Автореферат (Метод подготовки равномерной смеси жидкого топлива с воздухом во фронтовом устройстве авиационной малоэмиссионной камеры сгорания), страница 2

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка библиографии из 114 наименований. Объем работы изложен на 157 страницах машинописного текста, включающего 83 иллюстраций и 4 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель исследования, поставлены задачи исследования, отмечена научная новизна и дана общая характеристика работы. В первой главе проведен аналитический обзор работ направленных на создание технологий малоэмиссионн ого сжигания нефтяных топлив, современных методов подготовки и распыливания топливовоздушной смеси во фронтовой части камеры сгорания ГТД.

Рассмотрены физические основы распада неустойчивых форм жидкости при различных способах подвода энергии, затрачиваемой на процесс ди спер гирования, подготовки и распылив ания топливовоздушной смеси. Выполнен анализ развития концепций авиационных мал о эмиссионных камер сгорания, удовлетворяющим современным экологическим стандартам ИКАО, и перспективных схем топливоподачи, в результате которого была разработана общая классификация устройств закрутки потока воздуха и подготовки смеси с пневматическим распылом жцдкого топлива. В настоящее время в авиации распыливание жидкого топлива осуществляется главным образом центробежными и пневматическими форсунка ми.

Для организации процесса горения существует три основных подхода к схемам камер сгорания. Это сжигание предварительно перемешанной испаренной бедной смеси (1.РР). горение обогащенной смеси /быстрое охлаждение/горение бедной смеси ~М)1 ), непосредственный впрыск бедной смеси ~Ш1). Выбор метода подготовки топлива зависит также от давления в камере сгорания. Для давлений в камере до 50 бар рекомендуется организация процесса быстрого смешения с помощью предварительно испаренного топлива. При повышении давления до 60 бар предлагается использовать многостадийную подачу топлива. При дальнейшем увеличении давления в камере сгорания единственным возможным методом подачи топлива в настоящее время является многоточечный впрыск его в камеру сгорания. Однако такой механизм горения вызывает плохую стабилизацию пламени.

Высокая степень смешения топливных капель с окислителем наряду со скоростями горения и теплопередачи в единице объема оказывает важное влияние на стабильность пламени и выброс загрязняющего вещества. Хорошее однородное смешение топлива и воздуха— прямое следствие высокодисперсного распыливания и быстрого испарения и, таким образом, следствие оптимизированного впрыска топлива. Главной задачей исследований, направленных на разработку камер сгорания перспективных ТРДД, предназначенных для использования в гражданской авиации, является обеспечение конкурентоспособного уровня эмиссионных характеристик этих двигателей.

Базой для оценки этого уровня служат эмиссионные характеристики ряда новейших двигателей американских фирм «бепега1 Е1ес1пс» и «Рга11 й %'Ы1пеу», снабженных камерами сгорания со схемой организации рабочего процесса, принципиально отличающегося от традиционной. Последняя основывалась на процессе диффузионного горения, в котором собственно химическая реакция окисления топлива происходит вблизи формирующейся в процессе перемешивания топлива и воздуха зоны с составом смеси, близком к стех иометрическому и, соответственно, при близкой к стехиометрической температуре.

Реализация горения при этой температуре 1она, как известно близка к максимально возможной для заданного топлива и окислителя) вызывает интенсивное окисление азота воздухом и, несмотря на малое характерное время для реализации этого процесса, большие выбросы (эмиссию) оксидов азота. Новая схема организации процесса горения в камерах сгорания ТРДД, которая наиболее последовательно реализована в камерах сгорания типа ТАРИ ~Тч~ 1п Аппп1аг Рте-пз1хес1 Бъчг1ег) фирмы «бепега1 Е!ес1пс»„предполагает сжигание большей части топлива при пониженной температуре в составе «бедной» ~а»1, а=Ств/6т*1.о — коэффициент избытка воздуха) равномерной топливовоздушной смеси, которая должна формироваться во фронтовом устройстве камеры.

Эмиссионные характеристики двигателей, представленные в банке данных ИКАО, показывают, что использование этой схемы процесса обеспечивает, как минимум, двукратное снижение эмиссии оксидов азота на сходных режимах работы камеры по отношению к лучшим камерам сгорания с традиционной ~диффузионной) организацией процесса горения, и уверенно гарантирует соответствие этих двигателей действующим и перспективным нормам ИКАО. Ч'аким образом, для всех современных способов организации горения определяющим является процесс получения однородной топливовоздушной смеси в головной части КС. Для повышения качества проектирования при разработке новых систем с пневматическим распыливанием жидкости автором разработана общая классификация устройств для закрутки потока воздуха, позволяющая выбрать необходимый тип воздушного завихрителя для достижения требуемых характеристик аэрозоля за выходным соплом устройства (рисунок 1). На схеме представлены основные типы воздушных завихрителей, применяемые во фронтовых устройствах КС для подготовки смеси топлива с воздухом, формирование устойчивого факела распыла и стабилизации фронта пламени.

Рисунок 1 - Классификации воздушных завихрителей. Особенность разработки воздушного завихрителя заключается в выборе угла и плоскости закрутки потока относительно оси устройства для достижения необходимой интенсивности вращения воздушной струи. Для этого, при проектировании необходимо избегать прос коков, т.е.

перекрытие между лопатками или отверстиями должно составлять не менее одного калибра лопатки. В противном случае доля воздуха может преодолевать закручивающую плоскость лопаток без изменения направления движения потока. Данный эффект характеризуется как прос ко к воздуха, что влечет за собой снижение интенсивности закрученного течения и структуры всего потока воздуха, проходящего через лопаточный блок завихрителя. В отдельных случаях при насыщении воздухом сильно турбулентных то или вовоздушных факелов применяют способ струйной аэрации для выравнивания распределения доли прибиваемого топлива в закрученном потоке.

При пневматическом способе распыливания жидкого топлива важно иметь равномерный высокоскоростной поток закрученного воздуха, при низкой скорости подачи топлива. Немаловажным фактором является и процесс взаимодействий закрученных потоков, в которых могут формироваться некоторые переходные зоны с заданными размерами и интенсивностью.

Параметры таких зон будут зависеть от соотношения основного расхода воздуха к расходу встречного потока и угла соударения струй воздуха. Во второй главе приведено описание экспериментального стенда лазерной диагностики и основ применяемых методов бесконтактного исследования характеристик двухфазных потоков, формируемых в различных аэрозолях за фронтовыми устройствами основных камер сгорания различных типов.

Рассмотрены основные параметры генерируемого на выходе из сопла аэрозоля, влияющие на процесс воспламенения и горения топливовоздушной смеси. Эффективность работы фронтовых устройств и методов распыливания характеризуется качеством формируемого за горелкой факела рас пыла, и определяются несколькими ключевыми параметрами дисперсн ости. Самым решающим параметром аэрозоля, важным для процесса горения, является средний размер капель, их распределение по размерам и диаметру факела, распределение потоков массы, и угол распыла.

Средний размер капель позволяет заменить данный аэрозоль, воображающим монодисперсным, имеющим те же характеристики. Чаще всего используется так называемый средний Заутеровский диаметр ~йз ) частиц, представляющий собой диаметр капли, у которой отношение объема к площади поверхности равно этому отношению для всего аэрозоля. Дисперсия жидкой массы в поперечном сечении факела распыливания также имеет важное практическое значение, особенно в камерах сгорания, работающих на жидком топливе.

Исследование распределения размеров и концентрации капель в поперечном сечении позволяет определить радиальную и окружную неравномерность факела распыла. Исследование основных характеристик в формируемом за распылителем аэрозоле дает возможность детального анализа процесса взаимодействия жидкости с закрученным потоком газа, что является основой для проектирования новых систем распыливания пневматического типа. Исходя из выше изложенного очевидно, что разработка новых методов подготовки жидкого топлива с воздухом и распыливания в КС связанна непосредственно с возможностью детального анализа характеристик распыливания смеси и протекающих процессов тепло — и массообмена частиц жидкого топлива в газовых потоках с чрезвычайно высоким уровнем турбулентности, характерным для камер сгорания газовых турбин.

Развитие и применение современных методов лазерно-оптического анализа характеристик двухфазных потоков позволяет повысить уровень изучения протекающих процессов фундаментальных исследований„направленных на создание весьма совершенных систем распыливания жидкостей, применяемые в авиационной и энергетической отраслях промышленности. Экспериментальные исследования, описанные в работе, были проведены в ЦИАМ на стенде лазерной диагностики характеристик топливовоздушных факелов, создаваемых форсунками и фронтовыми устройствами. Стенд лазерной диагностики позволяет получать характеристики (поля мелкости распыла, поля концентраций и их пульсаций, углы факела и др.) топливовоздушных факелов, создаваемых форсунками и фронтовыми устройствами.