Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0087

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0087
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Проведение исследований и разработка способов и технологий повышения эффективности распыла жидкого топлива и горения топливно-воздушных смесей в авиационных двигателях
Докладчик
Нагорный Владимир Степанович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
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.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

Разработана новая технология – Динамическое конструирование форсуночных модулей на основе методов численного моделирования сложных нестационарных трехмерных электрогидрогазодинамических и гидрогазодинамических процессов распыла топлива и горения топливно-воздушных смесей с использованием суперкомпьютерных вычислений (число ячеек расчетной сетки порядка 50 миллионов и выше) и верификации экспериментом. Основной критерий  численного моделирования процессов распыла и горения топлив в соответствии с разработанной стратегией - повышение точности и достоверности численных моделей.                                                                                                                       Реализация принципов динамического конструирования  обеспечивает патентоспособность и конкурентоспособность разрабатываемых форсуночных модулей на рынке с  целым рядом «ноу-хау» за счет оптимального выбора взаимосвязанных конструктивных, гидро(газо)динамических, электрогидро(газо)динамических и электрические параметров.

Получены патенты Российской Федерации:

  1. Патент № 2562505 (РФ). Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю., Марчуков Е.Ю., Фёдоров С.А., Пщелко Н.С. Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива. Заявитель: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Опубликовано: 10.09.2015 Бюл. № 25.
  2. Патент № 2571990 (РФ). Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю.  Способ повышения эффективности сгорания топлива в двигателе самолёта. Заявитель: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Опубликовано: 27.12.2015. Бюл. № 36.
  3. Патент № 2582376 (РФ). Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю. Способ повышения эффективности распыла топлива. Заявитель: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Опубликовано: 27.04.2016. Бюл. № 12.

Еще 3 заявки на выдачу патентов на разработанные конструкции форсуночных модулей находятся на рассмотрении в Роспатенте.

Результаты исследования

                                                                                                                                    

 Проведены численные расчеты по оптимизации конструкции экспериментальной пневматической топливной форсунки (ЭОФ), 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 ЭГД уравнений. Теоретически исследованы различные способы  сообщения электрического заряда каплям топлива. Впервые получена безразмерная формула зависимости поверхностного натяжения капли топлива от величины заряда, хорошо отображающая результаты экспериментов.    Разработана численная модель форсуночного модуля, в котором электродная часть ЭУВТ является конструктивным элементом топливной форсунки.   Показано, что  количество выносимого из форсунки заряда достигает около 80% инжектируемого с игольчатого электрода заряда.  Определен на основе численного моделирования  рациональный  вариант ЭОФ,  выпущен комплект конструкторской документации, изготовлен    и экспериментально исследован ЭОФ.  Разработана конструкция   и проведены экспериментальные исследования форсуночных модулей с ЭУВТ и ЭОФ на современных огневых стендах СГАУ. Экспериментально подтверждено, что выбором соответствующих комбинаций конструктивных и электрических параметров ЭУВТ (для керосина ТС-1) относительно базы: угол топливного факела увеличивается на 51º - 93 º;  средние по выходящему потоку газа неравномерности скорости газа уменьшаются на  30,25 %;  средние  диаметры капель  уменьшаются на 3,2 %;    неравномерность поля скорости капель  снижается в среднем на 2,1 %; на выходе газосборника КС  повышается средняя и максимальная температура газа соответственно на   4,09 % и 4,88 %,  снижается неравномерность поля  температур газа на  9,4%;  расширяется область устойчивой работы КС за счёт границы «бедного» срыва пламени на 15,6 %; средние по выходящему потоку газа неравномерности скорости газа   уменьшаются на   30,25 %. Численными CFD-расчётами показано, что трёхпазовая конструкция топливного распылителя имеет более равномерное окружное распределение топлива на выходе из топливного канала и, как следствие, обеспечит более равномерный его  распыл.  Для трехпазового варианта ЭОФМ разработана эскизная конструкторская документация.   Впервые в мировой практике разработана технология получения и обработки изоляционных  деталей ЭОФМ из корундоциркониевой керамики. Впервые в мире изготовлены ЭОФМ.     По результатам трехмерных численных  исследований выбраны (при трехканальном топливном распылителе) конструктивные параметры  наружного воздушного завихрителя, обеспечивающие  стабильность характеристик воздушного потока, обдувающего факел распыла керосина, и не попадание топлива на поверхность сопла этого завихрителя. Для данного варианта доработанного ЭОФ выпущен комплект конструкторской документации.  Выполнены трехмерные CFD-расчеты температурных полей и термонапряженного состояния доработанного ЭОФ, определены зоны повышенных напряжений и области возможного разрушения конструкции.  Подтверждены базовые положения теоретических моделей путем сравнительного анализа результатов экспериментов  и численных расчетов.

         

Практическая значимость исследования
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.