Методологические аспекты экспериментальных исследований процесса горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей

Авторы

Исаев А. И.^*, Скоробогатов С. В.^**

Иркутский филиал Московского государственного технического университета гражданской авиации, ул. Коммунаров, 3, Иркутск, 664047, Россия

*e-mail: isaew_alexandr@mail.ru
**e-mail: maestro.ru@mail.ru

Аннотация

Горение топливо-воздушной смеси – это сложный физико-химический процесс, который можно условно рассматривать как совокупность процессов распыливания топлива, его испарения, смешения паров топлива с воздухом, воспламенения образовавшейся смеси и ее горения. Причем все эти процессы протекают, в значительной мере, одновременно и до сих пор нет чёткой, универсальной методики, позволяющей учитывать все тонкости исследуемых явлений при моделировании их математически. Кроме того, помимо физико-химических процессов, крайне важны для анализа явления, связанные с газовой динамикой потоков. В ходе распыливания жидкое топливо дробится на мелкие капли, средний диаметр которых обуславливает поверхностную площадь, влияя тем самым, на прогрев жидкости и последующее ее испарение и смешение с воздухом. Полнота сгорания топлива, в свою очередь, определяется составом топливо-воздушной смеси, а так же организацией процессов воспламенения и горения этой смеси в камере сгорания. Принимая во внимание всю сложность этих процессов и их взаимодействие между собой, натурный эксперимент по-прежнему остаётся неотъемлемым этапом проектирования камер сгорания.

Целью данной работы является изучение методологических аспектов раздельного моделирования процессов, которые в реальной камере сгорания протекают в один и тот же промежуток времени. На этапе проведения натурных экспериментов по исследованию процесса горения, возникает ряд трудностей, которые связаны с природой исследуемых явлений. Так, при сжигании топливно-воздушной смеси в камере сгорания, граница между зоной горения и зоной смешения носит весьма условный характер. Из-за чего невозможно рассматривать процессы, протекающие в этих зонах, отдельно друг от друга.

Авторами статьи предлагается конструкция экспериментального стенда, позволяющего разделить зону горения и зону смешения. Так же рассматривается способ преодоления температурных ограничений измерительной аппаратуры при достижении топливно-воздушной смеси стехиометрического состава.

Ключевые слова

камерный стенд, экспериментальные исследования, камера сгорания, эмиссия вредных веществ

Библиографический список

1. Установки газотурбинные. Термины и определения. ГОСТ Р51852. – М.: Изд-во стандартов, 2001. – 15с.

2. Roy G.D., Frolov S.M., Netzer D.W., Borisov A.A. High-Speed Deflagation and Detonation: Fundamentals and Control, Moscow, ELEX-KM Publishers, 2001, 384 p.

3. Митрофанов В.В. Детонация гомогенных и гетерогенных систем. – Новосибирск, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 2003. – 200 с.

4. Фролов С.М., Басевич В.Я. Законы горения / Под ред. Ю.В.Полежаева. – М.: Энергомаш, 2006. С. 130 – 159.

5. Herweg R.A., Maly R.R. Fundamental model for flame kernel formation in S. I. Engines // SAE Technical Paper Series, 1992, 84 p. DOI: 10.4271 /922243

6. Исаев А.И., Майрович Ю.И., Сафарбаков А.М., Ходацкий С.А. Исследование процесса образования топливовоздушной смеси в импульсной камере сгорания и термодинамический расчет импульсного горения // Труды МАИ. 2016. № 91. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=75583

7. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 320 с.

8. Дрегалин А.Ф., Зенуков И.А., Крюков В.Г., Наумов В.И. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергоустановках. – Казань, Изд-во Казанского университета, 1985. – 263 с.

9. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas turbine combustion. New York, CRC Press, 2010, 538 p.

10. Taylor S.C. Burning velocity and the influence of flame stretch. Ph.D. Thesis. University of Leeds, 1991, available at: http://etheses.whiterose.ac.uk/2099/

11. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. Том II. Эмиссия авиационных двигателей. ИКАО, 2008. – 118 с.

12. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. – М.: Физматлит, 2003. – 352 с.

13. Метечко Л.Б. Экология для инженерно-экономических и технических вузов. – Саарбрюкен, Германия, Lap Lambert Academic Publishing, 2013. – 520 с.

14. Болховитин М.С., Боровиков Д.А., Ионов А.В., Селиверстов С.Д. Разработка испытательного стенда для малоразмерных газотурбинных двигателей // Труды МАИ. 2016. № 91. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=75612

15. Маркушин А.Н., Бакланов А.В. Испытательные стенды для исследования процессов и доводки низкоэмиссионных камер сгорания ГТД // Вестник Самарского университета. 2013. № 41. С. 131 – 138.

16. Исаев А.И., Молокова С.В. Термодинамика и теплопередача. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. – 156 с.

17. Кобельков В.Н., Улас В.Д., Федоров Р.М. Термодинамика и теплопередача. — М: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2004. – 322 с.

18. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. – М.: Мир, 1972. – 381 с.

19. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория авиационных двигателей. – М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. Ч. 1. – 365 с.

20. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. ГОСТ 8.563.1-97 ГСИ. – М.: Изд-во стандартов, 1999. – 56 с.

Скачать статью