Расчетная оптимизация конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя с целью снижения эмиссии оксидов азота

Авторы

Митрофанова Ю. А.^*, Казимарданов М. Г.^**

"ОДК-Авиадвигатель", Комсомольский проспект, 93, Пермь, 614990, Россия

*e-mail: YuAMitrofanova@yandex.ru
**e-mail: kazimardanov@gmail.com

Аннотация

В работе представлено исследование, главной целью которого является снижение эмиссии оксидов азота за счёт улучшения рабочего процесса в КС с использованием расчётной оптимизации конструкций жаровых труб (конструкции со свечей и без свечи зажигания). Для описания процесса горения топливовоздушной смеси в камере сгорания была принята осреднённая по Фавру система балансовых уравнений Навье-Стокса, замкнутая k-ep-моделью турбулентности. Для нахождения скорости образования/убывания компонент смеси была применена комбинированная EDM/FRC модель горения. Химическая кинетика моделировалась при помощи WGS модели окисления метана воздухом. Проведено уточнение геометрической модели по результатам трёхмерного численного моделирования эксперимента по определению гидравлических характеристик элементов КС. Проведена идентификация математической модели. По результатам оптимизации расчетное значение эмиссии оксидов азота снизилось на 21,18 % для варианта без свечи зажигания и на 17,14 % со свечей зажигания.

Ключевые слова:

горение газообразного топлива, газотурбинный двигатель, расчетная оптимизация, оксиды азота

Библиографический список

1. Забелин Н.А., Лыков А.В., Рассохин В.А. Эмиссия загрязняющих веществ от газотранспортной системы ОАО «Газпром» // Научно-технические ведомости СПбПУ. Глобальная энергетика. 2013. № 3 (178). С. 294–305.
2. Яцына И.В., Синева А.В., Тулакин И.Ю., Жадан Е.А. и др. Здоровье детей промышленно развитого региона // Гигиена и санитария. 2015. № 94 (5). С. 39–44.
3. Силаева П.Ю., Силаев А.В. Особенности рассеивания выбросов диоксида азота предприятиями энергокомплекса и их влияние на население мегаполисов // Вестник РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2018. Т. 26. № 1. С. 63–72.
4. Новиков И.Н., Абросимова Е.А. Разработка обобщенной математической модели расчета и проектирования камер сгорания вихревого противоточного типа // Труды МАИ. 2014. № 78.  URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=53709
5. Бендерский Л.А., Любимов Д.А. Математическое моделирование турбулентных струйных течений с помощью RANS/ILES-метода высокого разрешения // Авиационные двигатели. 2022. № 2 (15). С. 5–12. DOI: 10.54349/26586061_2022_2_05
6. Фуников В.Н., Недошивина Т.А. Моделирование рабочего процесса горения метана в камере сгорания ГТД ДГ-90 // Труды второй научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института (Екатеринбург, 15-19 мая 2017). - Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2017. С. 71 – 75.
7. Мингалев С.В., Казимарданов М.Г. Применение численных методов для доводки камер сгорания авиационных двигателей по характеристикам распыла топлива // Труды МАИ. 2021. № 117. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=156325. DOI: 10.34759/trd-2021-117-19
8. Митрофанова Ю.А., Загитов Р.А., Трусов П.В. Оценка влияния учета сопряжённого теплообмена между частями камеры сгорания и реагирующим потоком на результаты моделирования эмиссии оксидов азота // Труды МАИ. 2023. № 132. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=176856
9. Способин А.В. Бессеточный алгоритм расчёта сверхзвуковых течений невязкого газа // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159777. DOI: 10.34759/trd-2021-119-04
10. Митрофанова Ю.А., Загитов Р.А., Трусов П.В. Настройка математической модели для описания горения газообразного топлива с учётом уточнения геометрии расчётной области // Вычислительная механика сплошных сред. 2020. Т. 13. № 1. С. 60-72.
11. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М. Идентификация математической модели ГТД по результатам испытаний // Труды МАИ. 2022. № 122. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=164276. DOI: 10.34759/trd-2022-122-19
12. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.-Л.: Гостехиздат, 1950. – 676 с.
13. Wilcox D.C. Multiscale Model for Turbulent Flows // In AIAA 24th Aerospace Meeting. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 1986. P. 15–17. DOI: 10.2514/6.1986-29
14. Reynolds O. Papers on mechanical and physical subjects. Cambridge: At the University Press. 1901. V. II. 227 p.
15. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. California. DCW Industries, Inc., 1994. 460 p.
16. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. Т. 2. Движение жидкостей с трением и технические приложения. - М.-Л.: Гостехтеориздат, 1935. – 311 с.
17. Молчанов А.М. Математическое моделирование гиперзвуковых гомогенных и гетерогенных неравновесных течений при наличии сложного радиационно-конвективного теплообмена. – М.: Изд-во МАИ, 2017. – 160 с.
18. Ларина Е.В., Крюков И.А., Иванов И.Э. Моделирование осесимметричных струйных течений с использованием дифференциальных моделей турбулентной вязкости // Труды МАИ. 2016. № 91. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=75565
19. Фрик П.Г. Турбулентность: модели и подходы. Ч. I. – Пермь: Пермский государственный технический университет, 1998. – 108 с.
20. Кузьминов А.В., Лапин В.Н., Черный С.Г. Метод расчёта турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе двухслойной ( ) модели // Вычислительные технологии. 2001. Т. 6. № 5. С. 73-86.
21. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion // 16th Symposium (International) on Combustion (1976). Comb. Inst., Pittsburg, Pennsylvania. 1976. V. 16. P. 719–729. DOI: 10.1016/s0082-0784(77)80366-4
22. Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified reaction mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels inflames // Combustion Science and Technology. 1981. V. 27. P. 31–43. DOI: 10.1080/00102208108946970
23. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. Окисление азота при горении. – М. – Л.: Издательство АН СССР, 1947. – 148 с.
24. Fenimore C.P., Jones G.W. Nitric Oxide Decomposition at 2200–2400° K // The Journal of Physical Chemistry. American Chemical Society. 1957. V. 61. No. 5. P. 654–657. DOI: 10.1021/j150551a034
25. Nelder J., Wead R. A Simplex Method for Function Minimization // Computer Journal. 1965. V. 7. P. 308–313. DOI: 10.1093/COMJNL/7.4.308

Скачать статью