А.И. Гурьянов,
С.В. Веретенников, В.В. Кононова, М.М. Гурьянова, К.Л. Калинина
федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет
имени П.А. Соловьева», Россия
Численное моделирование газодинамики
закрученного течения в противоточном горелочном устройстве
Совершенствование процессов сгорания топлива в камерах
сгорания ГТУ, привело к созданию большого количества различных горелочных
устройств, использующих закрутку потока. Интерес к закрученным потокам
неслучаен – исследования течений с горением, типичных для камер сгорания ГТУ и
различных горелочных устройств, показывают, что закрутка течения существенным
образом сказывается на характеристиках поля течения: улучшении смесеподготовки,
повышении интенсивности горения в реагирующих потоках, способности струи к
организации аэродинамической стабилизации [1, 2, 3].
Вместе с тем, достижение перспективных требований для
ГТУ по величине эмиссии загрязняющих природу веществ, а так же
необходимость повышения полноты
сгорания топлива приводят к мысли о разработке вихревых горелочных устройств с
иными принципами организации смесеподготовки и горения.
Анализ конструкции известных горелочных устройств показывает,
что конструкции большинства из них не используют противоток двух вихрей:
периферийного квазипотенциального и приосевого вынужденного в вихревой камере –
ограниченном пространстве осесимметричного канала. Между тем, аэродинамическая картина течения в вихревой
камере характеризуется комплексом свойств удовлетворяющих требованиям
качественной смесеподготовки и стабилизации фронта пламени: большая объёмная
плотность кинетической энергии, высокая интенсивность турбулентности (в радиальном
направлении), увеличенная за счёт противоточного течения длина пути смешения
компонентов топлива, наличие устойчивых крупномасштабных вторичных вихревых
структур, рециркуляционных зон и возвратных течений [4, 5]. Кроме того,
характерные особенности течения в вихревой камере, позволяют организовать
эффективное конвективнопленочное охлаждение корпусных элементов конструкции
горелочных устройств [1].
Одним из перспективных вариантов конструкции
горелочных модулей является противоточный горелочный модуль, схема которого
представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема противоточного горелочного модуля.
Общие подходы к проектированию подобных
устройств, разработанные на основе балансных соотношений переноса энергии,
вещества, импульса позволяют определить интегральные параметры течения. Однако,
для совершенствования конструкции, необходимо знать распределение
термо-газодинамических параметров течения в объёме рассматриваемой конструкции.
При этом экспериментальные исследования не всегда возможны, а также дорогостоящи
и трудоёмки. Поэтому возникает необходимость численного моделирования
закрученных потоков с целью расчетов полей термогазодинамических параметров и
характеристик течения [1, 6].
На практике при проектировании
форсуночно-горелочных модулей,
формирующих
первичную зону камеры сгорания, практически важными характеристиками, величины
которых необходимо оценивать на этапе конструирования, являются коэффициент
потерь давления (допустимая величина составляет 3–6% от давления на входе) и
коэффициент расхода. От этих параметров зависит эффективность модуля, вносящая
свою лепту в суммарный КПД двигателя в целом.
Зависимости коэффициента расхода для противоточного
горелочного модуля (
µ Re·10-4
Рисунок 2 – Зависимость
коэффициента расхода µ противоточного горелочного модуля от критерия Re.
µ π*
Рисунок 3 – Зависимость
коэффициента расхода µ противоточного горелочного модуля от степени расширения
π*.
Как видно из рисунка 2, зависимость коэффициента расхода от числа
Рейнольдса изменяется от 0,55 до 0,67 в диапазоне
чисел Рейнольдса
2 ≤ Re·10-4 ≤14.
В рабочем диапазоне по перепаду давления коэффициент расхода модуля противоточной
схемы имеет значение 0,55. Как показывает зависимость, представленная на рисунке
3, тангенс угла наклона кривой µ от π* во всем исследованном диапазоне
изменения степени расширения π* остается практически постоянным.
В работах [5, 7, 8, 9]
приведены результаты экспериментальных исследований и получены интегральные
характеристики противоточного горелочного модуля. Для выявления структуры
течения воздуха, распределения параметров потока во всём объёме горелочного
модуля, была построена его трёхмерная модель – многоблочная неструктурированная
сетка, каждый блок которой имеет регулярную структуру. Система уравнений
Навье–Стокса замыкалась моделью турбулентности k-e. Расчёты проводились в стационарной постановке при Pвх* = 0,105 МПа;
Vвх = 170 м/с; Твх* = 300 К;
Рвых = 0,1 МПа.
По результатам расчета построены поля параметров
потока. Из рисунка 4 следует, что закрученный периферийный поток отрывается от
стенок в расширяющейся части вихревой трубы – камере смешения. При этом
образуется сложная система тороидальных вихрей, один из которых является
замкнутым, а во втором происходит постоянный массообмен: закрученный
периферийный поток разворачивается на 180° и преобразуется в приосевой вихрь. За диафрагмой
образуется тороидальный вихрь вторичной закрутки, в результате в этом месте
возникает рециркуляционная зона, которая способствует стабилизации фронта
пламени [10].
Рисунок 4 – Направление
осевой составляющей линий тока в объеме проточной части вихревой горелки.
Position (m) Velocity Magnitude
(m/s)
Рисунок 5а – Зависимость полной
скорости от радиуса камеры по длине проточной части ( в калибрах от сечения
соплового ввода, 0 м – на оси канала)
Axial Velocity (m/s) Position (m)
Рисунок 5б – Зависимость осевой компоненты
скорости от радиуса канала по длине проточной части
Пройдя через диафрагму, благодаря
сохраняющейся закрутке, приосевой поток прижимается к стенкам расширяющегося
сопла, образуя зону обратных токов, которая способствует стабилизации фронта
пламени. На рисунке 5 (а, б) показаны зависимости полной и осевой компоненты
скорости в различных сечениях камеры энергоразделения. Как показали расчёты, в
камере смешения происходит интенсивная гомогенизация смеси, т.к. в этой зоне
(разворот потока на 180°) происходит интенсивный массообмен в тороидальном вихре (рисунок 4 и 6).
При этом значения локальных коэффициентов избытка воздуха находятся в диапазоне
0,8<a<1,2, т.е.
подготовленная в камере смешения топливовоздушная смесь имеет концентрационные
пределы наиболее подходящие для воспламенения. Свечу зажигания в данном случае
целесообразно установить в торцевой части горелки, на выходе из диафрагмы.
alfa Position (m)
Рисунок 6 – Распределение
локальных коэффициентов избытка воздуха в камере смешения (5,5 калибров от
соплового ввода).
Литература:
1.
Пиралишвили Ш.А., Поляев
В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения /
Под ред. А.И. Леонтьева. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000.
2. Бирюк В. В., Веретенников С. В., Гурьянов А. И., Пиралишвили
Ш. А. Вихревой эффект. Технические приложения. Том 2 (Часть 1). М.:
Научтехлитиздат, 2014. 288 с.
3. Пиралишвили Ш. А., Веретенников С. В. Вихревой эффект
и интенсификация процессов тепло и массообмена в элементах энергетической
техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета
им. академика С. П. Королёва (национального исследовательского университета),
2011. №3-1 (27). С 241-247.
4. Гурьянов А. И., Казанцева О.В., Медведева М.В.,
Пиралишвили Ш.А. Вихревые горелочные устройства. // Инженерный журнал. 2005.
№5. прил. С. 8 – 15.
5.
Гурьянов А.И.
Исследование характеристик низкоперепадного вихревого горелочного устройства //
Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тр. XV-й Школы-семинара молодых учёных и специалистов под
руководством академика РАН А.И. Леонтьева. М.: МЭИ, 2005. Т. 2. С. 260.
6. Евдокимов О. А., Гурьянов А. И. Исследование динамики
выгорания топлива в камерах сгорания ГТД и устройствах энергетического
назначения // Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьева. 2013. 4 (27). С. 36-42.
7.
Гурьянов А.И.
Нестационарные процессы при горении в закрученном потоке // Энергетические
установки: тепломассообмен и процессы горения: Мат. I Международной
научно-технической конференции. Рыбинск: РГАТА, 2009. С. 134
8. Гурьянов А.И., Пиралишвили Ш.А. Экспериментальное и
теоретическое исследование механизмов горения в ограниченном закрученном
потоке. // Тепловые процессы в технике. 2009. Т. 1. №. 5. С. 170-177.
9. Евдокимов О. А., Гурьянов А. И. Экспериментальное
исследование условий свободно-конвективного распространения пламени // Вестник
СГАУ имени ак. С.П. Королева. 2015. №1. Т. 14. С. 139-146.
10.
Piralishvili Sh. A.,
Gur’yanov A. I. Dimensionless base of experimental investigation of
thermogasdynamic parameters in a twisted flow with combustion // Heat Transfer
Research. Beggel House Inc., 2008. V. 39. P. 703-712.