Статья опубликована в №17 (январь) 2015
Разделы: Техника
Размещена 16.01.2015. Последняя правка: 26.01.2015.
Просмотров - 2439

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ ГОРЕЛКЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полушин Александр Николаевич

Бакалавр техники и технологии

ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"

Магистрант

Дмитриев А.О., Валиев Т.Р.; Научный руководитель к.т.н. профессор Панченко В.И.

УДК 53.06

При проектировании и доводке, а также при анализе результатов испытаний часто приходится использовать эмпирические данные, полученные в процессе разработки предыдущих образцов и в экспериментах на моделях и их элементах. В настоящее время, в связи с ужесточением требований, как по объему работ, так и по времени их выполнения традиционные методы проектирования уже становятся недостаточными, поэтому в последние годы стали широко применяться различные методы автоматизированного и цифрового проектирования и доводки двигателей и их узлов.

На сегодняшний день развитие численных методов позволяет успешно выполнять моделирование различных физических процессов, что широко используется инженерами во многих отраслях. Освоение инструментов компьютерного инженерного моделирования позволяет выполнять научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы при многократно сниженных затратах и риске.

Задачи:

1. Провести расчеты исследований на различных режимах работы. 
2. Сокращение натурных экспериментальных исследований при проектировании и доводки
3. Получение результатов в цифровом формате

 

Топливовоздушная горелка (рис.1) камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит топливную форсунку в виде корпуса с отверстиями подачи и распыла топлива, осевой и тангенциальный завихрители воздуха в виде каналов с открытыми торцами и лопатками внутри, стабилизатор потока воздуха. Последний размещен между тыльной стороной корпуса форсунки и входным торцом осевого завихрителя, образующим щелевой канал с его входным торцом. Каждый завихритель снабжен конфузорно-диффузорным соплом. Угол от оси горелки до образующей между выходными кромками сопел осевого и тангенциального завихрителей равен углу расположения выходных кромок лопаток осевого завихрителя на его среднем диаметре относительно его выходного торца с отклонениями в пределах 5°. Изобретение позволяет улучшить топливную экономичность газотурбинного двигателя, расширить диапазон устойчивой работы, обеспечить надежный повторный запуск двигателя в высотных условиях.

В данной работе я построил сетку в программе Gambit к имеющейся модели распылителя. После чего экспортировал сетку и провести расчеты во Fluent со следующими начальными данными:

- массовый расход топлива G_T=1.012 кг/c;

- массовый расход воздуха G_В=54.91 кг/с;

- плотность метана р=0.7468 кг/м³

       В результате работы получим картины процесса смешения воздуха и топлива, поля смешения и поля.

Работает топливовоздушная горелка следующим образом. Топливо через отверстия подается к распыливающему пакету форсунки, поступает в полость горения жаровой трубы. Одновременно сжатый компрессором поток П воздуха, обтекая внешний контур стабилизатора, создает равномерную эпюру давления воздуха вниз по потоку и коаксиально поверхности осевого завихрителя воздуха, выполненного в виде канале с открытыми торцами на входе и выходе. В целевом канале и не выходе эпюра давления воздуха не зависит от режимов обтекания потоков, так как во внутренней полости стабилизатора давление воздуха выравнивается за счет отверстий. Поток воздуха, поступающий в канал осевого завихрителя, закручивается и распыливает аэрозоль топлива, имея равномерные эпюры скоростей и давлений в окружном направлении в воспламеняемом потоке продуктов горения, не зависящие от режимов нагрузки двигателя. Распыливаемый аэрозоль топлива в зоне горения обеспечивает устойчивую зону рециркуляции вблизи донной стенки жаровой трубы, повышает полноту сгорания топлива, топливную экономичность, позволяет двигателю эффективно работать на обедненной топливом смеси, обеспечивает надежный повторный запуск двигателя в высотных условиях.

Расчетные исследования проводились в программном комплексе ANSYS-Fluent

Была создана конечно-элементарная сетка в программе генераторе сеток самой горелки и области распыла.

На сложных участках модели, где невозможно было построить гексаэдральную сетку, строил тетраэдральная. Однако такая сетка увеличила время и сложность расчета, но дала результат наиболее приближенный к экспериментальному.

Данный программный комплекс является очень эффективным и полезным в изучении газодинамических процессов в современных авиационных двигателях и их узлах. В нашем случае смоделировано течение метана из горелочного устройства в окружающею среду.

Качество сетки составляла 0,75-0,9. Число ячеек в расчетных моделях составило 500000…750000 элементов.

Воздух подается через ряд соосных отверстий со скоростями 10; 30; 50 м/с. Метан подается через отверстия расположенных под углом 45 градусов со скоростью 20; 40; 60 м/с.

Модели турбулентности используемые в расчетах- k-e RNG, «Realizable»k-e модель,k-e standart и k-ω

Для схождения результатов требовалась 8000-15000 итераций. На рис. 3 приведен результат расчета горелочного устройства со скоростями газа и воздуха 10 и 20 м/с соответственно.

Так же в результате расчета горелочного устройства получили распределения  СН4 на рис.4 и распределение О2 на рис. 5

Вывод:

В ходе проделанной работы была построенная качественная сетка, которая в дальнейшем необходима была для проведения расчетов. В результате расчетов была построена расчетная модель горелочного устройства, выбрана модель турбулентности k-e RNG позволяющая учитывать распространение течений с большей точностью, чем «Realizable» k-e модель, k-e standart и k-ω.

На данный момент проводятся исследования с включением реакции горения.

1. Батурин О.В. Построение расчетных моделей в препроцессоре Gambit универсального программного комплекса Fluent: учеб. Пособие / О.В. Батурин, Н.В. Батурин, В.Н. Матвеев – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. - 172с. ил.
2. Гончаров П. С., Ельцов М. Ю., Коршиков С. Б., Лаптев И. В., Осиюк В. А., NX для конструктора-машиностроителя. — М.: Изд-во ДМК Пресс, 2010. — 504 с.
3. Меркулов, А. П. Вихревой эффект и его применение в технике / А. П. Меркулов. – М. Машиностроение, 1969. – 176 с.

Рецензии:

16.01.2015, 18:19 Сычикова Яна Александровна
Рецензия: РЕЦЕНЗИЯ на статью магистранта ФГБОУ ВПО "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Полушина Александра Николаевича «МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ ГОРЕЛКЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ» Статья Полушина Александра Николаевича «МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ ГОРЕЛКЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ» посвящена численным исследованиям топливовоздушного горелочного устройства. Тема статьи является актуальной, и результаты исследований могут быть полезными для инженеров и ученых, занимающихся вопросами машиностроения. Автор проводит численные исследования топливовоздушного горелочного устройства при различных режимах работы. Для обработки результатов используются компьютерные программы, которые позволяют построить конечно-элементарную сетку горелки и области распыла. Приводятся распределения СН4 и О2. Результаты исследований с большой долей вероятности можно считать достоверными, так как для схождения результатов проводилось 8000-15000 итераций и обработка результатов осуществлялась с помощью современного программного обеспечения. Однако в статье не выделена актуальность и анализ публикаций по данной тематике. Поставлены задачи исследования, но не сформулирована цель. Таким образом, статья доказательна, приведенная аргументация и эмпирические данные не вызывают сомнений. В ней четко обозначен личный вклад автора в решение заявленной научной проблемы. Статья рекомендуется к публикации в журнале «SCI-ARTICLE.RU» после доработки. Рецензент: кандидат физико-математических наук, доцент кафедры методики преподавания физико-математических дисциплин и информационных технологий в обучении Бердянского государственного педагогического университета Сычикова Я. А.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий