Разработка физико-математической модели рабочего процесса низкоперепадной пневмоструйной форсунки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Разработка физико-математической модели рабочего процесса низкоперепадной пневмоструйной форсунки

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели

и энергоустановки летательных аппаратов

кандидата технических наук

Абере Гобезе Гетахун

Рыбинск, 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Пиралишвили Шота Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Богданов Василий Иванович

кандидат технических наук, доцент Сыченков Виталий Алексеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени С.П.Королева

Защита состоится 22 апреля 2009 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.210.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А.Соловьёва по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва

Автореферат разослан «____»__________________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б.М

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время стремление к совершенствованию рабочего процесса камер сгорания вызвано возрастающими требованиями к выбросу вредных веществ.

Газотурбинные двигатели используются как силовые установки в авиации и как привод во многих отраслях техники. Производство газотурбинных двигателей стало одной из ведущих отраслей индустриально развитых стран мира. Важными требованиями, предъявляемыми к камерам сгорания ГТД любого класса, являются: высокая полнота сгорания, низкий уровень гидравлических потерь и вредных выбросов, обеспечение заданных профилей параметров потока на выходе. При проектировании современных КС возникают проблемы организации процесса горения в высокоскоростных потоках и нестехиометрических условиях. В случае применения газообразных топлив эта задача решается интенсификацией массообменных процессов в зоне предварительного смешения. Для жидкого углеводородного топлива необходимо обеспечить, возможно, более полное испарение жидкой фазы в максимально короткой области, ограниченной сечением впрыска топлива и фронтом пламени, стабилизированным в первичной зоне камеры сгорания на границе приосевой зоны обратных токов. Достижение необходимого качества процесса смешения обеспечивается многократным дроблением топливных струй, подаваемых в виде осесимметричных волнообразных жгутов или тонкой пелены из топливных форсунок.

На современном этапе развития теории отсутствуют аналитические методы, позволяющие с приемлемой для практики точностью выполнять оценку параметров форсунок, обеспечивающих требуемое соотношение отмеченных характеристик распыла. Поэтому разрабатываются полуэмпирические методы их расчета и методики проектирования форсунок.

Характеристики факела распыленного топлива, создаваемого форсункой, должны отвечать требованиям: мелкость распыла средняя неравномерность по сечению факела ; минимум энергетических и гидравлических потерь по трактам форсунки. Задача оптимизации рабочего процесса распыливающих устройств для гомогенизации топливовоздушной смеси является актуальной и требует тщательного исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке физико-математической модели рабочего процесса низкоперепадной пневмоструйной форсунки, обеспечивающей требуемые параметры качества распыла при сравнительно меньших затратах, чем у существующих аналогов.

Для достижения поставленной цели решены задачи:

1. Разработана методика постановки многофакторного эксперимента по исследованию характеристик распыла форсунки и смонтирован экспериментальный стенд для ее реализации.

2. Проведены опытные исследования, расходных и энергетических характеристик форсунки.

3. Построена физико-математическая модель и критериальные уравнения, на основе которых создана полуэмпирическая методика расчета форсунки, пригодная, для проектирования геометрически подобных пневмоструйных форсунок, работающих в физически подобных условиях.

4. Спроектирована конструкция форсунки, обеспечивающая требуемые характеристики факела распыла.

Личное участие автора в получении результатов изложенных в диссертации заключалось в анализе современного состояния проблемы повышения эффективности пневматических форсунок камер сгорания авиационных ГТД, экспериментальном исследовании характеристик факела распыла пневматической форсунки, обработке и анализе опытных данных, разработке полуэмпирической методики расчета пневматической струйной форсунки.

Научная новизна полученных результатов. С использованием теории подобия и метода анализа размерностей проведены экспериментальные исследования низкоперепадной пневмоструйной форсунки, обработка которых позволила разработать физико-математическую модель, построенную на системе критериальных уравнений, описывающих геометрически подобные форсунки и их рабочий процесс.

Практическая значимость. Получены критериальные уравнения, на основе которых разработана полуэмпирическая методика расчета форсунки, позволяющая на начальном этапе проектирования по заданному расходу и давлению топлива определить её основные геометрические параметры и характеристики распыла.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность и обоснованность научных результатов достигается корректным применением соответствующих математических положений и законов при разработке физических и математических моделей, выбором обоснованной методики проведения эксперимента, применением измерительных приборов с необходимой калибровкой и проверкой. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов опытных исследований с данными, полученными другими исследователями.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Физико-математическая модель рабочего процесса низкоперепадной пневмоструйной форсунки, система критериальных уравнений.

2. Результаты экспериментальных исследований по мелкости, равномерности распыла, корневому углу факела распыла и коэффициенту расхода в зависимости от геометрии форсунки и режимов работы.

3. Полуэмпирическая методика проектировочного расчета форсунки и схема её конструкции.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались:

- Международной школе конференции молодых ученых аспирантов и студентов имени П. А. Соловьёва и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», г. Рыбинск, 2006 г.

- Третьей международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». 21 - 23 октября 2008г, Москва.

- XVI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Процессы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Санкт-Петербург, 2007 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 1 статья в издании, утверждённом ВАК, 3 статьи в трудах конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц, 59 рисунков. Список используемых источников включает 100 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, выполнена краткая характеристика работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна, практическая значимость полученных результатов и положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации представлен обзор работ по исследованию характеристик пневматических форсунок камер сгорания. Анализируются достоинства и недостатки различных способов распыливания жидкого топлива в КС ГТД (рис.1) и развитие конструкций топливных форсунок (рис.2), связанное с повышением параметров рабочего процесса двигателя. Анализируются работы разных авторов, посвященные, исследованию характеристик пневматических форсунок по мелкости, неравномерности распределения жидкого топлива по сечению факела и корневому углу факела, а так же по расходным и энергетическим характеристикам. В обзоре более подробно рассматриваются работы, связанные с пневматическими способами распыливания и развитием конструкций пневматических форсунок, показывающие, что применение высокоскоростного воздушного потока позволяет получить требуемые параметры факела распыла. Последние исследования в области распыливания топлива показывают, что для достижения требуемых характеристик факела при организации рабочего процесса современных КС ГТД необходимо совершенствовать конструкции форсуночных устройств, а так же методики их расчета. Как отмечают многие исследователи недостатками форсунок являются большая затрата энергии на распыление жидкости и малый угол распыла.

Рис.1. Способы организации распыливания жидкого авиационного топлива

Рис.2. Виды форсунок: а - центробежные; б - пневматические; в - акустические

Проведенный анализ показывает, что в настоящее время существует необходимость создания новых конструкций пневматических струйных форсунок, работающих на низких перепадах давления воздуха, позволяющих получать требуемые параметры качества распыла и совершенствование методик их проектирования. Это определяет актуальность работы.

Вторая глава посвящена разработке конструкции пневматической форсунки и критериев подобия процесса распыливания. Разработана методика расчета основных режимных и геометрических параметров и критериев оценки характеристик факела распыла и геометрического подобия проточной части для предварительного проектирования опытного образца струйной пневматической форсунки (рис.3).

Рис.3. Принципиальная схема струйной пневматической форсунки: 1- штуцер подачи топлива; 2 -штуцер подачи воздуха; 3 - корпус; 4 -воздушное сопло; 5- топливный жиклер; d_Т - диаметр выходного сопла топливного жиклера; в - угол натекания воздушной пелены; г - угол факела распыла; W - скорость истечения топливовоздушной смеси; G_т, ?Р_т, T_т - расход, перепад давления и температура топлива; W_т - скорость истечения топлива из жиклера; d_B. - диаметр воздушного сопла; D, - диаметр и длина смешения; G_в, ?Р_в^*, Т^*_в- расход, полное давление и температура воздуха; W_в - скорость истечения воздуха.

В методике расчета экспериментального варианта пневмоструйной форсунки использовались материалы, изложенные в основополагающих работах по организации процесса распыла и расчету их конструкции.

При разработке форсунки известными являются тип распыливаемой жидкости /керосин/, расход G_Т, давление Р_т и температура Т_т. Руководствуясь конкретным предназначением форсунки, подбирался перепад давления топлива на форсунке в пределе 0,03 МПа < ДР_т < 0,8 МПа. Цель расчета состояла в определении размеров основных элементов конструкции разрабатываемой форсунки. Для анализа эффективности распыла введен параметр, определяющий отношение расхода воздуха к расходу топлива, в виде относительного коэффициента , который в зарубежных источниках обозначается как ААFR. Для пневматических струйных форсунок без закручивающего поток устройства в литературных источниках его принимают в диапазоне 0,15 < < 0,95. Причем, чем мельче распыл, тем больше величина . Для проектируемой форсунки начальная расчетная величина принята близкой к ее среднему значению в соответствии с рекомендуемым диапазоном =0,35. По известному расходу топлива G_т и относительному расходу воздуха определен необходимый расход воздуха

G_в = . G_т

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям характеристик факела распыла струйной пневматической форсунки. Изложены методики экспериментальных исследований, описание экспериментальной установки, применяемых приборов, обработки опытных данных, физико-математической модели, наиболее полно характеризующих эффективность форсунки: коэффициент неравномерности

корневой угол факела распыла

мелкость распыла (среднезаутеровский диаметр капель топлива)

коэффициенты расхода топлива

и воздуха

а так же режимные и геометрические факторы, оказывающие существенное влияние на рабочий процесс: относительный расход , относительные диаметры сопел топливного и воздушного каналов, длина и диаметр факела , длина смешения топливовоздушной смеси. Выполнена оценка погрешностей измерений. В опытах в качестве топлива использовались керосин и вода. Максимальные относительные погрешности измерений составляют: расход воздуха - 2,5%; давление воздуха - 2%; расход топлива - 5%; давление топлива - 1,5%. Приведена методика обработки опытных данных и статической проверки полученных критериальных уравнений.

На рисунках 4,5, представлены зависимости коэффициентов расхода жидкости (вода, керосин) разработанной форсунки от чисел Рейнольдса, и геометрии элементов проточной части, определяющих критические сечения и качество их изготовления. Для разработки полуэмпирических методик расчета распыливающих устройств, интерес представляет определение средних значений коэффициентов расхода по воздуху и топливу. На рис.4 показана зависимость коэффициента расхода топлива от числа Рейнольдса по топливу при постоянных , и различных значениях . Из графика видно, что коэффициент расхода топлива уменьшается с уменьшением диаметра топливного сопла при одном и том же числе Re. При увеличении перепада давления топлива возрастает в диапазоне числа Рейнольдса . При числах Рейнольдса коэффициент расхода топлива выходит на автомодельный режим с малозаметным снижением. Некоторое уменьшение коэффициента расхода по топливу в области развитого турбулентного режима связано с более быстрым темпом роста теоретического расхода по сравнению с реальным, что, обусловлено влиянием крупномасштабных турбулентных структур на процесс истечения. При конструировании форсуночных устройств, требуются однозначные зависимости основных характеристик рабочего процесса форсунки от определяющих режимных и геометрических параметров камер сгорания или другого устройства, в составе которого они работают. Критериальный подход позволяет получить эти зависимости установлением однозначной связи параметров с выбранными в качестве критериев числами подобия. Что касается расходной характеристики, то при малых числах Re коэффициент расхода незначительно возрастает, однако при достижении области критических значений (рис. 5) характеристика выходит на автомодельный режим. Причем предельные значения коэффициента расхода по керосину несколько меньше чем по воде при неизменной геометрии, что связано в более высокой вязкостью.

На рисунках 5,6 приведены сравнительные результаты проливок форсунки на воде и керосине, позволяющие, в какой то степени, оценить влияние теплофизических свойств на характеристики распыла.

Рис. 4. Зависимость коэффициента расхода = () при и : 1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 - ; 1, 2, 3, 4 - эксперимент; 5, 6, 7, 8 - по критериальным уравнениям

Рис.5. Зависимость коэффициента расхода от ; .

Рис. 6. Зависимость корневого угла факела распыла от относительного расхода воздуха [AAFR]: 1, 3 - ; 2 - ; 4 - ; 5 - .

Рис.7. Неравномерность распределения = () при и : 1,2,3 - , 2 -, 3 - 3 -; 4 - ,

С изменением вязкости жидкости (рис. 6) характер изменения угла распыла факела практически остается неизменным.

На рис.7 показана зависимость коэффициента неравномерности распределения топлива по сечению факела о от относительной длины факела. Видно, что о уменьшается с уменьшением диаметра сопла топлива в результате увеличения скорости истечения топлива, которая способствует более равномерному распределению топлива по сечению факела распыла. Коэффициент неравномерности о достигает минимального значения при . Анализ зависимости, представленной на рис.7, позволяет сделать вывод о том, что радиальная неравномерность распределения локальных расходов через элементарные поверхности сечения факела существенно зависит от относительного расхода по компонентам. Полученные эмпирические данные показывают, что характер движения частиц является синусоидальным. Вероятно, что капли топлива перемещаются в объеме факела по «пневматическим каналам», образующимся за счет импульса, сообщенного элементарным объемам жидкой фазы. Такой механизм динамики двухфазного течения позволяет объяснить полученные эмпирические данные.

Изменение диаметров сопел топливного и воздушного каналов (рис. 8) оказывает значительное влияние на диаметр капель d₃₂. Чем меньше диаметры и _, тем больше скорость истечения топливовоздушной смеси и тем мельче капель топлива. Особый интерес представляет мелкость распыла, который характеризует Заутеровский диаметр . Существуют условия //, при которых становится меньше 20 мкм, что хорошо согласуется с поставленной целью.

Рис. 8 Зависимость диаметра капель от относительного расхода воздуха[AAFR]: 1- керосин; 2,3,4 -вода; 1,2 - ; 3 - ; 4 - .

Рис. 9. Зависимость диаметра капель от располагаемого перепада давления по воздуху

распыл пневмоструйный форсунка

Величина потерь давления является важной характеристикой комплексного анализа топливных форсунок, поскольку необходимым условием разработки высокоэффективных распыливающих устройств и форсуночно-горелочных модулей является задача реализации процессов распыла, смесеобразования и горения при предельно низком располагаемом перепаде давления. В современных камерах сгорания этот перепад для основной камеры не должен превышать величины 1,03…1,05. Как видно из рис.9. этот перепад позволяет в испытанных условиях получать факел распыла с величиной диаметра в пределах 45…35 мкм. Что находится в допустимом диапазоне мелкости распыла как по условиям запуска, так и по минимуму достижении эмиссии по NO_x. Для форсажных камер сгорания могут быть рекомендованы области с более высокими перепадами давления на форсунке обеспечивающей мелкость распыла 20 и менее мкм при сохранении геометрии и низком не превышающем величину Р = 0,8 МПа перепаде давления по топливу.

Рис.10. Зависимость среднего по Заутеру диаметра капель от числа Рейнольдса : 1 - Блох А.Г., Кичкина Е.С. 2 - Дятлов И.Н., 3 - Раушенбах Б.В и др., 4 - Пергулев Л.П., Тронов В.П.; 1,2 - центробежные форсунки; 3 - пневматическая форсунка; 4 - эмульсионная форсунка; 5 - эксперимент.

Рис.11. Зависимость среднего по Заутеру диаметра капель от относительного расхода воздуха : 1 - эксперимент; 2 - пневматическая форсунка по данным Васильева А. Ю.

Сравнение полученных результатов по мелкости (d₃₂) с известными данными в литературе приведено на рис. 10. Как видно, качественно зависимости достаточно хорошо согласуются. Но при тех, же относительных расходах (рис.11 средний по Заутеру диаметр капель в факеле распыла форсунки на 30 - 45% меньше, чем у пневматической форсунки.

Опыты проводились на пневмоструйной форсунке с различными диаметрами топливного и воздушного сопла. В экспериментах исследовались расходные и энергетические характеристики форсунки, корневой угол факела, коэффициент неравномерности распределения топлива по сечению факела распыла и мелкости распыла топлива. Данные опытов, поставленных с применением методики проведения многофакторного эксперимента и обработки в соответствии с основными положениями теории подобия и метода анализа размерности, позволили получить систему критериальных уравнения для расчета основополагающих характеристик качества распыла низкоперепадной пневмоструйной форсунки:

- корневого угла факела

(1)

при

- коэффициент неравномерности распределения топлива по сечению

(2)

для относительной длины факела в пределах ;

- величина среднезаутеровского диаметра капель

(3)

для , ,

Найдены критериальные уравнения для определения коэффициентов расхода топлива и воздуха , коэффициентов потерь полного давления по топливу и воздуху

при (4)

при (5)

при (6)

при (7)

при (8)

при 0,06<< 0,14. (9)

Для оценки гидравлических потерь предложены критериальные уравнения

(10)

В четвертой главе выполнено обобщение результатов экспериментальных исследований в виде полуэмпирической методики расчета струйной пневматической форсунки. При проектировании форсунок исходными данными являются:

- параметры топлива на входе: - расход; - располагаемый перепад давления топлива на форсунке; - полная температура; - полное давление;

- параметры воздуха на входе: - располагаемый перепад давления воздуха на форсунке; - полная температура; - полное давление;

- мелкость распыла: - среднезаутеровский диаметр капель топлива;

- коэффициент неравномерности распределения топлива в факеле распыла;

- корневой угол факела распыла.

Цель расчета - определение геометрических характеристик основных элементов конструкции, позволяющих получить требуемые параметры факела распыла: ,, . Расчет выполняется методом последовательных приближений, на каждом этапе проверяется соответствие расчетных и известных из исходных данных значений параметров. Блок-схема расчета приведена на рис.12. Процедура расчета сводится к следующему:

1.Задаемся величиной относительного расхода компонентови вычисляем расход воздуха .

2. Задаемся геометрическими характеристиками проточной части топливного и воздушного каналов форсунки, камеры смешения (в случае её наличия): диаметр камеры смешения D, относительный диаметр топливного сопла , относительный диаметр воздушного сопла ; относительная длина камеры смешения , относительная длина факела на котором необходимо найти заданные в исходных данных параметры характеризующие качество распыла.

3. Определяются скорости истечения топлива и воздуха для дозвукового или критического режимов истечения в соответствующих сопловых сечениях.

4. Вычисляются перепады давления по топливу и воздуху и проверяется их соответствие перепадам, заданным в исходных данных.

Если полученные значения перепадов и превышают заданные в исходных параметрах, то изменяются значения управляющих геометрических параметров форсунки ,,D и задача решается методом последовательных приближений.

5. Далее выполняется расчет геометрических параметров проточной части форсунки. Определяются площади проходных сечений и диаметры топливного и воздушного сопел

Рис.12. Блок-схема методики расчета низкоперепадной пневмоструйной форсунки

6. Определяются числа Рейнольдса в сопловых сечениях воздуха и топлива

,

7. Полученных геометрических и режимных параметров форсунки достаточно для расчета мелкости, равномерности распыла, угла факела, гидравлические и энергетические характеристики.

Цикл расчета завершается сравнительной оценкой полученных характеристик качества распыла с требуемыми их значениями известными из исходных данных. Если выполняются требования по мелкости распыла, неравномерности , корневому углу факела , то расчет завершается. Если одно или несколько требований не выполняются, то необходимо изменить значения геометрических характеристик форсунки: либо величину относительного расхода компонентов и повторить расчет.

Основные результаты работы и выводы

1. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность организации рабочего процесса струйной пневматической форсунки по низкоперепадной схеме обеспечения требуемого качества характеристик факела распыла: по мелкости 25-40 мкм, неравномерности распределения топлива по сечению факела меньше 3%, корневому углу от 25⁰ до 40⁰. Уточнена критериальная база термогазодинамического и геометрического подобия процессов, протекающих в зоне распыливания струйной пневматической форсунки.

2. Получена система критериальных уравнений, позволяющая по заданным исходным параметрам построить полуэмпирическую методику расчета геометрии форсунки, обеспечивающей требуемые характеристики качества распыла по мелкости, корневому углу распыла и равномерности распределения топлива в рекомендуемых диапазонах изменения.

3. Разработана конструкция струйной пневматической форсунки, работающей при низком перепаде давления по воздуху и по топливу и обеспечивающая необходимое качество распыла.

4. Полученные критериальные уравнения и построенная на них полуэмпирическая методика расчета могут быть использованы при проектировании геометрически подобных пневматических форсунок, работающих в физически подобных условиях.

Основные публикации по теме диссертационной работы

1 Пиралишвили, Ш.А.. Исследование характеристик пневматической форсунки [Текст] / Ш.А. Пиралишвили, А.И. Гурьянов, Г. Г. Абере, А.А. Добренко // журнал «Авиакосмическое приборостроение». - 2008. - № 12. - С.38 - 45.

2 Абере, Г. Г. Численное моделирование процессов смесеобразования в вихревом горелочном устройстве [Текст] / Г. Г. Абере, А. И. Гурьянов // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьёва и В.Н. Кондратьева» Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» Рыбинск. - 2006. - часть 3. - С.107 - 110.

3 Абере, Г. Г. Численное моделирование рабочего процесса форсуночного модуля с закруткой потока [Текст] / Г. Г. Абере, А. И. Гурьянов // Труды XVI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. - М.:Изд-во МЭИ, 2007. - Т.2. - С.446 - 448.

4 Абере, Г. Г. Экспериментальное исследование характеристик распыла вихревых пневматических форсунок [Текст] / Г. Г. Абере, А. И. Гурьянов // Третья международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». - Москва, 2008. - С. 177 - 178.

Размещено на Allbest.ru