Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение исследований и разработка способов и технологий повышения эффективности распыла жидкого топлива и горения топливно-воздушных смесей в авиационных двигателях

Докладчик: Нагорный Владимир Стапанович

Должность: профессор, профессор

Цель проекта:
1 Цели выполнения ПНИ Исследование и разработка эффективных методов создания узлов распыла топлива (форсуночных модулей) авиационных двигателей выбором их рациональных конструктивных параметров и использованием соответствующим образом организованных электрических полей, обладающих повышенными качественными показателями распыла топлива по сравнению с существующими конструкциями, и обеспечивающих улучшение процессов каплеобразования топлива, смесеобразования и горения топливно-воздушной смеси. Изготовление и лабораторные испытания экспериментальных образцов форсуночных модулей авиационных двигателей, использующих рациональные конструктивные параметры и электрические поля в цепях подачи топлива и/или в самой форсунке. ----------------------- Под форсуночным модулем следует понимать собственно форсунку и электрическое устройство воздействия на топливо (ЭУВТ)

Основные планируемые результаты проекта:
2 Перечень научных и научно-технических результатов, подлежащих получению при выполнении ПНИ
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
2.1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, технических требований к топливным форсункам авиационных двигателей, а также другие материалы, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований, выбора принципов построения форсуночных модулей, методов и средств проведения исследований;
в) результаты теоретического анализа (в том числе и численного моделирования) процессов распыла топлива и экспериментальных исследований параметров каплеобразования на выходе форсунки (форсуночных модулей) и параметров горения топливно-воздушной смеси на выходе камеры сгорания;
г) вновь разработанные методы повышения эффективности распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси;
г) технико-экономическую оценку результатов ПНИ;
д) рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках;
е) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
2.2 Отчет о патентных исследованиях.
2.3 Принципы построения электрических устройств воздействия на топливо (ЭУВТ) для использования в составе форсуночных модулей.
2.4 Методики экспериментальных исследований конструкций ЭУВТ, предназначенных для работы в составе форсуночных модулей.
2.5 Экспериментальные образцы (действующие макеты) форсуночных модулей,
2.6 Программа и методики испытаний экспериментальных образцов форсуночных модулей.
2.7 Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка эффективных форсуночных модулей с электрическими устройствами воздействия на топливо для авиационных двигателей».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Требования по назначению и к техническим характеристикам научно-технических результатов
3.1.1 Разработанные в ходе выполнения ПНИ форсуночные модули должны предназначаться для авиационных двигателей типа ПД-14 или типа ПС-90А .
3.1.2 Разрабатываемые форсуночные модули должны быть более эффективны при их использовании в работе совместно с камерами сгорания по сравнению с известными решениями. Они должны иметь более высокие характеристики по процессам распылы топлива (средний Заутеровский диаметр капель топлива должен быть не более 35 микрон), допускающие их использование в камерах сгорания с давлением воздуха от 1 до 34 атм при температуре воздуха до 600 0С при перепаде давлений на стенках жаровой трубы порядка 3 %. Перепад давлений по топливу на форсунке должен быть не более 25 атм.
3.1.3 При численном моделировании рассматриваемых процессов должна решаться модельная задача, в рамках которой должно изучаться влияние на базовые характеристики процессов распыла топлива, смесеобразования и горения топливно-воздушной смеси конструктивных, гидро – и газодинамических, электрофизических и физико-механических особенностей методов распыла топлива, смесеобразования и горения топливно-воздушной смеси, характерных для авиационных двигателей. Учёт движения жидкой фазы в численных расчётах должен быть проведен в эйлеровой или лагранжевой постановке. Трёхмерные численное моделирование работы форсунок выполнить на характерных экспериментально исследованных режимах.
3.1.4 Экспериментальные исследования экспериментальных образцов форсунок и форсуночных модулей должны быть направлены на определение расходных характеристик, распределение топлива в сечении факела капель топлива, средний диаметр капель топлива для всего факела, распределения капель топлива по диаметрам и по скоростям, распределения скорости воздуха, концентрации различных химических компонентов на выходе камеры сгорания с разработанными экспериментальными образцами форсунок и форсуночных модулей, других параметров горения топливно-воздушной смеси.
3.1.5 При проведении экспериментальных исследований и исследовательских испытаний экспериментальных образцов форсунок и форсуночных модулей должны быть использованы современное методы исследования и высокоточное компьютеризированное лазерно-оптическое измерительное оборудование, например, такое как 3D-LDA ЛАД-056С; 3D-LDA-PDA Dantec, (изготовитель – фирма Dantec Dynamics, Дания);- 2D-PIV Dantec, (изготовитель – фирма Dantec Dynamics, Дания);- PLIF-измерительный комплекс, (изготовитель – фирма LaVision, Германия).
3.1.6 В состав экспериментального образца форсуночного модуля должны входить топливная форсунка и ЭУВТ с выходной мощностью не более 10 Вт.
3.1.7 При экспериментальных исследованиях экспериментальных образцов форсунок и форсуночных модулей на лазерно-оптическом измерительном оборудовании:
- при измерении эпюры распределения топлива в сечении факела использовать плоский 35-канальный сборник жидкого топлива, каждый канал которого должен быть подсоединен через капельницу к своему мерному цилиндру;
- при измерении среднего диаметра капель топлива использовать интегральный лазерно-оптический метод малоуглового дифракционного рассеяния света (на ансамбле капель) с просвечиванием факела распыла вдоль диаметра выбранного поперечного сечения цилиндрическим пучком лазерного излучения диаметром 10 - 15 мм;
- при измерении распределения капель по диаметрам и по скоростям в выбранной точке факела использовать метод фазо-доплеровского анемометра (PDA) в автоматическом режиме с записью всех измеренных величин скорости в память компьютера и с визуализацией результатов в ходе эксперимента;
- при измерении трех составляющих вектора скорости воздушного потока использовать метод 3D-LDA;
- при измерении химического состава продуктов сгорания на выходе камеры сгорания с экспериментальными образцами форсунок и форсуночных модулей необходимо измерять O2 , CO, CO2, NO, NO2, H2, CH4, C2H2, C2H4, C3H8, OH, N2, SO2.

Текущие результаты проекта:
4.1 Работы (мероприятия), выполненные (выполняемые) за счет бюджетных средств
Проведены патентные исследования по способам повышения эффективности сгорания углеводородного топлива в двигателях с использованием электрических полей.
Проведён аналитический обзор современной научно-технической литературы по способам реализации и численным методам расчёта распыла топлива в пневматических форсунках авиадвигателей. Проведено теоретическое исследование различных существующих методов и подходов к численному моделированию задач гидродинамики применительно к взаимодействию многофазной жидкости и газа, распылу жидкой струи в потоке газа и каплеобразованию. Изучены мировые достижения, представленные в литературе по тематике распыла жидкой среды в потоке газа, установлены наиболее рациональные способы и методы моделирования, а также определены инструменты необходимые для дальнейшего решения модельных задач. Определен список тестовых и модельных задач для верификации разрабатываемых численных моделей распыла топлива.
Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений использования электрического поля для повышения эффективности сгорания топлива в авиационных двигателях.
В рамках разработки, выбора и обоснования вариантов возможных численных решений задачи распыла топлива форсункой, проведено теоретическое исследование различных существующих методов и подходов к численному моделированию задач гидродинамики применительно к взаимодействию многофазной жидкости и газа, распылу жидкой струи в потоке газа и каплеобразованию.

4.2 Работы (мероприятия), выполненные (выполняемые) за счет внебюджетных средств:
- построены геометрические модели конструктивных вариантов прототипа экспериментальной форсунки;
- подготовлены сеточные модели конструктивных вариантов прототипа экспериментальной форсунки для выполнения газодинамических расчетов
- выполнена серия газодинамических расчетов конструктивных вариантов прототипа экспериментальной форсунки.
- предложен критерий оценки окружной неравномерности пленкообразующего пристеночного потока воздуха. Выбрана конструкция для расчета двухфазного течения
- выполнен расчет двухфазного течения в прототипе экспериментальной форсунки с моделированием конуса факела распыла.
- подготовлена конструкторская документация на изготовление прототипа экспериментальной форсунки -50%
- выпущен заказ на изготовление прототипа экспериментальной форсунки
-изготовление прототипов экспериментальных форсунок - 60%.
При помощи современных средств проектирования разработаны пространственные геометрические модели прототипа экспериментальной форсунки и ее модификаций, путем изменения геометрических параметров. Разработаны уточненные расчетные компьютерные 3D модели с применением альтернативных численных подходов к решению задачи. Разработана серия упрощенных расчетных моделей для выполнения тестовых расчетов распыления жидкого топлива в воздушное пространство. Проведена серия расчетов по анализу оптимального выбора расчетной модели на основе решения тестовой задачи.

Получены основные результаты

На основании результатов патентного анализа поданы две заявки на выдачу патентов РФ на способы повышения эффективности сгорания топливно-воздушной смеси в авиационных двигателях.
Выработан критерий оценки окружной неравномерности пленкообразующего пристеночного потока воздуха.
На основе газодинамических расчетов предложена конструкция прототипа экспериментальной форсунки.
С помощью расчета двухфазного течения в форсунке определены параметры конуса факела распыла.
Получена серия геометрических пространственных моделей и расчетной компьютерной модели прототипа экспериментальной форсунки.
На основе решения упрощенных тестовых моделей определены необходимые параметры расчетные сетки и расчетной области моделирования. Выбрана наиболее рациональная модель турбулентности и алгоритм моделирования межфазного взаимодействия топлива
и воздуха. Установлено, что для моделирования распыла топлива в пневматической форсунке необходимо решение системы нестационарных дифференциальных уравнений Навье-Стокса в совокупности с нестационарной моделью турбулентности крупных вихрей (LES) или аналогов. Для моделирования межфазного взаимодействия и процесса разрушения жидких пленок потоком воздуха наиболее точным является использование метода объема жидкости (VOF) с использованием расчетной сетки большой размерности для явного разрешения границ при каплеобразовании. Выбраны пакеты численного моделирования наиболее четко удовлетворяющие заявленным требованиям моделирования. Определен список тестовых и модельных задач для верификации разрабатываемых численных моделей.
По результатам исследований:
- опубликована 1 статья в журнале реферируемом в базе Scopus;
- сделано 4 доклада на Международных симпозиумах, форумах и конференциях в России и Японии.
Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и позволяют перейти к следующему этапу работы - испытаниям прототипа экспериментальной форсунки и наметить пути дальнейшей оптимизации конструкции.