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

ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ......................................................................................................4ГЛАВА 1. ПРОЦЕСС РАСПЫЛИВАНИЯ И ТИПЫ ФРОНТОВЫХ14УСТРОЙСТВ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ.................1.1. Способы распыления жидких топлив ........................................141.2. Распад жидкой струи....................................................................181.3. Распад жидкой пленки..................................................................191.4. Процесс подготовки смеси жидкого топлива с воздухом.........211.5. Требования, предъявляемые к распыливающим устройствами камерам сгорания....................................................................281.6. Типы авиационных малоэмиссионных камер сгорания............301.7. Анализ перспективных схем топливоподачи.............................391.8.

Выводы к главе..............................................................................58ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКРАЗЛИЧНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ……………….................................................... 592.1. Характеристики аэрозоля.............................................................592.2.

Описание экспериментального стенда........................................612.3. Метод малоуглового рассеяния света (ММУ)............................642.4. Метод флуоресцентно-поляризационного отношениярассеянного света (МФПО)............................................................. 672.5. Метод фазо-доплеровской анемометрии (PDA).........................722.6. Метод теневой анемометрии частиц (PSV)................................792.7. Выводы к главе..............................................................................85ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕФРОНТОВЫХ УСТРОЙСТВ И ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА86ПРОЦЕСС РАСПЫЛИВАНИЯ......................................................................3.1.

Особенности дробления жидких топлив.......................................... 863.2. Эффективность дробления жидкостей различнымиспособами.......................................................................................953.3. Исследование жидких альтернативных топлив.............................. 1003.4. Влияния свойств жидкостей на характеристики аэрозоля припневматическом способе распыления......................................... 1033.5.

Выводы к главе................................................................................. 112ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕПРОЕКТИРОВАНИЕ ФРОНТОВОГО МОДУЛЯ КАМЕРЫ2СГОРАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОДГОТОВКИРАВНОМЕРНОЙ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ...............................4.1. Выбор и обоснование метода топливоподачи..........................4.2. Проектирование каналов закрутки воздуха..............................4.3. Аэродинамический расчет фронтового модуля.......................4.4.

Исследование характеристик факела распыла.........................4.5. Результаты огневых испытаний фронтового модуля в 3-хгорелочном отсеке камеры сгорания.........................................4.6. Выводы к главе............................................................................ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................Список библиографии.....................................................................................3114114120126134142146147149ВВЕДЕНИЕПо данным [1] авиация сегодня считается важным фактором,влияющим на состояние атмосферы, а при определенных условиях и наклимат планеты.

Источником воздействия является выбросы (эмиссия)вредных веществ c выхлопными газами от авиационных двигателей.Доказано, что различные газообразные компоненты, сформировавшиеся ввыхлопной струе, могут заметно влиять на полную концентрацию озона,облачность, радиационный баланс Земли и климат [2-8].Экологические характеристики самолетов и двигателей гражданскойавиации являются важнейшими техническими параметрами и показателями,определяющими возможность использования на международных авиалинияхиконкурентоспособностьорганизациейгражданскойавиационнойавиациитехники.(ИКАО)Международнойвведеныограничениянормирующие шум и эмиссию вредных веществ от авиационных двигателейв виде тома II Приложении 16 к Конвенции о международной гражданскойавиации [9].

Основное внимание требований ИКАО уделяется снижениюуровня эмиссии несгоревших углеводородов (HC), оксида углерода (CO),оксидов азота (NOx), дымления (SN). Впервые международный стандарт поэмиссии вредных веществ был принят в 1981 г., в период до 1986 г.установились первоначальные международные нормы на эмиссию NOx, CO,HC, и дыма. Принципиальная позиция ИКАО в последующие годызаключалось в планомерном ужесточении норм на эмиссию NOx. Так,например,утвержденыпрогнозныетехнологическиеуровни[10-12]снижения эмиссии NOx ниже норм 2008 г.

на 45% и 60% соответственно к2020 и 2030 гг.В настоящее время процесс создания малоэмиссионной камерысгорания для ГТД представляет собой сложную научно-технической задачу,связанную с большим объемом экспериментально затраченных усилий ифундаментальных исследований различных моделей распыла жидкоготоплива, методов подготовки топливовоздушной смеси и процесса горения.4А при разработке и проектировании новых схем фронтовых устройств икамер сгорания в основном необходимо опираться на накопленный опытработ, например А.Ю. Васильева, Б.Г. Мингазова [13-15] и др.

При этомважную роль в данной области являются исследования газодинамикитурбулентных потоков и горения, которым посвящены работы Ш.А.Пиралишвили[16,17]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 лазернооптического анализа и визуализации двухфазных потоков жидкости и газа,исследования которым посвящены работы Б.С. Ринкевичюса, В.П. Маслова идр.Из анализа [18,19] в России на сегодняшний день отсутствует паркавиадвигателей, удовлетворяющий экологическим стандартам ИКАО, иобеспечивающий беспрепятственную эксплуатацию на международныхавиалиниях. Однако для обеспечения конкурентоспособности двигателя намировом рынке его соответствие применимым к нему экологическим нормамещенедостаточно. Применительно к авиационным двигателям опытпоказывает,чтопервостепенноезначениепридаетсяабсолютномудостигнутому уровню эмиссии, т.е.

запасу относительно действующих норм.Тем самым, внимание акцентируется на потенциальных возможностяхдвигателя противостоять на протяжении срока эксплуатации очереднымужесточением стандартов ИКАО и запрету на продолжение серийногопроизводства двигателя.При создании газотурбинного двигателя (ГТД) для гражданскойавиации, и обеспечения высокого уровня заданных рабочих параметров, вчастности снижения степени его вредного воздействия на окружающуюсреду, необходимо разрабатывать новые методы проектирования отдельныхузлов на основе модельных экспериментов и фундаментальных исследованийпротекающих процессов.

Основное внимание при этом уделяется разработкемалоэмиссионной камеры сгорания (МКС) и технологиям, обеспечивающим5сжиганиетяжелыхуглеводородныхтопливспредельномалойконцентрацией вредных веществ в выхлопных газах. Главный вклад вдостижении требуемых рабочих характеристик камеры сгорания (КС)определяется качеством распыленного жидкого топлива, способа егосмешения с воздухом и формирования устойчивого факела распыла вофронтовой части камеры.

Фронтовое устройство (ФУ) КС предназначено длявыполнения процесса предварительной подготовки топливовоздушной смесии его подачи в зону горения. В состав фронтового устройства обычно входятразличные типы распыливающих форсунок и завихрителей воздуха. Насегодняшний день известны различные схемы и способы распыливаниятоплива, применяемые в КС современных двигателей [20]. Однако,некоторые типы распыливающих устройств изучены недостаточно хорошо иобладают серьезными недостатками или пределом эффективного примененияв зависимости от режима работы ГТД.ПриразработкеКСдляГТДприменяютразличныеметодыраспыливания, топливоподачи, перемешивания и технологий сжиганиятоплива.

Обычно, фронтовая часть камеры сгорания выполнена в видеустановки одного ряда форсунок с лопаточным завихрителем воздуха – этосхемы кольцевых КС типа SAC (Single Annular Combustor) [21]. В такихкамерах, фронтовая часть обеспечивает распыливание одноканальнойфорсункой, которая формирует богатую зону розжига, но за счет наличиязавихрительного устройства, улучшается процесс перемешивания топлива своздухом и становиться более бедной.Помимо традиционной схемы КС существуют еще и камеры сдвухзонным фронтовым устройством типа DAC (Dual Annular Combustor)[22].

Фронтовой модуль в таких камерах выполнен в виде двухконтурнойфорсунки с воздушным завихрителем, который формирует две зоныраспыливания топливовоздушной смеси: пилотной (богатая) и основная(бедная). В зависимости от режима работы двигателя каждая из зон можетотключаться или работать непрерывно. Конструктивная схема установки6распыливающих модулей во фронтовой части КС и формируемыхсоответственно за ними зон могут быть выполнены параллельно сосмещением по радиусу как в КС двигателей CFM International и GE Aviation[23,24], или параллельно, но с некоторым смещением по оси [25], ипоследовательно, как в разрабатываемых КС типа RQL (Rich – Quench –Lean) [26].Перспективным направлением развития КС с малой эмиссией вредныхвеществ реализовывается в системах распыливания типа TAPS (Twin AnnularPre-mixed Swirler) [27].

Такая система сочетает в себе двухканальный потопливу распылитель и три устройства для закрутки потока воздуха, причемнекоторые в разном направлении, обеспечивающем лучшее перемешивание иподготовку смеси с однородным составом. Основное достижение вобеспечении снижения эмиссии окислов азота и других вредных веществреализуется за счет сжигания бедного и однородного состава смеси с низкойтемпературой пламени, исключая образования локальных обогащенных зондля выработки NOx. Существуют еще системы предварительной подготовкисмеси LPP (Lean Premixed-Pre vaporized Combustion) [28], используемые вназемных газотурбинных установках, и КС с прямым многоточечнымвпрыском топлива в зону горения LDI (Lean Direct Injection Combustion)[29,30].КомбинируявнепосредственныйтрадиционноймноготочечныйсхемевпрыскКСтипатопливапрямойSACсвихревымстабилизатором в зоне горения TVC (Trapped Vortex Combustion) [31,32],позволит в дальнейшем снизить уровень выбросов вредных веществ.Исходя из вышеизложенного, роль фронтового модуля являетсяключевымдляКСвобеспечениинеобходимогоуровнярабочиххарактеристик.