автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование турбулентного горения применительно к камерам сгорания ГТД

На правах рукописи

ХАБЛУС АХМЕД АБДУЛМАГИД МАХДИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ГОРЕНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КАМЕРАМ СГОРАНИЯ ГТД

Специальность 05 07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2006

003067824

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им А Н Туполева

Научный руководитель Мингазов Билал Галавтдинович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты Павлов Григорий Иванович,

диссертационного иовеш <- и/у казанского государственного технического университета им А Н Туполева по адресу

420111, Казань, К Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им А Н Туполева

доктор технических наук, доцент

Груздев Владимир Николаевич, кандидат технических наук, с н с

Ведущая организация ОАО КПП «Авиамотор», г Казань

2007 года в час на заседании

2006 года

Ученый секретарь специализированного совета к т н , доцент

А Г Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Углеводородные топлива еще долгое время будут оставаться основным источником энергии для тепловых машин и энергетических установок различного назначения Поэтому задача повышения эффективности сжигания углеводородных топлив в настоящее время является одной из наиболее актуальных проблем совершенствования тепловых двигателей

В газотурбинных двигателях (ГТД) процесс сгорания топлива протекает в турбулентном потоке Совместное воздействие химических и гидродинамических факторов в турбулентном потоке оказывает значительное влияние на процесс распространения пламени, что обеспечивает существенную интенсификацию процессов горения

Вопросам исследования турбулентного горения посвящены труды ряда ученых - Г Дамкеллера, К И Шелкина, Е С Щетинкова, А В Талантова и др Ими созданы основы фундаментальной теории турбулентного горения, используемой при расчетах процессов горения в потоке, в частности, в прямо-хочных камерах сгорания ГТД Однако применение данной теории к расчету основных камер сгорания (КС) требует дополнительных исследований, что обусловлено наличием неоднородности сжигаемых топливовоздушных смесей Применение теории турбулентного горения при моделировании рабочих процессов в КС позволяет определить влияние не только кинетических факторов, но и гидродинамических условий, что значительно расширяет возможности прогнозирования ее характеристик

Целью работы является

- определение основных характеристик турбулентного распространения пламени применительно к условиям камер сгорания ГТД

- разработка на основе теории турбулентного горения методики расчета основных камер сгорания ГТД

Задачи исследования

1 Проведение экспериментов по измерению нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени

2 Определение эмпирических уравнений для расчета нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени в зависимости от исходных параметров

3 Разработка расчетной модели камеры сгорания на основе теории турбулентного распространения пламени

4 Проведение расчетов характеристик КС на основе разработанной модели

Научная новизна работы состоит в том, что

1 Получена эмпирическая зависимость для расчета нормальной скорости распространения пламени \]н и проведено сопоставление с результатами расчета по тепловой теории Зельдовича

2 Экспериментально установлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени

3 Найдена эмпирическая зависимость турбулентной скорости распространения пламени от состава смеси и степени подогрева

4 На основе теории турбулентного горения разработаны физическая и математическая модели КС

Практическая ценность состоит в том что

- получены расчетные зависимости для определения нормальной и турбулентной скорости горения,

- создана методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД,

- проведены расчеты характеристик камеры сгорания ГТД

Основные положения, выносимые на защиту

1 Результаты экспериментального исследования нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени

2 Результаты экспериментального исследования влияния автотурбулизации пламени на турбулентную скорость горения

3 Методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД на основе теории турбулентного горения

Степень достоверности полученных результатов Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и метрологической проверкой используемых приборов, обобщением и сравнением полученных результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью опытных данных

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на

- Международном конгрессе по двигателестроению (Харьков, ХАИ, 2003 г),

- Международном симпозиуме по неравновесным процессам и атмосферным явлениям (Сочи, Институт химической физики АН РФ, ЦИАМ, 2005 г ),

- Международной научно-техническои конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2006 г ),

- научно-технической конференции (Казань, КГТУ, 2004 г )

Личный вклад автора Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, в разработке методов и программ расчета

Публикации По теме диссертации опубликовано семь работ Структура и объем работы Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения

Содержание работы

Во введении рассмотрена актуальность исследуемых вопросов, сформулированы цели работы и задачи исследований

Первая глава посвящена анализу работ по исследованию нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени Рассмотрены подходы к теории распространения пламени в турбулентном потоке на основе поверхностного и объемного механизмов горения

Согласно теории поверхностного горения, предложенной и разработанной К И Щелкиным, реагирование в турбулентном потоке происходит в бесконечно тонком слое, сильно искривленном под воздействием турбулентных пульсаций При этом увеличение скорости горения обусловлено пульса-ционной составляющей скорости потока 11т = % + И", где Ьтн - нормальная скорость распространения пламени, IV - пулъсационная составляющая скорости

Дальнейшее развитие этот подход получил в работах А В Талантова и его учеников, в которых было установлено, что на процесс распространения

IV'

пламени влияет также степень подогрева и отношение —

ин

¿цг' где в температура в зоне горения

~ ' Т0 начальная температура

1

и.

где А - постоянный коэффициент, равный А = 2,4

Согласно теории объемного горения, развитой Е С Щетинковым, горение отдельных молей топливовоздушной смеси происходит не на поверхности, а в объеме, а распространение пламени достигается за счет турбулентного смешения этих молей При этом горение топливовоздушной смеси протекает по законам химической кинетики

На практике наиболее широкое применение при расчетах прямоточных камер сгорания ТРД нашел поверхностный механизм горения, в котором для оценки характеристик пламени использовались такие параметры, как длина зоны горения, время сгорания, толщина турбулентного фронта пламени Подробно рассмотрено влияние на них различных внешних факторов

- 3 -

Применение поверхностного механизма в основных камерах сгорания затрудняется тем, чю горение сопровождав 1Ся изменением состава юпливо-воздушной смеси по длине жаровой грубы вследствие дозированного поступления вторичного воздуха и раздельной подачи топлива и воздуха за фронтовым устройством В то же время использование теории гомогенного реактора, основанного на объемном механизме горения, не позволяет выявить влияние на основные характеристики КС таких факторов, как скорость потока, неравномерность распределения воздуха и топлива по длине жаровой трубы.

В связи с этим возникла необходимость моделирования процесса горения в основных КС на основе поверхностной модели, позволяющей помимо кинетических факторов выявить влияние на процессы реа1ирования гидродинамических параметров Однако реализация предлагаемого подхода требует

— установления закономерностей распределения составов топливовоздушной смеси по длине жаровой грубы,

- определения скорости турбулентного распространения пламени {У/ в зависимости от параметров в зоне горения

Во второй тлаве рассматриваются основы теории нормального распространения иламени Согласно тепловой теории Я Б Зельдовича нормальная скорость распространения пламени 11ц определяется уравнением

где Е - энергия активации,

а - коэффициент температуропроводности, tx- время химической реакции, R - газовая постоянная, Т, - температура i орения

В связи с тем, чю константы данного уравнения трудно поддаются расчетному определению, на практике часто прибиакл к эмпирическим зависимостям, получаемым в результате экспериментальных исследований

Наиболее широко применяется метод определения нормальной скорости распространения пламени в горелках Бупзена с использованием принципа I уи-Михельсопа, coi ласно которому обьемный расход горючей смеси через горелку равен объемному расходу через поверхность фронта пламени Тогда

лфр

где №'.„- скорость горючей смеси;

F.,,o - площадь проходного сечения горелки;

S<¡>p- боковая поверхность конического фронта пламени.

Экспериментальные доследования Доводились па установке, состой-шей из горелки Ьунзена (рис,1) с антифламингом, насадком и окном для фоторегистр ацин пламени. Установка оснащена также системой измерения расхода газа, подаваемого в горелку. Для установления влияния начальной температуры горючей смеси на UM имеется электрооодогреватсль исходной смеси.

Величина нормальной скорости распространения пламени определялась по формуле:

Где с!с - диаметр сопла горелки; йк - высота пламени.

В результате проведенных измерений был получен ряд экспериментальных кривых, характеризующих зависимость величины нормальной скорости горения от коэффициента избытка, воздуха «, 6'!(=/(а) (рис.2).

Полдучены характерные зависимости, имеющие различный уровень протекания для разных начальных температур, а так же различных степеней балластировки продуктами сгорания свежей смеси. После обработки экспериментальных данных и результатов других авторов, полученных из литературных источников, были определены следующие зависимости:

Рис.1. Пламя за горелкой Ьунзена

0,27

для богатых смесей: Щн — НО ~ ~ 0]

(1)

для бедных смесей U,¡ = \UtI0 - К(\ - а)]

0,27

(2)

где Uno ~ нормальная скорость распространения пламени стехиометрической смеси при р =10> Н/м2

Uno=0,502xl0~s k (1-gjf, К = A(I- gj2 'f, где Р,Т- давление и температура смеси,

g„c - относительная балластировка смеси продуктами сгорания, А - постоянный коэффициент

Uh (м/сек)

3 5 3 о 2 5

: о

1 5

1 о

0.5

о о

Рис 2 Нормальная скорость распространения пламени керосино-воздушной смеси при различных значениях начального подогрева

1 - 873К, 2 - 823Л\ 3 - ПЪК, Л - 723К, 5 - 673К, 6 - 623К, 7 - ЫЪК, 8 - 523К, 9 - 473К, 10 - 423К, 11 - 373К, 12 - 323АГ в - эксперимент

Коэффициент К учитывает влияние а и %„с, к = учитывает влияние

¿0 к

рода сжигаемого углеводородного топлива, где £0 и Ьок - соответственно стехиометрические коэффициенты применяемого топлива и керосина

На рис 3 приведено сравнение графиков функций иц=/(а), полученных по эмпирическим зависимостям (1,2) и формуле Зельдовича Видно, что приведенные эмпирические зависимости удовлетворительно согласуются с экспериментом, что свидетельствует о возможности их использования в расче-

тах процессов горения Что же касается зависимостей, полученных на основе тепловой теории, то здесь имеется существенное расхождение с результатами экспериментов, связанное с трудностью определения входящих в них постоянных

ин м/сек

15-

: а 1 .5

0,8 а 4

0,6 0 8 1,0 1 2 I .4 (X

Рис 3 Изменение теоретических и экспериментальных значений нормальной скорости горения при Т0=623К, Р0 = 0,1 МПа в - эмпирическая зависимость, - - по формуле Я Б Зельдовича

С помощью полученных зависимостей можно прогнозировать влияние различных факторов на величину Uh Влияние давления на скорость нормального распространения пламени определяется степенной зависимостью UH &Р~02, а влияние температуры для различных топлив - UH «Г20

В третьей главе рассматриваются основные положения теории турбулентного горения и возможность ее применения к расчету основных камер сгорания ГТД Известно, что при моделировании основной характеристики -скорости турбулентного горения Vиспользуются подходы, основанные на поверхностном представлении фронта пламени, в которых значения скорости турбулентного горения U, определяются значениями нормальной скорости горения U/t и пульсационной составляющей турбулентного потока IV

С целью установления влияния различных факторов на скорость турбулентного горения U, были проведены экспериментальные исследования Эксперименты проводились на установке, представляющей собой прямоточную камеру прямоугольного сечения с двумя нишевыми стабилизаторами

пламени. После воспламенения в каморе формируется стационарный фронт пламени в виде двух смыкающихся поверхностей, образующих треугольник, высота которого /,(. хороню фиксируется по фотографиям пламени (рис.4). Для определения 0"г необходимо измерение скорости потока №с„„ ширины

Рис,4. Общий вид турбулентного пламени На рис.5 представлены расчетные и экспериментальные кривые зависимости и? от состава смеси а для одного режима г орения. Из анализа видно, что теоретические зависимости недос таточно коррелирует с экспериментальными данными, особенно в области богатых смесей (<х<1,0). Можно предположить, что это связано с более сильным влиянием автотурбулизации фронта пламени, возникающей вследствие неодпородностей теплопроводности и Диффузии в Очагах горения, переобогащенных топливом.

Рис.5. Сравнение экспериментальных и расчетных данных при 7« =4&3К 1 - ■ - эксперимент;

2- ит +№■'; 3 - ит + 4 - Щ-

-8-

Ранее в работах различных авторов установлено, что и турбулентном потоке под воздействием 1емпературной неравномерности при горении фронт пламени искривляется и появляются дополнительные пульсации Возникновение авю гурбулизации за счет расширения смеси при юрении было впервые рассмотрено Карловичем Им на основе оценки доли энергии расширения смеси, которая не используется непосредственно для прирост средней скорости продуктов сгорания, получена следующая формула для определения величины пульсационной скорости, I енерируемой пламенем

Если принять, что в области УУ'/и,, < 10 для расчета турбулентной скорости горения и7 справедливо уравнение КИЩелкина, и Ша =0,5(7,,(0-1), то учет влияния дополнительных пульсаций, генерируемых пламенем, можно провести путем прибавления Ш'„ •

Влияние автотурбулизации может быть оценено по относительной величине прироста турбулентной скорости, пропорциональной величинам нормальной скорости ии и степени подогрева в

На рис 6 показаны результаты обработки экспериментальных данных, приведенных на рис 5, с помощью данного коэффициента Видно, что наибольшее влияние автотурбулизации наблюдается в области горения бо1атых смесей (а < 1 0) Очевидно, что горение таких смесей харак1еризуегся большей неустойчивостью фронта пламени, что способствует генерации дополнительной турбулентности

Кроме того, следует заметить, что помимо степени подогрева 0 на уровень автотурбулизации влияет также и начальная турбулентность в потоке IV', на которую накладывается начальная неравномерность потока как по скорости и интенсивности турбулентности, так и по локальному составу смеси Это приводит к неустойчивости фронта пламени и флукгуациям параметров в нем

Полученная обобщенная кривая описывается уравнением

= где0 =

-— степень подогрева

¡У7 = + %

Тогда в окончательном виде получим

и т =0,5(0 -1рн +П"

а

. = ит-ТГ " и„ (0-1)

Окончательно расчетная зависимость будет иметь вид

--1-1-!-1-,-1-1-1-1-1-

08 08 10 12 14 а

Рис 6 ЧУ'=30 м/сек

в -Т0=673К, А-Т0=573, • -Т0=473 (эксперимент), -- - расчет

Результаты сопоставления данных расчетов по предложенной формуле с экспериментальными данными показали достаточно удовлетворительное согласование (рис 6) Следовательно, полученная полуэмпирическая зависимость может быть использована в дальнейших расчетах процессов турбулентного горения

В четвертой главе рассматриваются основные принципы организации рабочего процесса в камерах сгорания ГТД Поскольку в основных камерах сгорания происходит горение неоднородных топливовоздушных смесей, при моделировании процессов на основе теории турбулентного горения возникает ряд трудностей, связанных с неравномерным распределением топлива в объеме жаровой трубы Для решения данной задачи предлагается разделить весь объем жаровой трубы на п зон горения, в пределах которых все параметры смеси состав, температура меняются по законам тепловыделения в результате движения фронта пламени со скоростью 1)т

Предложенный метод, основанный на разбиении камеры сгорания по длине на ряд зон, и допущение, что в каждой зоне происходит реагирование однородной смеси паров части топлива с воздухом, поступающим в каждую зону из предыдущего участка и воздухом из боковых отверстий жаровой тру-

бы, позволяет использовать поверхностную модель горения Можно предположить, что горение смеси в потоке газовоздушной смеси происходит с поверхности некоторого осредненного объема моля смеси (рис 7) Размер этого моля определяется масштабом турбулентности 10, а пульсационная составляющая скорости - интенсивностью турбулентности е

л/

Свежая смесь

ioV

о о

Продукты сгорания

О

О

Рис 7 Расчетные схемы сгорания объемов свежей смеси

Для определения масштаба и интенсивности турбулентности в жаровой трубе можно использовать эмпирические зависимости, полученные по данным многочисленных исследований

/0 =0,3 6xRT

( \~0'5 ■■ 0,001X (l + Р2tg(p) X (-J-j

здесь RTP - радиус жаровой трубы, du - диаметр завихрителя,

<р - угол установки лопаток завихрителя фронтового устройства КС, X— расстояние от устья закрученной струи,

X = х + Ах, где Дх = 0,41 (bo - высота лопаток завихрителя, а = 0,17), а

р- учитывает конструктивные особенности завихрителя, 0 «10 Располагая исходными данными по размерам горящего моля и значениям нормальной и турбулентной скорости в каждом сечении можно определить интенсивность уменьшения рассматриваемого моля размером 10 за время пребывания на участке горения длиной Дх, со скоростью Wt Согласно схеме сгорание моля с поверхности со скоростью UWo происходит

.Г

= ътиил

»Л

Здесь текущий размер моля

Л

W

- Uи

скоросль турбулентен о I орения моля с поверхности

11У

им ={и„ '»

Окончательно можно получить выражение для расчета полноты сюра ния 101хлино)юздуишои смеси

3/,

л-

Ч '

1 Зм/'З

иМоек>

и.

Л

(3)

Н оишчис 01 предыдущих исследований здесь можно использовать полученные и данной рабою зависимосш

чоз

и

м„

([/„-!) ИГ

После итерирования выражения (3) можно получить уравнение для расчета полноты С1 орания в пределах и-иой зоны горения

зЛ ( * "

л и„

ч -

' о о

К

1-е

и

Не

1-е

<о

ч

и

и

1-

'о

Для расчета характеристик камеры сгорания необходимо располагать следующими параметрами скоростью ношка IV,, интенсивностью и масштабом турбулепшосш (.,, а также значениями нормальной скорости горения 1/ц,, зависящей в свою очередь от температуры, давления, состава смеси, с1енст.ю балласшровки продуктами сгорания в каждой зоне g„c

Проведенные ранее исследования позволяют использован» зависимости нормальной Ни и турбулентной 1/1 скоростей распространения пламени для расчета значений полноты иорания топлива и температуры юрепия в каждой кшс. Итерирование полученных зависимостей но длине жаровой трубы шмиолие! определить динамику их изменения в зависимости о! режимных и копырукшшплх параметров На рис 8 показана блок-схема расчета характеристик камеры сюрапия с помощью предложенных закономерностей Па основе лой блок-схемы расчета была составлена компьютерная программа, ноиолягощая оперативно отслеживать изменение характеристик камеры С1 орания от конструкции ее элементов и параметров потока на входе

Ьсли пришпь, чго состав смеси на входе в каждой г-ой юне имеет значение а„ ю можно определип> полноту и температуру продукюв сгорания, полученную па основе уравнения тенлово! о баланса в ¡-той зоне

г - С'Л< J7' сР»ТКАС»1 + Ни

I --- - ~ ~~ г

Блок-схема расчета камеры сюраиия

Рис 8 Блок-схема расчета камеры сгорания

где ГГ| - температура газа в г-м сечении, Тк - температура воздуха на входе, ДСВ;, ДСГ| - расход воздуха и газа в ¡-м сечении, срТ, сръ - теплоемкости газа и воздуха,

Ни - теплотворная способность топлива После суммирования значений Г,, 77, можно получить картину изменение указанных параметров по длине жаровой трубы

В качестве примера показаны расчетные характеристики камеры сгорания двигателя НК-18 СТ при сжигании природного газа Схема и распределение площадей подвода вторичного воздуха показаны на рис 9

р

О 75 -

00 01 0 2 03 04 03 1

Рис 9 Схема и распределение площадей подвода вторичного воздуха

На рис 10 приведены расчетные данные значений г] и Т по длине жаровой трубы камеры сгорания НК-18 СТ Видно, что за фронтовым устройством в результате смешения газообразного топлива с воздухом образуется то-пливовоздушная смесь в концентрационных пределах воспламенения с ко-

Рис 10 Изменение температуры и полноты сгорания по длине жаровой трубы Рк°= 0,1 МПа, Тк = 600 К, 1 - а = 4,0, 2 - а = 6,0

тффициснтом избытка воздуха а„3 - 0,6-0,8, поэтому здесь проходит первич-нос воспламенение, сопровождающееся соответствующим повышением температуры una Дальнейшее ра?бавлсиие первичною cociaBa воздухом обеспечивает появление стехиометрических сос1авов, в результате чего в юне юрсиия происходит бурное реатирование смеси с последующим выделением тепла и существенным повышением температуры 1 аза

И дальнейшем с уменынением количества реагирующею топлива в смеси юрсние прекращается, чю обуславливаеi постояпсшо значения r¡, а иноке снижение температуры 1аза в результате подмешивания вторичною воздуха

1аким обраюм, рассмотренный подход на основе поверхностной модели турбулентною распространении пламени в целом отражает основные закономерности протекания рабоче1 о процесса в камере сгорания

Па нракшке важно знать влияние внешних факторов - температуры и давления на характеристики КС Это можно сделать на основании использования литературных данных В них предлагается оценивать влияние температуры соотношением U¡ ~ 7'0'4 1,0 Влияние давления на нормальную скорость U„ ~ (0Л4 °'4), 1У'а Суммарное влияние можно определить с помощью уравнения

т дс t время пребывания моля в пределах зоны i орения t = -—,

W

> 'о время существования пульсации,

0 W'

1Ü,W' масштаб и нульсационная скорость в расчетном сечении потока Влияние ко )ффициента и убытка воздуха

Па рис 11 приведены зависимости ц=f(a) при разных условиях на входе в КС Видно, что приведению полнотные характеристики имеют экстремумы, появление которых связано с термодинамическими и физическими условиями, формирующимися в зоне горения Их местоположение меняется в зависимости от распределения составов юшшвовоздушной смеси по длине жаровой трубы

С увеличением раскрытия фронтовою устройства первичная зона больше ратбавлястся во ¡духом, и зона горения формируется вблиш фронтовою устройства При лом максимальное значение r¡imx доститается при а«,, - 1,3, нндн Kdic уменьшение раскрытия 1"ЛИф вслсдс ibhc переобогшцения иериичпои зоны приводи! к увеличению длины зоны горения до первого ряда

и

отверстий Вследствие этого оптимальные значения а,ог имеют величины 0,8 - 0,9, поскольку происходит догорание топлива за первым рядом отер стий

V

08 - ■ 04 - •

"1—'......... I-<--1—^---1---'--1---г Г

2 4 в в 10 Oí

Рис И Изменение полноты сюрания п клмерах сгорания д)Ш1а1еля НК18СД*

---- - pacici

п - опытные данные Р к-0,1 МНа , 7 к"600 К

Аналогичный процесс изменения полноты сгорания происходит и нри изменении расхода воздуха через КС Вначале, при ак■ 2-4, hmcci мссю ю-рение во всем объеме первичной зоны с появлением nepnoi о максимума по а Затем, с увеличением расхода воздуха, тес обеднением смеси, происходи! смещение зоны горения в зону завихрителя и появляется второй максимум в области бедных смесей ак = 6-8 и т д по мере увеличения а,{

Необходимо отметить, что указанные закономерности наиболее характерны для камер сгорания, работающих на 1азообразпом yi лсводородпом топливе и имеющих дискретиыи подвод вторичного во?духа, в ю время, как в обычных камерах сгорания при работе на жидком топливе протекание полно шых характеристик происходит более полою с одним максимум в облает а = 2-3 Это связано с тем, что в реальных условиях на процесс peai ирования влияет также испарение жидкого топлива и смешение паров с во (духом, чю сглаживает характер изменения полноты сгорания Влияние конструкции камеры сгорания

В ходе доводки КС часто приходится с цслыо достижения тех или иных выходных параметров - полноты сгорания топлива, пределов стабили зации пламени, неравномерности температурных нолей ишешпь коиструк-

цию жаровой трубы, варьировать степенью раскрытия фронтового устройства, расположением отверстий подвода охлаждающей воздуха и т д В ходе такой доводки очень важно иметь достаточно эффективные и в то же время не очень сложные модели, способные оперативно прогнозировать характеристики камеры при тех или иных изменениях конструкции

Использование модели камеры сгорания, рассмотренной в данной работе, позволяет оценить влияние конструктивных параметров жаровой трубы на характер протекания кривых изменения температуры и полноты сгорания по длине камеры Например, на рис 12 показаны результаты расчетов распределения температуры газа и полноты сгорания по оси жаровой трубы при перераспределении воздуха, поступающего через смесительные патрубки с целью снижения области максимальных температур газа в зоне горения для уменьшения выброса окислов азота МОх Видно, что перераспределение 50% смесительного воздуха в зоне горения значительно снижает протяженность высокотемпературной области и обеспечивает падение уровня выбросов ЫОх за счет уменьшения времени пребывания в этой зоне

т к

Рис 12 Распределение температуры газа и полноты сгорания по тракту КС ак = 5,6, Т,' = 600 К, Я«* = 0,1 МПа - - исходный вариант, - - модифицированный вариант

Таким образом, с помощью предложенной модели можно проследить за влиянием тех или иных конструктивных изменений в КС, вносимых в ходе ее доводки, на протекание процессов горения

На основании проведенных исследований можно заключить, что, несмотря на успешную разработку и применение пакетов прикладных программ вычислительной газовой динамики, на практике могут быть эффективно использованы более простые модели, основанные на полуэмпирических зависимостях, позволяющие оперативно прогнозировать влияние тех или иных внешних факторов на характеристики процессов горения в реальных камерах сгорания и являющиеся более доступными при доводке ГТД

Выводы по работе

1 Проведены экспериментальные измерения нормальной и турбулентной скоростей горения газообразных углеводородных топлив

2 Получена эмпирическая зависимость нормальной скорости горения от состава смеси, температуры, давления и балластировки продуктами сгорания

3 Экспериментально выявлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость горения

4 Получена зависимость для определения турбулентной скорости с учетом автотурбулизации

5 Создана методика расчета характеристик камер сгорания на основе теории турбулентного горения

6 Проведены расчеты характеристик камеры сгорания двигателя НК18СТ

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях

1 Хаблус Ахмед Моделирование процесса сгорания топлива в камерах сгорания ГТД / Мингазов Б Г , Хаблус Ахмед // Авиационно-космическая техника и технология - Харьков, Харьковский авиационный институт, 2004 —с.51-53

2 Хаблус Ахмед Определение нормальной скорости распространения пламени в горючей смеси / Мингазов Б Г, Хаблус Ахмед // Тез докл между-нар научно-техн конфер «Рабочие процессы и технология двигателей» -Казань, 2005 -с 41-44

3 A A Hablous Turbulent theory for GTE combustion chambers / В G Minga-zov, A A Hablous // The second international symposium on no equilibrium processes combustion and atmospheric phenomena 3-7 October, Sochi, Russia 2005, p 124-131

4 Hablous Ahmed A Turbulent theory for GTE combustion chamber First scientific conference of international Ph d and M sc students of KSTU, 2005, p 87

5 Hablous Ahmed A A role of Turbulation in a flame speed process Second scientific conference of international Ph d and M sc students of KSTU, 2006, p 91-95

6 Хаблус Ахмед Определение скорости турбулентного распространения пламени с учетом автотурбулизации потока / Мингазов Б Г , Хаблус Ахмед // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», ч II -Самара, 2006 -с 220

7 Хаблус Ахмед Роль автотурбулизации в процессе распространения пламени / Мингазов Б Г , Хаблус Ахмед // ИВУЗ «Авиационная техника» -Казань, 2006, №4 - с73-74

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печл1,25 Услпечл1,16 Уел кр-отт 1,16 Уч-издл1,09

_Тираж 100 Заказ И 235_

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К Маркса 10

Введение.

1. Обзор литературы по исследованию процессов турбулентного распространения пламени.

1.1. Теория распространения ламинарного пламени.

1.2. Горение в турбулентном потоке.

1.3. Модель явления.

1.4. Критерий, характеризующий механизм горения.

1.5. Моделирование камер сгорания теорией гомогенного реактора.

2. Исследование нормальной скорости горения гомогенных топливовоздушных смесей.

2.1. Определение UH опытным путем.

2.1.1. Метод трубок.

2.1.2. Метод бомбы постоянного давления.

2.1.3.Метод горелки.

2.2. Экспериментальная установка и порядок проведения опытов.

2.3. Методика обработки результатов измерений.

2.4.Теоретическое определение нормальной скорости горения.

2.5. Определение температуры горения.

2.6.Факторы, влияющие на скорость распространения ламинарного пламени.

2.6.1.Начальная температура смеси.

2.6.2. Влияние давления.

2.6.3. Влияние балластирования.

2.7. Погрешность обработки опытных данных.

3.0 Исследование турбулентного распространения пламени.

3.1. Определение опытным путем.

3.1.1. Метод обращенного конуса.

3.1.2. Метод прямого конуса.-573.2. Описание экспериментальной установки.- 59

3.3. Порядок проведения опытов.- 61

3.4. Методика обработки результатов измерений.- 63

3.5. Анализ результатов исследований.- 66

3.6. Влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени.г 68

4.0 Одномерная модель камеры сгорания на основе теории турбулентного горения.- 73

4.1 Определение параметров турбулентного потока в камерах сгорания. -734.2. Модель сгорания топлива на основе "поверхностного" механизма распространения пламени.-11

4.2.1. Влияние коэффициента избытка воздуха.- 87

4.2.2. Влияние конструкции камеры сгорания.- 88

Актуальность. Углеводородные топлива еще долгое время будут оставаться основным источником энергии для тепловых машин и энергетических установок различного назначения. Поэтому задача повышения эффективности сжигания углеводородных топлив в настоящее время является одной из наиболее актуальных проблем совершенствования тепловых двигателей.

В газотурбинных двигателях (ГТД) процесс сгорания топлива протекает в турбулентном потоке. Совместное воздействие химических и гидродинамических факторов в турбулентном потоке оказывает значительное влияние на процесс распространения пламени, что обеспечивает существенную интенсификацию процессов горения.

Вопросам исследования турбулентного горения посвящены труды ряда ученых - Г.Дамкёллера, К.И.Шелкина, Е.С.Щетинкова, А.В.Талантова и др.[1,2,3,4] Ими созданы основы фундаментальной теории турбулентного горения, используемой при расчетах процессов горения в потоке, в частности, в прямоточных камерах сгорания ГТД. Однако применение данной теории к расчету основных камер сгорания (КС) требует дополнительных исследований, что обусловлено наличием неоднородности сжигаемых топливовоздушных смесей. Применение теории турбулентного горения при моделировании рабочих процессов в КС позволяет определить влияние не только кинетических факторов, но и гидродинамических условий, что значительно расширяет возможности прогнозирования ее характеристик.

Целью работы является:

- определение основных характеристик турбулентного распространения пламени применительно к условиям камер сгорания ГТД.

- разработка на основе теории турбулентного горения методики расчета основных камер сгорания ГТД.

Задачи исследования:

1. Проведение экспериментов по измерению нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени.

2. Определение эмпирических уравнений для расчета нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени в зависимости от исходных параметров.

3. Разработка расчетной модели камеры сгорания на основе теории турбулентного распространения пламени.

4. Проведение расчетов характеристик КС на основе разработанной модели.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Получена эмпирическая зависимость для расчета нормальной скорости распространения пламени UH и проведено сопоставление с результатами расчета по тепловой теории Зельдовича.

2. Экспериментально установлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени.

3. Найдена эмпирическая зависимость турбулентной скорости распространения пламени от состава смеси и степени подогрева.

4. На основе теории турбулентного горения разработаны физическая и математическая модели КС.

Практическая ценность состоит в том что:

- получены расчетные зависимости для определения нормальной и турбулентной скорости горения;

- создана методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД;

- проведены расчеты характеристик камеры сгорания ГТД.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментального исследования нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени.

2. Результаты экспериментального исследования влияния автотурбулиза-ции пламени на турбулентную скорость горения.

3. Методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД на основе теории турбулентного горения.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и метрологической проверкой используемых приборов, обобщением и сравнением полученных результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью опытных данных.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на:

- Международном конгрессе по двигателестроению (Харьков, ХАИ, 2003 г.);

- Международном симпозиуме по неравновесным процессам и атмосферным явлениям (Сочи, Институт химической физики АН РФ, ЦИАМ, 2005 г.);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2006 г.);

- научно-технической конференции (Казань, КГТУ, 2004 г.).

Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, в разработке методов и программ расчета. Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Выводы по работе:

1. Проведены экспериментальные измерения нормальной и турбулентной скоростей горения газообразных углеводородных топлив.

2. Получена эмпирическая зависимость нормальной скорости горения от состава смеси, температуры, давления и балластировки продуктами сгорания.

3. Экспериментально выявлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость горения.

4. Получена зависимость для определения турбулентной скорости с учетом автотурбулизации.

5. Создана методика расчета характеристик камер сгорания на основе теории турбулентного горения.

6. Проведены расчеты характеристик камеры сгорания двигателя НК18СТ.

Заключение

В работе проведено экспериментально - теоретическое исследование ламинарной и турбулентной скоростей распространения пламени в углево-дородно - воздушных смесях, применительно к КС ГТД.

Установлено, что существуют некоторые отличия в протекании теоретических и экспериментальных зависимостей, связанных с недостаточно точными определением порядка реакции и констант, входящих в теоретические зависимости, полученные на основе тепловой теории Я.Б. Зельдовича.

Для более точного определения UH проведены экспериментальные измерения на грелке Бунзена. Полученные настоящей работе и другими исследованиями данные обобщены с помощью эмпирических зависимостей, учитывающих влияние коэффициента избытка воздуха, температуры, давления и балластировки смеси продуктами сгорания.

Экспериментальные исследования турбулентных пламен за нише-выми стабилизаторами пламени показали, что данные по турбулентной скорости распространения пламени отличаются от теоретических в особенности в области горения богатых смесей. Предполагается, что эта разница связана с дополнительными пульсациями, возникающими в результате автотурбулизации, обусловленной влиянием теплопроводности и диффузии в отдельных очагах горения смеси.

В работе проведено обобщение этого влияния с помощью коэффициента автотурбулизации зависящим в основном от степени подогрева и коэффициента избытка воздуха.

В дальнейшем результаты проведенных исследований используются при создании одномерной модели камеры сгорания, в которой рассматривается сгорание осредненного объема смеси в проточной части КС с турбулентной скоростью распространения пламени.

Здесь турбулентная скорость является основным определяющим параметром и состоит из нормальной и пульсационной составляющих.

Дополнительный учет влияния автотурбулизации позволяет учитывать также степень подогрева и коэффициент избытка воздуха, что усиливает учет влияние кинетических факторов и тем самым позволяет получить лучшие соответствие теоретических данных с результатами экспериментальных исследований реальных камер сгорания.

В работе проводится анализ влияния основных режимных и конструктивных факторов на характеристики камер сгорания.

Получена достаточно удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных зависимостей.

Это указывает на возможность использования предложенной модели на практике при проектировании и доводке камер сгорания ГТД.

1. Damkohler G., Der Einfluss des Turbulenz auf die Flammenge Schwin-digkeit in Gasgemischen, Jahrbuch, 1939, D. L.F.S. 113,17.

2. К.И. Щелкин, Я.К. Трошин «Газодинамика горения». М., Изд-во АН1. СССР, 1963.

3. Е. С. Щетинков «Физика горения газов». М., "Наука", 1965.

4. JI. И. Хитрин «Физика горения и взрыва». Изд-во МГУ, 1957.5. . Талантов А.В. Основы теории горения ,М.: Машиностроение,1975.-251с.

5. Талантов А.В., Горение в потоке, М.: Машиностроение, 1978.-160с.

6. Б. Льюис, Г. Эльбе «Горение, пламя и взрывы в газах». М., «Мир»,1968.

7. Ф.А. Вильяме «Теория горения». М., «Наука», 1971.

8. Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 525 с.

9. Михайлов А.И. и др. «Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных-двигателей». М., ОборонгизД 959.

10. Зельдович Я.Б. К теории теплонапряженности протекания изотермической реакции в струе // Журн. техн. физики. 1941. Т. 11. С. 493-500.

11. В.А. Щукин, А.В. Мосин, А.Ф. Кузин, А.В. Талантов «Нормальная скорость распределения пламени при двухстадийном процессе горения». /Казанский авиационный институт, Труды КАИ Выпуск 124, Казань 1970 г., стр. 50-58.

12. В.М. Янковский, В.А. Щукин, А.Ф. Кузин, В.В. Голубев, А.В. Талантов «Методика определения границ зоны горения в турбулентном потоке. / Казанский авиационный институт, Труды КАИ Выпуск 124, Казань 1970 г., стр. 9-24.

13. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Т. 1 / Под ред. В.П.Глушко. М.: ВИНИТИ, 1971. 266 с.

14. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964.306 с.

15. Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей,2004.219с.

16. Мингазов Б.Г. , В. Б. Явкин Автоматизированные расчет и проектирование камеры сгорания ГТД,2000.

17. В.Н. Груздев «Оценка эффективности сгорания по результатам объемного газового анализа». / Известия высших учебных заведений «Авиационная техника» №4 • 1969, стр. 68-79.

18. Груздев В.Н. Аналитическое представление основных характеристик процесса горения гомогенных топливоздушных смесей // Горение в потоке: Сб. ст. Казань, 1982. С. 44-50

19. М.М. Нуриев, В.Н. Груздев, А.В. Талантов « Скорость распространения пламени в гетерогенных керосиновоздушных смесях»/ Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева, Межвузовский сборник, Казань 1980,стр.8-13.

20. Хаблус Ахмед. Моделирование процесса сгорания топлива в камерах сгорания ГТД./ Мингазов Б.Г., Хаблус Ахмед // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, Харьковский авиационный институт, 2004. - с.51-53.

21. Хаблус Ахмед. Определение нормальной скорости распространения пламени в горючей смеси / Мингазов Б.Г., Хаблус Ахмед // Тез. докл. междунар. научно-техн. конфер. «Рабочие процессы и технология двигателей». Казань, 2005. - с.41-44.

22. A.A.Hablous. Turbulent theory for GTE combustion chambers. / B.G.Mingazov, A.A.Hablous // The second international symposium on no equilibrium processes combustion and atmospheric phenomena. 3-7 October, Sochi, Russia. 2005, p. 124-131.

23. Hablous Ahmed A. A role of Turbulation in a flame speed process. Second scientific conference of international Ph.d and M.sc. students of KSTU, 2006, p.91-95.

24. Hablous Ahmed. A. Turbulent theory for GTE combustion chamber. First scientific conference of international Ph.d and M.sc. students of KSTU, 2005, p. 87.

25. Щукин В.А., Рогожин Б.А., Янковский В.М. Предварительный расчет форсажной камеры сгорания ГТД: Учебное пособие / Казан, авиац. инт. Казань, 1981.

26. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. 392 с.

27. Основы практической теории горения: Учебное пособие / Под ред. В.В. Померанцева. Л.: Энергия, 1973. 264 с.

28. Льюис Б., Пиз Р.Н., ТейлорХ.С. Аэродинамика больших скоростей и реактивная техника. М.: Физматгиз, 1961. 542 с.

29. Вильяме Ф.А. Теория горения. М.: Недра, 1971.

30. Чумаченко В.Г., Сыченков В.А., Янковский В.М. Влияние состава смеси на коэффициент выделения тепла камеры сгорания ГТД с предварительным испарением топлива // Горение в потоке: Межвуз. сб. Вып. 3 / Казан. авиац. ин-т. Казань,1980. С. 13-15.

31. Дорошенко В.Е. О процессе горения в камере газотурбинного двигателя Т. 2 // Третье всесоюзное совещание по теории горения. М.: АН СССР, 1960. С. 262-269.

32. Хакер Д.С. Модель стабилизации пламени в закрученном потоке, основанная на упрощенной теории пути смешения. М.: Ракетная техника и космонавтика. 1974. №1. С. 78-86.

33. А.Ф. Кузин, В.М. Янковский ,В.А. Аполлонов, А.В. Талантов .Влияние начальной температуры на основные характеристики горения в турбулентном потоке однородной смеси. М.: Наука, 1972. С. 431-436.

34. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / Пер. с англ.-М.:Мир,1986.-566с.

35. Н. Cohen, G.F.C. Rogers, Gas turbine theory, 1972.

36. Arthur H. Lefebvre, Gas turbine combustion, M.:McGRAW-HILL 1983-531c.

37. Дубовкин H. Ф., Маланичева В. Г. , Массур Ю. П. ,ФеЬров Е. П., Физико- химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив,-239с.

38. СполдшгД. Б. Основы Теории горения, 1959.-320с.

39. Н.Ф. Дубовкин, А.П. Горшенин «Влияние характеристик форсунки, температуры и физико-химических свойств топлива на полноту сгора-118ния в камере ГТД». / Известия высших учебных заведений «Авиационная техника» №1 • 1970, стр. 97-105.

40. В.М. Янковский, Г.М. Шалаев, В.А. Сыченкое «Основы автоматизированного проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей». / Казанский авиационного института им. А.Н. Туполева, Учебное пособие, Казань 1989.

41. М.Т. Бортников «Особенности изменения коэффициента полноты сгорания топлива в зависимости от объемного расхода воздуха в основной камере сгорания». /Труды ЦИАМ №755,1977.

42. Ю.Ф.Гортышов,Ф.Н. Дресвянников,Н.С. Идиатуллин и др.подред. В.А. Щукина «Теория и техника теплофизического эксперимента». : Учебное пособие для вузов /М.:Энергоатомиздат,1985.-360с.