры сгорания.
Задачи исследования:
1) Разработка методики определения времени пребывания газа в
циркуляционных зонах стабилизирующих устройств путем
численного моделирования подвода трассирующего вещества.
2) Исследование срывных характеристик стабилизирующих устройств
форсажных камер сгорания.
3) Анализ особенностей рабочего процесса стабилизаторов пламени в
различных условиях;
4) Разработка новых схем ФУ и проведение для них предварительных
расчетных исследований;
5) Разработка предложений по практическому применению
полученных результатов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования выступают
процессы горения и массообмена в циркуляционной зоне за стабилизаторами
пламени. Предмет исследования – методика численного моделирования
течения за фронтовым устройством и распределения концентрации
трассирующего газа при различных способах его подвода.
Научная новизна:
1. Разработана методика численного определения времени пребывания
газа в циркуляционных зонах за стабилизаторами пламени.
2. Получена аппроксимационная зависимость, определяющая параметр
форсирования циркуляционной зоны стабилизатора пламени через
время пребывания газа.
3. Проведен анализ времени пребывания, как характеристики
устойчивости горения за стабилизатором пламени, для различных
видов стабилизаторов пламени.
4. Разработана методика определения срывных характеристик
стабилизаторов пламени, основанная на определении времени
пребывания газа в циркуляционных зонах за ними.
Теоретическая и практическая значимость работы: теоретическая
значимость работы заключается в разработке методики численного
определения времени пребывания газа в циркуляционной зоне для оценки
срывных характеристик различных стабилизаторов пламени.
Полученные результаты работы позволяют проводить оценку
стабилизирующих свойств различных устройств на этапе проектирования,
что является практической значимостью проведенного исследования.
Методы исследования:
– Методы моделирования турбулентных течений в каналах с телами
плохообтекаемой формы.
– Методы расчета срывных характеристик гомогенного реактора.
– Численное моделирование подачи трассирующего газа.
В качестве инструментов использовался программный комплекс
«Ansys».
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета времени пребывания в циркуляционных зонах,
путем численного моделирования подачи трассирующего газа.
2. Методика определения срывных характеристик стабилизаторов
пламени на основе расчетов времен пребывания в циркуляционных
зонах за ними.
3. Результаты обобщения расчетно-экспериментальных исследований
по определению характеристик срыва стабилизаторов различных
форм.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
− использованием сертифицированного коммерческого
программного комплекса Ansys (США);
− результаты исследования не противоречат теоретическим
положениям и согласуются с результатами экспериментальных
данных, опубликованных в технической литературе.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы
докладывались: на X Международной научно-технической конференции
«Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (Самара,
2017); Международной научно-технической конференции «Проблемы и
перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2018); XLIII
Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения»
(Москва, 2017); XLIV Международной молодежной научной конференции
«Гагаринские чтения» (Москва, 2018); Всероссийской научно-технической
конференции молодых ученых и специалистов «Авиационные двигатели и
силовые установки» (Москва, 2019).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них в
рецензируемых научных изданиях опубликовано 2 работы, получено 3
патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения и списка литературы из наименований. Основной текст содержит
111 страниц, 46 иллюстрации и 8 таблиц.
Автор выражает огромную благодарность за неоценимую помощь в
написании работы кандидату технических наук И.И. Онищику, под чьим
руководством фактически она была написана.
Автор также приносит искреннюю благодарность заведующему
кафедрой 201 МАИ, доктору технических наук А.Б. Агульнику за помощь,
оказанную им при оформлении работы.
Кроме того, автор благодарит коллективы ОКБ им. А. Люльки и
кафедры 201 МАИ за помощь в проведении и подготовке диссертационной
работы.
1. Впервые разработана методика определения времени пребывания в
циркуляционных зонах за плохообтекаемыми телами, путем
численного моделирования подвода трассирующего газа.
Результаты расчета по данной методике удовлетворительно
согласуются с экспериментальными данными, имеющимися в
технической литературе.
2. Исследовано влияние параметров набегающего потока и
характеристик стабилизатора на время пребывания в
циркуляционных зонах, рассчитанное по предложенной методике.
Полученные результаты не противоречат данным приведенным в
технической литературе.
3. Разработана методика определения границ устойчивой работы
стабилизаторов пламени, основанная на определении времени
пребывания газа в циркуляционной зоне, которая позволяет в
первом приближении проводить оценку срывных характеристик
различных стабилизирующих устройств
4. Проведен расчет срывных и гидравлических характеристик
различных стабилизаторов форсажной камеры сгорания с помощью
разработанных методик. Показана их работоспособность и
применимость к различным конструкциям стабилизаторов.
5. Расчетным образом доказано, что обеспечение в циркуляционной
зоне за стабилизаторами коэффициента избытка воздуха = 1
способствует улучшению срывных характеристик камеры сгорания,
что позволяет при проектировании уменьшить размер
стабилизаторов и снизить потери полного давления в камере.
6. Результаты работы приняты в ОКБ им. А. Люльки для дальнейшей
проработки в задачах создания форсажной камеры перспективного
турбореактивного двигателя.
1. Пат. 2472027С1 Российская Федерация, МПК F02K3/10. Фронтовое
устройствофорсажнойкамерысостабилизаторомпламени
изменяемой геометрии / Кишалов А.Е., Мыльников В.С.; заявитель
и патентообладатель Уфимский государственный авиационный
техническийуниверситет(RU).–№2011128931/06;заявл.
12.07.2011; опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1.
2. Булавкин А. А., Дудкин В.Т., Застела Ю.К., Костерин В.А. //
Испытания авиационных двигателей: Мужвузовский сборник – Уфа:
УГАТУ, 1972г, – т.2 (163 с.).
3. Пат. 2403422C1 Российская Федерация, МПК F02K3/10, F23R3/18.
Устройство и способ (варианты) для стабилизации пламени в
форсажной камере турбореактивного двигателя / Кишалов А.Е.;
заявительипатентообладательУфимскийгосударственный
авиационный технический университет (RU). – № 2009107419/06;
заявл. 02.03.2009; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31.
4. Пат.2682220РоссийскаяФедерация,МПКF23R3,F02K3.
Форсажная камера сгорания турбореактивного двухконтурного
двигателя / Климов К.А., Онищик И.И., Федоров С.А., Ярмаш А.Д.;
заявитель и патентообладатель ПАО ОДК – УМПО (RU). – №
2018107506; заявл. 01.03.2018; опубл.15.03.2019, Бюл. № 8.
5. Агульник А.Б., Нелюбин В.Р., Онищик И.И., Павлов А.С., Ярмаш
А.Д.Использованиеметодовчисленногомоделирования
турбулентных течений при разработке форсажных камер сгорания
газотурбинного двигателя // Насосы. Турбины. Системы. 2018. № 1
(26). С. 66-76.
6. ЯрмашА.Д.,ОнищикИ.И.Расчетныйанализпараметров
поперечной струи, распространяющейся в сносящем потоке //
Гагаринские чтения – 2016: XLII Международная молодежная
научная конференция: Сборник тезисов докладов. Том 3: М.:
Московскийавиационныйинститут(национальный
исследовательский университет), 2017, – С. 662-663.
7. ЯрмашА.Д.,ОнищикИ.И.Расчетныйанализтеченияв
циркуляционных зонах // Гагаринские чтения – 2017: XLIII
Международнаямолодежнаянаучнаяконференция:Сборник
тезисовдокладов:М.;Московскийавиационныйинститут
(национальный исследовательский университет), 2017, – С. 558-559.
8. Ярмаш А.Д., Онищик И.И. Особенности течений в циркуляционных
зонах при дополнительном вдуве струй // Процессы горения,
теплообмена и экология тепловых двигателей: сб. труд. Х
Международной научно-технической конференции. – Самара:
Издательство Самарского университета, 2017, – С. 79-81.
9. ЯрмашА.Д.,ОнищикИ.И.Исследованиемассообменав
циркуляционныхзонахпутемчисленногомоделирования.//
Сборник тезисов докладов к всероссийской научно-технической
конференции молодых ученых и специалистов «Авиационные
двигатели и силовые установки». М.: ФГУП «ЦИАМ им. П.И.
Баранова», 2019. – С.154-155.
10. Агульник А.Б., Онищик И.И., Ярмаш А.Д. Процесс смешения и
неравномерность поля температур газа на выходе из камеры
сгорания ГТД // Насосы. Турбины. Системы. 2017. № 2 (23). С. 30-
38.
11. Вильямс Г. К вопросу о стабилизации пламени // ВРТ. 1951. т. №2.
61-74.
12. Хитрин Л.Н., Гольденберг С.А. К вопросу о зажигании газовой
смеси и критических характеристиках // Исследование процессов
горения. М.: Изд-во АН СССР. 1958. С. 28-33.
13. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Изд. Наука, 1965, 740 с.
14. Ченг, Ковитц. Теория стабилизации пламени плохообтекаемым
телом // Вопросы зажигания и стабилизация пламени. М.: Изд-во
иностр. лит. 1963. С. 170-193.
15.Солохин Э.Л. Исследование распространения и стабилизация
пламени за корытообразным стабилизатором. // Стабилизация
пламени и развитие процесса сгорания в турбулентном потоке. 1961.
С. 48-74.
16. Zukoski E., Marble F. Experiments Concerning the Mechanism of Flame
Blowoff from Bluff Bodies. // Proc. Gas Dynamics Symposium on
Aerothermochemestry, Northwestern University, 1956, – стр. 205-210.
17. Дунский В.Ф. Исследование стабилизации пламени в следе за
плохообтекаемым телом // Труды ЦИАМ. 1951. №208. 35 с.
18. Бовина Т.А. Исследование обмена между зоной рециркуляции за
стабилизатором ивнешним потоком инекоторыевопросы
стабилизации пламени. // Горение при пониженных давлениях и
некоторые вопросы стабилизации пламени в однофазных и
двухфазных системах. 1960. С. 58-70.
19. Mullins B.A. A Spontaneous Ignition Theory of Combustion Intensity
and Combustion Stability Behind a Baffle. // Combustion Researches and
Reviews, Butterworth. 1955. С. 87-106.
20. De Zubay E. Characteristics of disc-controlled flame. // AeroDigest.
1950. №1. С. 54-56.
21. Костерин В.А. и др. Обобщение экспериментальных данных по
пределам стабилизации пламени на струях // Авиационная техника,
1960. №3. С. 59-66.
22. Бортников М.Т. Стабилизация процесса горения в камерах сгорания
// Труды ЦИАМ. 1974. №613. С. 62.
23. Лебедев Б.П. Автореферат докторской диссертации. 1962.
24. Wright F.H., Becker J.L. Combustion in the mixing zone between two
parallel streams // Jet Propulsion. 1956. vol. 26, №11. С. 973-978.
25.Лонгвелл Д., Фрост Э., Вейсс М. Стабилизация пламени в
рециркуляционной зоне плохообтекаемым телом // ВРТ. 1954. №4.,
С. 61-70.
26. Щетинков Е.С. О физической модели стабилизации пламени на
плохообтекаемых телах // Теория и практика сжигания газа. 1968.
вып. 4. С. 95-105.
27.Вейсс, Рорер, Лонгвелл. О влиянии реакционной способности
топлива и тепловых потерь на стабилизацию пламени // ВРТ. 1963.
С. 244-265.
28. Longwell J.P., Weiss M.A. High temperature reaction rates in
hydrocarbon combustion. // Ind. and Endnd. Chem. 1955. vol. 50, №2.
С. 157.
29. Онищик И.И. К расчету процесса горения в реакторе полного
смешения // Авиационная техника. 1978. №3. С. 29-33.
30. Агульник А.Б., Онищик И.И., Хтай Т.М. Полуэмпирические модели
полнотных и срывных характеристик камеры сгорания ГТД //
Вестник Московского авиационного института. 2009. Т.26, №6, с.
74-81.
31. Herbert M.V. A theoretical analysis of reaction rate controlled systems //
Part II Eighth Symposium (International) on Combustion Baltimore,
Williams & Wilkins Company, 1962, 970-982 с.
32. Winterfeld G. Untersuchungen über den Massenaustausch hinter
Flammenhaltern // Zeitschrift für Flugwissenschaften. 1960. 8. C. 219-
225.
33. Cheng L, Spencer A. Residence time measurement of an isothermal
combustor flow field // 15th Int Symp on Applications of Laser
Techniques to Fluid Mechanics. (Lisbon, Portugal, 05-08 July), 2010.
(11 с.).
34. Иншаков С.И., Кудрявцева Е.Д., Кормильцев М.Н. Исследование
отекания профиля прямого крыла теневым фоновым методом при
испытаниях в трансзвуковой аэродинамической трубе // Оптические
методы исследования потоков: Труды XV Международной научно-
технической конференции. (Москва, 24-28 июня 2019). – М.: Изд-во
Перо, 2019, С. 129-136.
35. ЗнаменскаяИ.А.,РинкевичюсБ.С.Современныеметоды
исследования потоков. М.: Изд-во «Оверлей», 2011. 360 с.
36.Раушенбах Б.В. Белый С.А. Беспалов И.В. Бородачев В.Я.,
Волынский М.С., Прудников А.Г. Физические основы рабочего
процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.:
Изд-во. «Машиностроение», 1964. 525 с.
37. Горбатко А.А. Расчетное и экспериментальное исследование
стабилизации пламени однородной водородно-воздушной смеси
плохообтекаемым телом // Труды ЦИАМ, 1973. №575. 47 с.
38. Абрамович Г.Н. и др. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984.
720 с.
39. Чжен П. Отрывные течения. Т. 2. М.: Мир 1973. 335 с.
40. Биркгоф Г., Сарантанелло Э. Струи, следы, каверны. М.: Мир, 1964.
466 с.
41.Quick A. Ein Verfahren zur Untersuchung des Austauschvorganges in
verwirbelten Stromungen hinter Korper mit abgeloster Stromung //
Westdeutscher Verlag, 1956. 78 с.
42. Winterfeld G. Zs. Flugwissenschaft 10, 1962. с. 168-180.
43. Юн А.А. Исследование течений и прочностной анализ. М.:
ЛЕНАНД, 2014. 432с.
44. Ansys Inc. http://www.ansys.com.
45. Бортников М.Т. Стабилизация процесса горения в камерах сгорания
// Труды ЦИАМ. №613, 1974.
46. Лебедев Б.П., Доктор И.Ю. О стабилизации пламени неоднородных
смесей Горение и взрыв // материалы III Всесоюзного симпозиума
по горению и взрыву. – М.: Изд-во Наука, 1972, – стр. 361-364.
47. ЛебедевБ.П.Аэродинамическаястабилизацияпламенив
форсажных камерах ТРДФ. Под ред. Лебедева Б.П. // Труды ЦИАМ.
№781. 1977. 245 с.
48. Семенов В.Г., Талантов А.В., Дятлов И.Н., Мингазов Б.Г.
Исследование механизма стабилизации пламени на встречных
закрученных струях двухфазной смеси // Труды КАИ. 1974. вып.
167. С. 66-76.
49. Мингазов Б.Г., Талантов А.В., Щукин В.А., Дятлов И.Н., Ичанкин
Г.С. Исследование стабилизации пламени на струях двухфазной
горючей смеси // Известия Вузов. 1975. №3. С. 78-82.
50. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels
and Emissions. CRS Press. 2010. 538 с.
51. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных
камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. 306с.
52.Пат. 2712532 Российская Федерация, МПК F23R3, G01N30. Датчик
ионизационный сигнализатора пламени / Гусев П.Н., Куприянов
Н.Д., Лефёров А.А., Ярмаш А.Д.; заявитель и патентообладатель
ПАО ОДК – УМПО (RU). – № 2019111952; заявл. 19.04.2019; опубл.
29.01.2020, Бюл. № 4.
53. Пат.2680024РоссийскаяФедерация,МПКF23N.Способ
определениятехническогосостояниядатчиковпламени
ионизационных / Зубко А. И., Зубко И. О., Герман Г. К., Ярмаш А.
Д.; заявитель и патентообладатель ПАО ОДК – УМПО (RU). – №
2018109393; заявл. 16.03.2018; опубл.14.02.2019, Бюл. № 5.
54. Кудрявцев А.В., Медведев В.В. Форсажные камеры и камеры
сгорания ПВРД. Инженерные методики расчета характеристик. М.:
ЦИАМ, 2013. 113 с.
55. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика // ГТИ, 1953
56. КовнерД.С.,ОнищикИ.И.,ХристофоровИ.Л.Расчети
проектирование камер сгорания ВРД в САПР. Учебное пособие.
Изд-во МАИ, 1989. 51 с.
57. Лимонад Ю.Г. О влиянии сжимаемости воздуха на потери в
дозвуковых диффузорах // Труды ЦАГИ. МАП СССР. 1951.
58. Резник В.Е., Загвоздкин В.А. Экспериментальное исследование
потерь давления при обтекании решетки стабилизаторов пламени.
Техн. бюллетень ЦИАМ, №2, 1968.
Читать «Методика оценки характеристик стабилизирующих устройств форсажных камер сгорания турбореактивных двигателей»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (5 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
4.9 (66 отзывов)
