Автореферат (Метод подготовки равномерной смеси жидкого топлива с воздухом во фронтовом устройстве авиационной малоэмиссионной камеры сгорания)

Мпи| айав Билал $ алавтдпповмч, доктор ТЕХНИЧЕСКИХ НЙУК, ИРОфСЕСОР, фФДЕРЙЛЬИОС Гоеудйретаениое бюджетиоа Обрйзоаатсльное учрех~двние Льве~лето Обрйхованих кЬ.ЙЙЙИВкий ИЙПИОБЙЛЬНЬ$И ИСЕЛЕДОВЙТФЛЬЕКИН УНИЙСРИПФТ ИМ. А.И. Туполева-ЕАИЙ ~УНИТУ-КАИ). Йааедующий кафедрой Йаийпионнйх даикателей Йне~моустаноаок Ппралппщплп Шота Алжеандрввпч, доктор ТЕХНИЧЕЕКНХ ИЙУК, НРОфЕЕСОР„фЕДЕРЙЛЬНОС ~ Оеудйретааниое бкнокетное обрййоаательное учре®~~иие Выеи~".~О Обрййоваиил крыбинекий еоеулйретаенйый Ййиацйониый техничеекий униаереитет имени П. Л.

(. Олоаьйаал (РГАТУ), ЙЙВедующий кйфедроп Об1ВВЙ и техническОЙ физики ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Экологические характеристики самолетов и двигателей гражданской авиации являются важнейшими техническими параметрами и показателями, определяющими возможность использования на международных авиалиниях и конкурентоспособность авиационной техники.

Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) введены ограничения нормирующие шум и эмиссию вредных веществ от авиационных двигателей в виде тома П Приложении 1б к Конвенции о международной гражданской авиации. Основное внимание требований ИКАО уделяется снижению уровня эмиссии несгоревших углеводородов (НС), оксида углерода (СО), оксидов азота (ХОх), дымления (8Х). Впервые международный стандарт по эмиссии вредных веществ был принят в 1981 г., в период до 198б г. установились первоначальные международные нормы на эмиссию ХОх, СО, НС, и дыма.

Принципиальная позиция ИКАО в последующие годы заключалось в планомерном ужесточении норм на эмиссию ХОх. Так, например, утверждены прогнозные технологические уровни снижения эмиссии ХОх ниже норм 2008 г. на 45'.4 и 60',4 соответственно к 2020 и 2030 гг. В настоящее время процесс создания малоэмиссионной камеры сгорания для ГТД представляет собой сложную научно-технической задачу, связанную с большим объемом экспериментально затраченных усилий и фундаментальных исследований различных моделей распыла жидкого топлива, методов подготовки топливовоздушной смеси и процесса горения.

А при разработке и проектировании новых схем фронтовых устройств и камер сгорания в основном необходимо опираться на накопленный опыт работ А.Ю. Васильева, Б.Г. Мингазова и др. При этом важную роль в данной области являются исследования газодинамики турбулентных потоков и горения, которым посвящены работы Ш.А. Пиралишвили, Г.Н. Абрамовича, А.Н. Секундова, С.Ю. Крашенниникова, В.Р.

Кузнецова, В.А. Сабельникова, Я.Б. Зельдовича и др. Также, ключевым фактором является и разработка новых методов лазерно-оптического анализа и визуализации двухфазных потоков жидкостей и газа, исследования которым посвящены работы Б.С. Ринкевичюса, В.П. Маслова и др. В России на сегодняшний день отсутствует парк авиадвигателей, удовлетворяющий экологическим стандартам ИКАО, и обеспечивающий беспрепятственную эксплуатацию на международных авиалиниях. Однако для обеспечения конкурентоспособности двигателя на мировом рынке его соответствие применимым к нему экологическим нормам еще недостаточно. Применительно к авиационным двигателям опыт показывает, что первостепенное значение придается абсолютному достигнутому уровню эмиссии, т.е. запасу относительно действующих норм. Тем самым, внимание акцентируется на потенциальных возможностях двигателя противостоять на протяжении всего срока эксплуатации очередным ужесточения стандартов ИКАО и запрету на продолжение серийного производства данного двигателя.

При создании газотурбинного двигателя (ГТД) для гражданской авиации. и обеспечения высокого уровня заданных рабочих параметров, в частности снижения степени его вредного воздействия на окружающую среду, необходимо разрабатывать новые методы проектирования отдельных узлов на основе модельных экспериментов и фундаментальных исследований протекающих процессов. Основное внимание при этом уделяется разработке малоэмиссионной камеры сгорания (МКС) и технологиям, обеспечивающим сжигание тяжелых углеводородных топлив с предельно малой концентрацией вредных веществ в выхлопных газах.

Главный вклад в достижении требуемых рабочих характеристик камеры сгорания (КС) определяется качеством предварительно распыленного жидкого топлива, способом его смешения с воздухом и формированием устойчивого близкого к равномерному топливовоздушному факелу во фронтовой части камеры. Фронтовое устройство (ФУ) КС предназначено для выполнения процесса предварительной подготовки топливовоздушной смеси и его подачи в зону горения.

В состав фронтового устройства обычно входят различные типы распыливающих топливных форсунок и устройства для закрутки и стабилизации пламени. На сегодняшний день известны различные схемы и способы распыливания жидкого топлива, применяемые в КС современных двигателей. Одним из признанных методов получения равномерной топливовоздушной смеси за фронтовым устройством КС является пневматическое распыливание жидких топлив. Однако некоторые типы распыли вающих устройств изучены недостаточно хорошо и обладают серьезными недостатками или пределом эффективного применения в зависимости от режима работы ГТД. Таким образом, ужесточение международных стандартов на эмиссию вредных веществ, а также расширение применения жидких (в том числе альтернативных) топлив и концепций малоэмиссионных камер сгорания ГТД работающих на бедных смесях вызывает заинтересованность в разработке и исследовании новых методов пневматического распыливания, способов воздействия на жидкость, позволяющие получить характеристики аэрозоля близкие к равномерной смеси жидкого топлива с воздухом за фронтовым устройством КС и определяет актуальность данной работы.

Целью данной работы является разработка метода подготовки равномерной смеси жидкого (в том числе альтернативного) топлива с воздухом во фронтовом устройстве малоэмиссионной камеры сгорания ГТД. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: 1. Анализ существующих в мировой практике современных методов распыливания топлива, применяемые в малоэмиссионных КС ГТД и путей их дальнейшего улучшения.

2. Разработка классификации воздушных завихрителей по типу закрутки потока, используемые во фронтовых устройствах КС при проектировании устройств пнематического распыливания. 3. Экспериментальное исследование влияния физических свойств жидких (в том числе альтернативных) топлив, а также аэродинамических особенностей конструкции различных типов фронтовых устройств и режимных параметров, на процесс смесеобразования и распьшивания. 4. Расчетно-экспериментальное проектирование фронтового модуля КС с пневмораспылом и разработка метода подготовки равномерной смеси жидкого топлива с воздухом за горелкой. 5. Экспериментальное исследование характеристик аэрозоля за разработанным фронтовым модулем и апробация метода подготовки равномерной топливовоздушной смеси в огневых испьгганиях модельного трехгорелочного отсека КС при повышенном давлении среды на входе.

Методы исследования В представленной работе для решения поставленных задач использовались следующие современные расчетные и экспериментальные методы исследования характеристик распыливания: бесконтактный метод фазо-Доплеровской анемометрии, метод флуоресцентно-поляризационного отношения рассеянного света„и численные трехмерные расчеты аэродинамики путем решения итерационным методом уравнений Рейнольдса для сжимаемого газа с использованием 1-а модели турбулентности. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Разработана классификация устройств для закрутки потока воздуха и стабилизации пламени, формирующие равномерный скоростной поток воздуха на выходе из сопла для проектирования систем с пневматическим распыливанием жидких топлив. 2.

Впервые получены экспериментальные данные по влиянию физических свойств жидких (в том числе альтернативных) топлив на характеристики аэрозоля при различных способах распыливании. На их основе выведена зависимость влияния физических свойств жидких топлив на средний Заутеровский диаметр образующихся капель при пневматическом способе распьпа. 3. Разработан метод подготовки равномерной смеси жидкого (в том числе альтернативного) топлива с воздухом во фронтовом устройстве малоэмиссионной КС ГТД. 4.

Разработан и исследован новый фронтовой модуль КС с пневмораспылом и формированием равномерной смеси жидкого топлива с воздухом за выходным соплом горелки. 5. Получены экспериментальные данные трехгорелочного отсека КС, оснащенного разработанным фронтовым модулем, подтвердившие работоспособность метода подготовки равномерной смеси жидкого топлива с воздухом при повышенном давлении и обеспечив значимое снижение эмиссии ХОх при высокой эффективности сжигания топлива. Теоретическая и практическая значимость результатов работы Полученные результаты работы позволяют прогнозировать дисперсные характеристики аэрозоля при использовании различных видов жидких 1включая биотоплив) топлив, с пневматическим распыливанием во фронтовой части КС.

Разработан расчетно-экспериментальный метод проектирования устройств пневматического распыливания жидких топлив с высокой окружной равномерностью и монодисперсным составом предварительно подготовленной смеси жидкого топлива с воздухом, который использован при разработке новых типов фронтовых устройств авиационных малоэмиссионных камер сгорания. Разработан новый тип фронтового модуля камеры сгорания ГТД с пневмораспылом и метод подготовки равномерной смеси жидкого топлива с воздухом, подтвердившим работоспособность метода при высоких параметрах среды на входе, применительно к малозмиссионным КС ГТД.

Спроектированные устройства с пневматическим распьпиванием жидких топлив реализованы в ряде патентов РФ и могут быть использованы при создании перспективных схем малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей для гражданской авиации. Результаты работы нашли применение в Московском авиационном институте 1национальный исследовательский университет) на кафедре «Технология проектирования и производства двигателей летательных аппаратов», а также используются на предприятии ФГУП «11ИАМ им. П.И.

Баранова)>. Личный вклад автора 1. Разработка метода подготовки равномерной смеси жидкого топлива с воздухом на основе модельных экспериментов различных способов распыла жидкостей и расчетных исследований аэродинамик воздушных каналов фронтового устройства КС. 2. Расчетно-экспериментальное проектирование, и исследование опытных образцов-демонстраторов прототипа фронтового модуля КС. 3. Постановка, проведение и анализ полученных результатов холодных и огневых испытаний разработанного фронтового модуля в составе модельного 3- хгорелочного отсека КС. Достоверность полученных результатов. Результаты исследования верифицированы по экспериментальным данным, которые проводились по стандартизированным методикам с помощью аттестованной аппаратуры.

Данные результаты не противоречат опубликованным работам других авторов. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 13 конференциях и съездах, в том числе на 7 Всероссийских и 6 международных. Публикации. Основное содержание работы опубликовано в б-ти научных статьях в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 05.07.05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»; в 3 патентах РФ на изобретение и полезные модели, и 8 статьях других изданий и тезисах Всероссийских и международных симпозиумов.