CC BY
29
УДК 62.656
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ НА ЭМИССИЮ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
1 9
© Нго Куанг Туен А.И. Исаев 2
1,2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2Иркутский филиал Московского государственного технического университета гражданской авиации, 664047, Россия, г. Иркутск, ул. Советская, 139.
Приведены основные результаты гидродинамических исследований в кольцевой камере сгорания газотурбинных двигателей (ГТД). Моделирование течения основано на гидро - и газодинамической аналогии в модельном секторе камеры, размещенном в гидробассейне. Опираясь на представлении о структуре потока в зоне горения, проведены экспериментальные изыскания влияния организации топливо-воздушной смеси на эмиссию вредных веществ.
Ключевые слова: организации горения; эмиссия вредных веществ; зона обратных токов; топливо-воздушная смесь.
ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDY OF BURNING ORGANIZATION EFFECT ON HAZARDOUS SUBSTANCE EMISSIONS IN GAS TURBINE ENGINES Ngo Quang Tuyen, A.I. Isaev
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Irkutsk Branch of Moscow State Technical University of Civil Aviation,
139 Sovetskaya St., Irkutsk, 664047, Russia.
The paper introduces the main results of hydrodynamic studies in an annular combustion chamber of gas turbine engines (GTE). Modeling of flow is based on a hydro- and gas dynamic analogy in the modeling sector of the chamber located in a water tank. Based on the concept of the structure of flow in the combustion zone, an experimental study of the effect of fuel-air mixture organization on the emission of hazardous substances has been carried out. Keywords: organization of burning; emission of hazardous substances; zone of reverse currents; fuel-air mixture.
В основе развития авиационных газотурбинных двигателей лежит, наряду с улучшением параметров газодинамического процесса, улучшение экологических показателей.
В настоящее время при создании высокотемпературных и малотоксичных камер сгорания большое внимание уделяется организации процесса горения, разработке новых типов фронтовых устройств, обеспечивающих высокоэффективное сжигание топлива при минимальной эмиссии вредных веществ.
Наибольшее распространение в камерах сгорания авиационных двигателей получили фронтовые устройства с лопаточными завихрителями, использование которых позволяет осуществлять как подготовку смеси, так и стабилизацию пламени.
Эмиссия вредных веществ в конечном итоге зависит от условий организации топливо-воздушной смеси и самого процесса горения. Учитывая это обстоятельство, авторы первоначально провели гидродинамические исследования структуры потока за лопаточными завихрителями [1, 2]. Исследования проводились в гидробассейне (рис. 1).
1Нго Куанг Туен, студент, e-mail: [email protected] Ngo Quang Tuyen, Student, e-mail: [email protected]
2Исаев Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, зав. кафедрой авиационных двигателей ИФ МГТУ ГА, тел.: 89149383927.
Isaev Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Aircraft Construction and Operation, Head of the Department of Aircraft Engines of the Irkutsk Branch of Moscow State Technical University of Civil Aviation, tel.: 89149383927.
Рис. 1. Гидробассейн
В качестве объекта исследования использована модель участка жаровой трубы кольцевой камеры сгорания (рис. 2).
Пренебрегая кривизной боковых поверхностей кольцевой камеры сгорания, основную часть модели выполнили из органического стекла в форме параллелепипеда, а фронтовое устройство - в виде плоской поверхности с двумя завихрителями. Суживающаяся часть обеспечивала сочленение модели с магистралью слива.
Рис. 2. Модель объекта исследования
Модель в гидробассейне была полностью в затопленном состоянии. Посредством слива жидкости через лопаточные завихрители формировалась вихревая структура течения за ними. Расстояние между за-вихрителями было выбрано из условия геометрического подобия для типовых кольцевых камер сгорания. Наличие двух лопаточных завихрителей во фронтовом устройстве позволяло моделировать вихревые течения при наличии интерференции между ними. По торцу фронтового устройства были выполнены 15 сквозных отверстий для обеспечения подвода подкрашенной жидкости в исследуемую область и визуализации течения (рис. 3).
Режим течения на входе лопаточного завихрителя задавался числом Рейнольдса [3] в диапазоне Ре = (0,11—0,45)106, что соответствует условиям течения в лопаточных завихрителях в основных режимах работы газотурбинного двигателя.
При подаче подкрашенной жидкости через отверстия в торцевой поверхности фронтового устройства на вход лопаточного завихрителя и расчетные точки за лопаточным завихрителем была получена общая картина течения в зонах обратных токов и в области интерференции вихревых течений. Исключив циркуляционную составляющую вихревого течения, получили структуру осевого течения (рис. 4).
Рис. 3. Фронтовое устройство модели
Было установлено, что поток, пройдя лопаточные завихрители, вовлекается во внешнее периферийное течение, так называемую зону прямого течения, затем переходит в область обратных токов. В зоне обратных токов поток имеет осевую направленность в сторону завихрителей.
В области, непосредственно примыкающей к лопаточным завихрителям, поток устремляется в зону возвратного течения. Возвратное течение протекает между зоной прямого течения и зоной обратных токов.
Интенсивность как в зоне обратного, так и в зоне возвратного течения главным образом зависит от эжекции их со стороны потока зоны прямого течения.
Результаты исследования позволили сделать вывод, что воздух, поступающий в камеру сгорания, последовательно проходит три зоны: прямого течения, обратных токов и возвратного течения (рис. 5).
Для большинства серийных двигателей подача топлива осуществляется в область зоны обратных токов, непосредственно примыкающую к фронтовому устройству (см. сечение 1 на рис. 4).
При такой подаче топлива его испарение и образование топливо-воздушной смеси происходит в области перехода из зоны обратных токов в зону возвратного течения. Горение топливо-воздушной смеси осуществляется по мере возвратного течения. Стабилизация пламени обеспечивается соответствующим характером скорости в поперечном сечении в зоне возвратного течения.
Рис. 4. Общая картина осевого течения за лопаточными завихрителями
Рис. 5. Схема течения за лопаточным завихрителем
Полнота сгорания образованной топливо-воздушной смеси и эмиссия вредных веществ зависят главным образом от скорости и протяженности зоны возвратного течения.
Изменить условия образования топливо-воздушной смеси и процесса горения возможно за счет подачи топлива не в камеру сгорания за лопаточным завихрителем, а перед ним.
В этом случае образование топливо-воздушной смеси будет проходить на отрезке ее пути от места расположения форсунки до лопаточного завихрителя, в лопаточном завихрителе и в какой-то степени в зоне прямого течения. Горение топливо-воздушной смеси будет проходить как в зоне прямого течения, так и, отчасти, в зоне обратных токов. Учитывая довольно большую суммарную протяженность зон прямого и обратного течений (по сравнению с зоной возвратного течения), представляется возможным увеличить полноту сгорания топлива.
Экспериментальное исследование влияния организации топливо-воздушной смеси и условий горения на эмиссию вредных веществ проведено на камерном стенде (рис. 6).
Конструктивно камерный стенд состоит из двух
магистралей, каждая из которых имеет кран регулирования расхода воздуха, устройство замера расхода воздуха; системы измерения параметров; системы подачи топлива; пусковой системы и рабочих участков для размещения объекта исследования. Воздух к камерному стенду подается от воздуходувки.
В качестве объекта исследования использована модельная камера сгорания (рис. 7), позволяющая моделировать структуру потока за лопаточным завихрителем [4]. При этом интерференция между смежными вихревыми течениями в приведенной схеме не рассматривается.
Первоначально топливная форсунка располагалась во фронтовой части камеры сгорания, во внутреннем канале лопаточного завихрителя (рис. 8).
При этом подача топлива осуществлялась в область, расположенную непосредственно за лопаточным завихрителем.
Исследование процесса горения проведено в диапазоне устойчивого горения. Состав топливо-воздушной смеси задавался изменением расхода воздуха при постоянном расходе топлива. Для замера эмиссии вредных веществ использовался портативный газоанализатор KANE 940.
Рис. 6. Камерный стенд
Рис. 7. Модельная камера сгорания
Рис. 8. Схема подачи топлива за лопаточным завихрителем
Учитывая небольшой диапазон рабочих температур KANE 940 (до 650 К), за камерой сгорания осуществлялся подвод охлаждающего воздуха из второй магистрали камерного стенда для обеспечения допустимой температуры работы газоанализатора.
При данной схеме подачи топлива эмиссия вредных веществ составляла:
СО - 150-1300 мг/3 ;
/ м
NO - 1-3 мг/ ^ .
Во втором случае при расположении форсунки перед лопаточным завихрителем (рис. 9) эмиссия вредных веществ составляла:
СО - 45-100 мг/ 3 ;
/ м
N0 - 4-9 мг/, .
/ м
Следует отметить, что подача топлива осуществлялась навстречу воздушному потоку, что способствует лучшему смешению топлива с воздухом.
Рис. 9. Схема подачи топлива перед лопаточным завихрителем
Таким образом, изменение условий подачи топлива, образования топливо-воздушной смеси и горения за счет перехода подачи топлива из области за лопаточным завихрителем в область перед ним позволило снизить эмиссию СО с 1300 мг/м3 до 100 мг/м3. При этом эмиссия оксида азота (NO) увеличилась с 3 мг/м3 до 9 мг/м3.
Рост эмиссии оксида азота NO связан с увеличением времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур.
Следует отметить, что при подаче топлива перед камерой сгорания наблюдается снижение диапазона устойчивого горения. Это связано с тем обстоятельством, что воспламенение топливо-воздушной смеси происходит в зоне прямого течения, в зоне, в которой имеет место более высокое значение скорости потока. Последнее обстоятельство предполагает в будущем разработку мероприятий по стабилизации процесса горения.
Статья поступила 29.01.2015 г.
Библиографический список
1. Нго Куанг Туен, Исаев А.И. Исследование организации вихревого течения в кольцевой камере сгорания ГТД // Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации: сб. тр. VI региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, 7 мая 2013 г., Иркутск: ИФ МГТУ ГА. 2013. С. 191-194.
2. Нго Куанг Туен, Исаев А.И. Исследование протяженности зон обратных токов за лопаточными завихрителями // Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации: сб. тр. IV научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов, 3-5
декабря 2013 г., Иркутск: ИФ МГТУ ГА. 2013. С. 170-173.
3. Виноградов Р.И., Жуковский М.И., Якубов Н.Р. Газодинамическая аналогия и практическое приложение. М.: Машиностроение, 1978.
4. Нго Куанг Туен, Исаев А.И. Экспериментальное исследование влияния организации топливо-воздушной смеси на эмиссию вредных веществ в ГТД // Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации -2014: сб. тр. VII региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, 16-17 октября 2014 г. Иркутск: Иркутский филиал МГТУ ГА, 2014 г. С. 5-8.
УДК 629.488
ВЛИЯНИЕ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР БАЗОВОЙ ДЕТАЛИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
1 9
© А.Г. Осипов1, А.В. Терпугов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Отмечается, что одной из причин выхода из строя тепловых машин является большой перепад температур базовой детали в результате ее неравномерного нагрева в процессе работы. Приводятся результаты экспериментальных исследований температурного поля дизельного двигателя КамАЗ-740.11 при его прогреве. Ключевые слова: тепловая машина; дизельный двигатель; базовая деталь, неравномерный нагрев; перепад температур; работоспособность дизельного двигателя.
BASE MEMBER TEMPERATURE GRADIENT EFFECT ON DIESEL ENGINE PERFORMANCE A.G. Osipov, A.V. Terpugov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
It is noted that one of the reasons for heat engine failure is a large difference in temperatures of the base member resulting from its uneven heating during operation. The paper provides the results of experimental studies of the temperature field of KamAZ-740.11 diesel engine when it warms-up.
Keywords: heat engine; diesel engine; base member; uneven heating; temperature drop; diesel engine performance.
Базовая деталь тепловых машин, преобразующих тепловую энергию в механическую работу, предназначена для размещения и крепления главной и остальных деталей. В настоящее время весьма распространенной на транспорте и в других отраслях тепловой машиной являются дизельные двигатели.
Базовой деталью дизельного двигателя является цилиндр, а в большинстве случаев блок цилиндров, конструктивно отливаемый заодно целое с картером
(блок-картер), в котором выполняются выточки для размещения подшипниковых опор главной детали двигателя - коленчатого вала.
Для совместной отливки блока цилиндров и картера дизельных двигателей в отечественном и зарубежном машиностроении преимущественно используются литейные серые чугуны, химический состав которых представлен в табл. 1.
1Осипов Артур Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail:[email protected]
Osipov Artur, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: [email protected]
2Терпугов Антон Владимирович, студент. Terpugov Anton, Student.
