CC BY
47
УДК 662.613
05.00.00 Технические науки
численное исследование спектра распыливания центробежной форсунки
Попкова Оксана Сергеевна канд.техн.наук, доцент кафедры «ТОТ», РИНЦ SPIN-код: 4884-0466, Author ID: 635243 [email protected]
Хайрутдинов Марат Айдарович магистрант, [email protected]
Файзуллина Азалия Ильгизовна магистрант, faizullinamy au@gmail. com
Гильфанов Камиль Хабибович д.т.н., профессор, зав. кафедры «АТПП», Author ID: 153151 [email protected] Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет», Казань, Россия
В статье приведен расчет кривой спектра распыливания, позволяющей определить долю капель определенного фракционного размера в результате распыливания топлива форсункой при данных теплофизических и геометрических параметрах
Ключевые слова: ТОПЛИВО, РАСЧЕТ ФОРСУНОК, ФОРСУНКИ, СПЕКТР РАСПЫЛИВАНИЯ
Doi: 10.21515/1990-4665-134-030
UDC 662.613 Engineering science
determination of parameters for efficient combustion of low-sulfur fuel oil
Popkova Oksana Sergeevna Cand.Tech.Sci., associate Professor RSCI SPIN-code: 4884-0466, Author ID: 635243 [email protected]
Khairutdinov Marat Aidarovich graduate student, [email protected]
Faizullina Azaliya Ilgizovna
graduate student, faizullinamy au@gmail. com
Gilfanov Kamil Habibovich Dr.Sci.Tech., professor, head of the Department «ATPP», Author ID: 153151 kamil. [email protected]
Federal state budgetary educational institution of higher professional education «Kazan state power engineering University», Kazza, Russia
The article presents the calculation of combustion of liquid fuel, which is determined by the air consumption for combustion of fuel, then the number and the composition of combustion products - flue gas resulting from burning fuel and the flue-gas temperature
Keywords: FUEL, CALCULATION OF INJECTORS, SPRAYERS, SPRAY SPECTRUM
Для тепловых двигателей, применяемых в транспорте, основными видами топлива являются бензин, керосин, дизельное топливо, сжиженный природный газ. Для равномерного и быстрого их испарения, образования горючей смеси с лучшими для горения теплофизическими характеристиками, для увеличения скорости горения, перед попаданием в зону горения топливо распыливается и с необходимыми концентрациями распределяется в зоне горения.
В газотурбинных двигателях в камеры сгорания топливо подводится под некоторым давлением Рт к форсункам, через которые оно непрерывно впрыскивается в быстрый поток воздуха, протекающий через двигатель и камеру сгорания, в котором потом и сгорает. Кислород атмосферного воздуха служит окислителем для горючего.
В газотурбинных двигателях применяются в основном два типа форсунок- пневмомеханические (пневмогидравлические) и пневматические.
В пневмомеханических форсунках топливо подается, как правило,
А * 5
под сравнительно большим перепадом давления Лрт= (10 ...40) -10 Па и распыливается с помощью центробежного распылителя. Вокруг центробежного распылителя, соосно с ним, располагаются 1-3 кольцевых лопаточных или канальных воздушных завихрителя. С помощью них улучшается процесс распыливания и обеспечивается нужное поле распределения топлива. То есть, в пневмомеханических форсунках топливо распыливается в основном за счет энергии самого подаваемого топлива [3,4,5].
В пневматических форсунках наоборот, топливо подается под
А * 5
сравнительно низким перепадом давления Ар^= (3 ... 5) -10 Па и выдавливается, как правило, на пленкообразующую поверхность. Кольцевая топливная пленка с наружной и внутренней стороны интенсивно обдувается двумя потоками воздуха, проходящими с закруткой после воздушных завихрителей. Если в такой форсунке имеется третий ярус завихрителей, то он, как правило, служит для лучшего перемешивания образующейся топливно-воздушной смеси и ее точного распределения по входу в зону горения. Таким образом, в пневматических форсунках распыливание топлива осуществляется, в основном, за счет энергии потока воздуха[4,5].
Пневмомеханические и пневматические форсунки устанавливаются в основные камеры сгорания, которые имеются на каждом двигателе и располагаются между компрессором и турбиной. Качество работы форсунок оценивается по форме и дальнобойности струй впрыскиваемого ими топлива, по обеспечению требуемого закона распределения массы топлива в пространстве и величине неравномерности этого распределения, а также по величине диаметров образующихся капель и их относительному количеству в факеле распыла.
При выполнении расчетов процессов смесеобразования и горения типичными являются задачи, в которых для начального сечения зоны горения в числе исходных данных по факелу распыла задаются:
- общий расход топлива;
- начальные диаметры капель, число их фракций по диаметрам, минимальный и максимальный диаметры капель в факеле распыла, количество капель в каждой выделенной размерной фракции (распределение капель по диаметрам);
- значения составляющих скоростей капель для каждой размерной фракции и распределение капель по скоростям;
- значения составляющих скоростей движения воздуха и их распределение в сечении, например, на входе в диффузор камеры сгорания или на входе в каналы воздушного завихрителя.
Далее производится расчет рабочего процесса в камере сгорания, в том числе траекторий движения испаряющихся капель. В результате расчета становятся известными траектории движения капель для каждой их размерной фракции, поля распределения испаренного топлива и массы жидкого топлива, которая содержится в недоиспарившихся каплях. Результаты расчетов должны быть достаточно детальными с целью их последующего сопоставления с экспериментальными данными и данными других расчетных методов.
Целью работы является расчет кривой спектра распыливания, позволяющей определить долю капель определенного фракционного размера в результате распыливания топлива форсункой при данных теплофизических и геометрических параметрах для центробежной форсунки, находящейся в прямолинейной трубе с равномерным потоком воздуха.
В работе рассматривается процесс распыливания топлива типа авиационный керосин ТС-1 центробежной форсункой против потока. Топливо в виде цилиндрической струи или пелены поступает в поток, проходящий через камеру. Обычно на малом расстоянии от места впрыска (0,5-10 мм) распад струи завершается. С этого момента капли начинают двигаться по определенным траекториям как система отдельных материальных частиц. Одновременно с увлечением капель потоком они нагреваются теплом окружающей среды и испаряются. При заданном расходе От рассматривается ряд номинальных фракционных размеров а капель -20,40,60, 80, 100 и 120мкм. Капли с данными принятыми размерами представляются как система движущихся частиц, которая определяет профиль концентраций или удельных потоков жидкого топлива, а пар, смешавшийся с воздухом, создает распределение концентраций газообразной горючей смеси. Смесеобразование представляет собой сложный комплекс отдельных элементарных процессов, взаимодействующих друг с другом.
Приводимая методика расчета основывается на рассмотрении процесса распыла топлива форсунками в виде следующих «элементарных процессов»:распад струи жидкости, дробление на капли; движение капель по траекториям в условиях топливного факела; рассеивание капель относительно их упорядоченных траекторий движения; испарение капель; унос паров от капель потоком турбулентного перемешивания их по сечению потока [2].
Исходные данные для расчета: топливо - керосин ТС-1, расположение форсунки - против потока, температура потокаГв=473.15 К, скорость потокам/=86м/с, давление в потоке Рв = 9.80665 ■ 104 Па, интенсивность турбулентности£г = 0.05, масштаб
турбулентности^ = 0.01, давление подачи топлива
Арт = 19.6133 ■ 104 Па, расход топлива^ = 8.73 ■ 10_3 кг/с, температура топлива Гтопл=318.15 К, плотность топливарг = 761.6кг/м , поверхностное натяжение топлива^ = 25.3 ■ 10-3, плотность воздуха при
КГ
Тв = 473.15/С,—,рв = 0.12, вязкость воздуха при Тв = 473.15К,
Ия = 1.79 ■ 10_6Па/м2, диаметр соплового отверстия форсунки йс = 1.2 ■ 10"3м, угол конуса распыливания форсунки а = 41°, угол наклона вектора относительной скорости к осиу = 172°, длина участка движения капель^ = 365 ■ 10"3м, начальный диаметр капель а01 = 20 ■ 10"3м, а02 = 40 ■ 10"6м, а03 = 60 ■ 10"6м, а04 = 80 ■ 10"6м, а05 = 80 ■ 10"6м, а06 = 120 ■ 10"6м.
Система основных размерных параметров, характеризующих процесс, включает восемь величин.
• Величина а - определенный средний диаметр, например медианный диаметр спектра ам, соответствующий ординате 0.5 на статистической кривой суммарных относительных объемов.
• атах-диаметр, соответствующий ординате0.95на кривой суммарных относительных объемов.
• е - толщина пелены жидкости, измеренная по нормали к средней скорости жидкости V. Чем меньше е данной форсунки, тем мельче образующиеся капли.
• ^ - коэффициент расхода форсунки, учитывающий неполноту заполнения струей соплового сечения, поворот струи на угол распыливания, потери напора и профиль скоростей жидкости.
• а - константа размера, чем больше ее значение, тем крупнее капли.
• п-константа распределения, чем больше ее значение, тем более равномерно капли распределяются по размерам. Данные константы изменяются в зависимости от форсунки и режима ее работы, то есть зависят от всех размерных параметров, определяющих процесс распыливания жидкости.
• м-начальная скорость истечения жидкости относительно системы координат, связанной с окружающим потоком.
По теоретическим и экспериментальным исследованиям [2]процесс распыливания определяется скоростью жидкости относительно воздуха в месте распада струи. Для случая распыливания в неподвижный воздух эта скорость совпадает со скоростью истечения. Для форсунки, установленной против потока, она равна геометрической разности векторов скорости истечения и скорости набегающего потока:й0 = -(м?-г7),и0 -скорость обдува капли.
При исследовании распыливания и смесеобразования широко используется эмпирическое уравнение для изображения кривой объемного (или массового спектра распыливания в координатах у ,а , V, (формулы Розина-Раммлера).
П , _(£\п у = — а71 е ^й/ 7 ап
Ус = 1- е"®
гд^ = — относительный объем капель, т.е. объем всех капель АV ,
приходящихся на данный (малый) интервал спектра размеров ( а1 ; а1 +Ааг- ), отнесенный к объему всех капель У0 на длине интервала Ааг-; а, п -константы размера и распределения; -суммарный относительный объем,
то есть. сумма относительных объемов всех капель, с диаметром, меньшим или равным данной капле а[1].
Расчет спектра распыливания начинаем с определения параметров топливоподачи, коэффициента расхода форсунки, толщины жидкой пелены и скорости истечения жидкости а ¿. Коэффициент расхода через форсунку:
ц =- ^ ; ц = 0.446589
7Г ■ г2Л/2 ■ Арт ■ рв
Толщина пелены жидкости, м:
1 - дД — Ц" собСО) .
е =-1-р--^ ■ г; £ = 1.477 ■ 10"4
соб(а)
Скорость истечения, м/с:
V =
N
2 ■ Арт
Рв
Зная величины V, а, w , находим значение начальной относительной скорости и0 . Для этого удобнее всего использовать графический метод треугольника скоростей
Щ = Ju%x + u$y,u0 = -(v-új),
vx = v cos a =22- cos 41° = 16.65 м/с vx = v cos (90 -a) = 22- cos 49° = 14.47м/с vox = ~vx + wx = -(-16.65) + 86 = 102.65м/с v0y = -vy + wy = -(-14.47) + 0 = —14.47m/c
щ = 103m/C
Располагая всеми необходимыми размерными параметрами, вычисляем безразмерные критерии процесса распыливания
£■Рв ■ Un
Пг = —^—-П1 = 987; Цо
п2 = ™ 1 П2 = 13282.
Ш'
Медианный, максимальный диаметр капель и характеристики спектра распыливания определяются по функциям, аппроксимирующим
ам = (д ) — е 1 '
Медианный диаметр капель:
кривые зависимостей -м = (П1), = (П 2).
ее
ам = (135 + 3.67 ■ 1(Г3 ■ П2) ■ (П!)"0 9 ■ е; ам = 52.9мкм,принимаем ам = 53мкм.
Максимальный диаметр капель:
«шах = (67 + 3.44 ■ 10"3 ■ П2) ■ (Щ"0-7 ■ е; атах = 128.9мкм, принимаем атах = 130мкм,
Исходя из принятых значенийатах = 130мкм, а также атт = 10мкм,удобным способом разбивки капель на группы принимается деление на / = бгрупп со средними диаметрами Яоь ширина размерного диапазона - Дао1 = 20мкм[1].
Величина отношения^^« 2.4является характерной для
большинства форсунок. Крупность распыливания, полученная в расчете, может быть признана с точки зрения качества смесеобразования в потоке воздуха (испаряемость и т.д.) вполне удовлетворительной.
Константа распределения:
0.636
п =-т-^=1.8.
^ - - ■ —5 — ^
log
V
1 + 5.4 • 10-5 -П2 П0.184
-5--П1
2 + 5.4 • 10-5-П2 1
Г \п ' а0 1
Кривая спектра распыливания = 1 - е Константа размера
ч а
а =--М
1п(2)
64.8 мкм.
п
Результаты расчета спектра распыливания представлены на рис. 1.
п
- а0 |
Использование уравнения вида У5 = 1 - е ^ а ^ является первым
приближением в решении сложной задачи о связи между распределением капель в спектрах распыливания и режимными параметрами, характеризующими распад струи жидкости. Результаты расчетов кривой спектра распыливания приведены на рис.1
1,0 У ■ 0,80,60,40,20,0
140
а0, мкм
Рис. 1. Спектр распыливания По результатам расчетов, можно определить долю капель определенного фракционного размера в результате распыливания топлива форсункой. Внешний вид кривой определяется тем, что количество капель с диаметрами а01 < ат1П и > атахсоставляет:
а
У • = 1 - е
у 5 Ш1П 1 е
шт а
= 0.034,
п
то есть приблизительно 3% от общего количества капель, поэтому ширина размерного диапазона капель ограничивается
а01 = 20мкм — а06 = 120мкмбез значительной потери точности вычислений.
Литература
1. Кузнецов, Г. В., Саломатов, В. В., Сыродой, С. В. Численное моделирование зажигания частиц водоугольного топлива // Физика горения и взрыва. -2015.- № 4. 11-19 - с.
2. Лукачев С.В., Диденко А.А., Зубрилин И.А, Мишенков С.Ю., Некрасова С.О. Математические модели и расчет распределения топлива в турбулентном потоке воздуха за центробежной форсункой. Учебноепособие. -2011.115 - с.
3. Витман Л. А., Кацнельсон Б. Д., Палеев И.И. Распыливание жидкостями форсунками - Книга. - 1962. 266 - с.
4. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - Книга. - 1986. 566 - с.
References
1. Kuznecov, G. V., Salomatov, V. V., Syrodoj, S. V. Chislennoe modelirovanie zazhiganija chastic vodougol'nogo topliva // Fizika gorenija i vzryva. - 2015.- № 4. 11-19 - s.
2. Lukachev S.V., Didenko A.A., Zubrilin I.A, Mishenkov S.Ju., Nekrasova S.O. Matematicheskie modeli i raschet raspredelenija topliva v turbulentnom potoke vozduha za centrobezhnoj forsunkoj. Uchebnoeposobie. -2011.115 - s.
3. Vitman L.A., Kacnel'son B.D., Paleev I.I. Raspylivanie zhidkostjami forsunkami - Kniga. - 1962. 266 - s.
4. Lefevr A. Processy v kamerah sgoranija GTD. - Kniga. - 1986. 566 - s.
