Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.577.21.0087

Руководитель: Нагорный Владимир Стапанович

Должность руководителя: профессор

Докладчик: Нагорный Владимир Степанович, профессор

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
углеводородное топливо, капля, топливно-воздушная смесь, горение, электрическое поле, конструкция

Цель проекта:
1. Реализация проекта направлена на решение проблемы создания высокоскоростных транспортных средств путём улучшения качества распыла топлива и сгорания топливно-воздушной смеси. Реализация проекта позволит более эффективно управлять (в том числе от микроЭВМ) дисперсностью топлив, процессами образования топливно-воздушных смесей, воспламенения и горения топливно-воздушных смесей. 2. 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.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1 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) описание разработанных методов повышения эффективности распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси;
г) принципы построения электрических устройств воздействия на топливо (ЭУВТ) для использования в составе форсуночных модулей;
д) методику экспериментальных исследований конструкций ЭУВТ, предназначенных для работы в составе форсуночных модулей;
е) результаты теоретических и экспериментальных исследований ЭУВТ, предназначенных для работы в составе форсуночных модулей;
к) результаты CFD-расчётов прототипа и экспериментального образца форсунки;
л) описание пространственных геометрических и уточненных расчетных компьютерных 3D моделей распыливания топлива в прототипе и образцах экспериментальной форсунки для различных вариантов их конструктивного исполнения;
м) результаты численного моделирования в стационарной и нестационарной постановке процессов воздействия электрических полей на топливо, распыла топлива в разрабатываемых форсуночных модулях с использованием современных вычислительных сред;
н) сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментов;
о) анализ влияния изменения геометрических параметров прототипа и экспериментального образца форсунки и физико-механических характеристик топливно-воздушной смеси на процессы распыления топлива и смесеобразования;
п) расчеты температурных полей и термонапряженного состояния доработанного экспериментального образца форсунки;
р) расчеты прочности разработанного экспериментального образца форсунки для различных режимов работы;
с) предложения по совершенствованию экспериментального образца форсунки для работы в составе форсуночного модуля;
т) технико-экономическую оценку результатов ПНИ;
у) рекомендации и предложения по использованию разработанных методов повышения эффективности распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси в производственном процессе Индустриального партнера с учетом его производственных возможностей;
ф) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
1.2. Отчет о патентных исследованиях.
1.3. Конструкторская документация (комплект чертежей) на прототип и экспериментальный образец форсунки для работы в составе форсуночных модулей.
1.4. Прототип и экспериментальные образцы форсунок.
1.5. Экспериментальные образцы (действующие макеты) форсуночных модулей.
1.6. Программа и методики испытаний экспериментальных образцов форсуночных модулей.
1.7. Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка эффективных форсуночных модулей с электрическими устройствами воздействия на топливо для авиационных двигателей».

2. Основные характеристики планируемых результатов:
2.1 Разработанные конструкции форсуночных модулей должны обеспечить лучшие качества распыла топлива по сравнению с существующими конструкциями (средний Заутеровский диаметр капель топлива должен быть не более 35 микрон).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Ожидается, что разрабатываемые форсуночные модули будут более эффективны с позиций энергетических и экологических показателей при работе совместно с камерами сгорания по сравнению с известными решениями. Они будут обладать более высокими характеристиками процесса распыла топлива (средний Заутеровский диаметр капель топлива не более 35 микрон), допускать их использование в камерах сгорания с давлением воздуха от 1 до 34 атм при изменении температуры воздуха до 600 0С при перепаде давлений на стенках жаровой трубы порядка 3 %. Перепад давлений по топливу на форсунке - не более 25 атм.
Все полученные научные и технические результаты при выполнении данного проекта отличаются, как правило, мировой новизной, поскольку они получены будут впервые применительно к авиационным двигателям, работающим на керосине.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения полученных результатов ПНИ: в различных типах двигателей используемых в транспортных, авиационных и космических системах.
Перспективы практического внедрения результатов ПНИ: в авиационных двигателях типа ПД-14, или/и типа ПС-90А.
На базе полученных результатов ПНИ могут быть улучшены энергетические и экологические показатели работы авиадвигателей.
Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
Полученные результаты ПНИ предполагается использовать в производственном процессе Индустриального партнера при разработке форсуночных модулей, предназначенных для авиационных двигателей типа ПД-14 или/и типа ПС-90А. Они также могут быть использованы в различных типах авиационных двигателей и в наземных силовых установках на базе этих двигателей, отличающихся меньшим количеством вредных выбросов в окружающую среду. Предполагаемые поставки только применительно к авиадвигателям типа ПД-14 или/и типа ПС-90А - 40 комплектов в год по 24 форсуночных модуля в каждом комплекте. Сроки окупаемости проекта применительно к Индустриальному партнеру – 5 лет.


Текущие результаты проекта:
Разработаны принципы построения узлов форсуночных модулей с улучшенными качественными показателями по сравнению с существующими конструкциями с использованием ЭУВТ и переменных однородных, резко неоднородных постоянных и переменных электрических полей. Рассмотрены физико-химические основы воздействия на топливо переменных электрических полей.

Проведены численные расчеты по оптимизации конструкции экспериментальной пневматической топливной форсунки, являющейся частью форсуночного модуля для различных рабочих жидкостей. Показано, что более равномерное распределение капель наблюдается при соотношении чисел Вебера потоков для струй топлива и воздуха близких к 6,6 при постоянном значении скорости топлива и при использовании керосина ТС-1.
Разработаны математические модели воздействия электрических полей ЭУВТ на потоки топлива на основе системы уравнений электрогидродинамики (ЭГД). Теоретически исследованы различные способы сообщения электрического заряда каплям топлива. Исследовано влияние электрического заряда капель топлива на вязкость и поверхностное натяжение. Впервые получена безразмерная формула зависимости поверхностного натяжения капли топлива от величины заряда, хорошо отображающая результаты экспериментов.

Разработана модель форсуночного модуля, в котором электродная часть ЭУВТ является конструктивным элементом топливной форсунки. Проведено численное моделирование закрученного турбулентного течения керосина ТС-1 и процессов распыла керосина в форсуночном модуле как без, так и с учётом ЭГД взаимодействия. Показано, что количество выносимого из форсунки заряда достигает около 80% инжектируемого с игольчатого электрода заряда. Даны рекомендации по оптимизации конструкции форсуночного модуля;

Предложены три конструктивных варианта образца экспериментальной форсунки (ОЭФ), проведены численные CFD-расчеты их работы на базе трехмерных геометрических моделей с увеличенным количеством тангенциальных топливных пазов, различными диаметрами сопла распылителя форсунки и расположениями внутреннего воздушного завихрителя. Определен оптимальный с точки зрения аэродинамики и равномерности распределения топлива вариант ОЭФ. Для данного варианта выпущен комплект конструкторской документации.

Изготовлены экспериментальные образцы форсунок как элемента форсуночных модулей, и проведены их экспериментальные испытания Разработана методика экспериментальных исследований ЭУВТ, изготовлены ЭОФ, разработана конструкция форсуночных модулей и проведены экспериментальные исследования форсуночных модулей с ЭУВТ на современных стендах СГАУ по влиянию электрических и конструктивных параметров ЭУВТ на процессы распыла и горения керосино-воздушных смесей.. Проведён сравнительный анализ теоретических экспериментальных результатов по исследованию ЭУВТ с целью подтверждения базовых положений теоретических моделей.
Полученные охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД)
1. Патент РФ № 2562505 «Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива». Авторы Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю , Марчуков Е.Ю., Пщелко Н.С. Заявитель ФЕАОУ ВО «СПбПУ;
2. Решение Роспатента о выдаче патента РФ по заявке № 2014139313/11
«Способ повышения эффективности сгорания топлива в двигателе
самолета». Авторы Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю. Заявитель ФЕАОУ
ВО «СПбПУ;
. 3. Заявка на выдачу патента РФ № 214149364 от 05.12.2014г «Способ
повышения эффективности распыла топлива» . Авторы Нагорный В.С.,
Колодяжный Д.Ю. Заявитель ФЕАОУ ВО «СПбПУ;

Статьи, опубликованные в 2015 г. в зарубежных и отечественных, индексированных в Scopus:

3. Nagorniy V. S., Smirnovsky A. A., Tchernysheff A. S. , Kolodyazhny D. Yu. Numerical simulation of the flow in the fuel injector in the sharply inhomogeneous electric field // Procedia Computer Science, volume 51, 2015. P. 1219-1228.
4. Нагорный В.С. Смирновский А.А., Чернышев А.С., Колодяжный Д.Ю. Перенос заряда в резко неоднородном электрическом поле закрученным потоком жидкости с минимальным гидравлическим сопротивлением // Письма в журнал технической физики, т. 41, вып. 17.2015. С. 94-102.
5. Колодяжный Д.Ю., Нагорный В.С. Экспериментальные исследования влияния электрического поля на параметры сгорания керосино-воздушной смеси // Известия ВУЗов. Авиационная техника, № 4, 2015.