Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0033

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0033
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева"
Название доклада
Моделирование элементов рабочего процесса в камерах сгорания ГТД на основе двухкомпонентного суррогата керосина
Докладчик
Чечет Иван Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Одним из основных источников загрязнения окружающей среды являются транспортные системы, в частности, авиационные газотурбинные двигатели (ГТД).
Камера сгорания (КС) является основным узлом газотурбинного двигателя, определяющим его экологические характеристики. В настоящее время проблемы экологичности ГТД, в основном, решаются за счёт применения полуэмпирических методик и экспериментальной доводки опытных образцов. Такой подход отличается повышенной трудоемкостью и низкой информативностью внутрикамерных процессов, что не позволяет обеспечить выполнение перспективных норм ICAO. Современные методы проектирования и доводки КС ГТД должны использовать CFD расчеты на основе совместного решения нестационарных уравнений газовой динамики и детальной химической кинетики. Решение этой проблемы видится в применении комбинированных методов, заключающихся в достаточно точном решении каждой подзадачи в отдельности и объединении их в единый алгоритм. При этом моделирование химической кинетики невозможно без использования детальных и редуцированных реакционных механизмов, для формирования которых необходимо знать точный состав исходного топлива.
Цель: Выбор и обоснование суррогатов авиационного керосина на основе смеси индивидуальных углеводородных компонентов.
Задачи: проведение аналитического обзора литературы и патентных исследований, выбор и обоснование суррогатов керосина на основе смеси индивидуальных углеводородных компонентов, проектирование модели камеры сгорания авиационного ГТД для проведения исследований характеристик горения с использованием лазерно-оптических методов диагностики структуры потока.
Актуальность и новизна исследования
Основным топливом ГТД является авиационный керосин, состоящий из десятков индивидуальных углеводородных компонентов. Кроме того, его состав может изменяться в зависимости от месторождения сырья и производителя топлива. Поэтому для численного моделирования необходимо иметь смесь известного состава, состоящую из ограниченного количества химических компонентов и воспроизводящую основные свойства реального топлива. Такие смеси называют суррогатами.
Состав конкретного суррогата зависит от необходимых к учету параметров. В некоторых случаях допустимо использования однокомпонентного суррогата. В качестве суррогатов бензина, дизельного топлива и керосина чаще всего используют двух и трех компонентные смеси.
Горение керосина крайне трудно описать кинетическим механизмом при численном моделировании. Составленный суррогат керосина обязан удовлетворять его физическим и химическим свойствам, которые должны быть воспроизведены детальным кинетическим механизмом горения топлива и быть учтены при 3D CFD моделировании. Использование детальных кинетических механизмов при трехмерном моделировании является актуальным. Новизной работы является выбор компонентов суррогата керосина и доводка состава его смеси на предмет совпадения скорости пламени авиационного керосина и его суррогата.
Описание исследования

В ходе выполнения работ проанализировано более 50 научных статей по тематике исследования и выявлено, что керосин, состоящий из десятков различных углеводородов, состав которого может существенно меняться, должен быть представлен смесью, которая бы хорошо воспроизводила свойства реального топлива и при этом была бы достаточно простой.

В качестве начального суррогата керосина использовались н-декан, бензол и их смеси. Исследования по определению нормальной скорости распространения пламени при сжигании данных углеводородов проводились на экспериментальной установке с использованием метода "Heat Flux".

Исходя из статистических данных по малоразмерным камерам сгорания (КС) был создан эскиз отсека модельной камеры сгорания, включающей в себя как конструктивные элементы, так и элементы рабочего процесса, характерные для камер сгорания ГТД. С помощью программного пакета ANSYS Fluent была проведена доводка элементов конструкции КС.

 

 

Результаты исследования

Экспериментальным путем была измерена ламинарная скорость распространения пламени н-декана, бензола и их смеси, при атмосферном давлении и при начальных температурах газа 338 и 358 К. Использовался метод нулевого теплового потока, заключающийся в стабилизации нерастянутого пламени на перфорированной пластине горелки. Результаты эксперимента использовались для верификации существующих кинетических схем окисления керосина: JetSurF 2.0, и двух моделей для керосина, разработанных в Миланском университете: скелетная PoliMi (121 компонентов) и высокотемпературная PoliMi (версия 1412). Детальный механизм PoliMi (вер. 1412) показал хорошее согласие с экспериментами, в то время как результаты JetSurF 2.0 были значительно занижены по сравнению экспериментальными данными.

     Экспериментальным путем были получены концентрации продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания при сжигании авиационного керосина и выбранного суррогата. Проведено численное моделирование рабочего процесса в программном пакете ANSYS Fluent с использованием реакторных моделей при горении суррогата.

Сравнительный анализ результатов натурного и численного эксперимента на авиационном керосине и его суррогате показал необходимость доработки математической модели газодинамического течения с химическими реакциями и подхода к формированию реакторной модели. Для решения этих проблем, разработана модельная камера сгорания с возможностью детектирования лазерными методами внутрикамерных процессов. Это позволит дорабатывать компонентный состав суррогата,  верифицировать по внутрикамерным измерениям математическую модель и разработать комбинированный метод расчета экологических характеристик камер сгорания ГТД с использованием реакторных моделей на основе детальной химической кинетики.

Практическая значимость исследования
Результаты исследования могут быть использованы для снижения временных затрат на проектирование перспективных низко-эмиссионных газотурбинных двигателей.