Моделирование смесеобразования в компланарных газожидкостных форсунках тепловых двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

чны

е разработки и исследования

ш

Моделирование смесеобразования в компланарных газожидкостных форсунках тепловых двигателей

Ф.В. Пелевин,

профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., В.В. Лозовецкий,

профессор Московского государственного университета леса, д.т.н.,

A.А. Мартиросян,

инженер МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н.,

B.М. Черкина,

доцент Российского государственного университета туризма и сервиса, И.В. Статкевич,

аспирант Российского государственного университета туризма и сервиса

Выполнено экспериментальное исследование процессов смесеобразования компонентов топлива в газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами. Получены новые экспериментальные данные, обеспечившие установление зависимостей для определения угла распыла, коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода газожидкостной форсунки с компланарными каналами. Выявлено качественное и количественное влияние угла взаимного пересечения каналов и их числа в форсунке на величину расходного комплекса и полноту сгорания топлива.

Ключевые слова: смесеобразование, форсунки газожидкостные, компланарные каналы.

Simulation of mixing processes in complanar gas-liquid injectors of heat engines

F.V. Pelevin, V.V. Lozovetskiy, А.А. Martirosyan, V.M. Cherkina, I.V. Statkevych

Experimental study of propellant component mixing processes in a gas-liquid internal mixing injector with crossed channels was conducted. New experimental data establishing relationships to determine a spray angle, hydraulic resistance factor, and flow coefficient of gas-liquid injector with crossed channels was obtained. Qualitative and quantitative effect of channel mutual intersection angle and number of channels in the injector on a value of consumed characteristic exhaust velocity, and combustion efficiency was revealed.

Keywords: mixing, gas-liquid injectors, crossed channels.

Сростом цен на нефть становится все более актуальной

задача повышения полноты сгорания углеводородного топлива и перехода на экологически чистые виды топлива, а также повышения экономичности тепловых двигателей и камер сгорания различного назначения. При увеличении полноты сгорания происходит не только экономия топлива, но и улучшается экологическая ситуация, что особенно важно в мегаполисах.

Создание экологически чистого теплового двигателя или высокоэкономичной камеры сгорания во многом зависит от эффективности процессов смесеобразования и сгорания. Улучшение распыла, испарения и смешения компонентов топлива в камерах сгорания, топках и печах имеет большое практическое значение.

В настоящее время в большинстве эксплуатирующихся систем по сжиганию топлива используют струйные или центробежные форсунки с низкой полнотой сгорания топлива. На сегодняшний день хорошо известны различные типы струйных, центробежных одно- и двухкомпонентных форсунок [1, 2], каждая из которых имеет свои преимущества, недостатки и область применения. Но постоянное стремление улучшить полноту сгорания топлива при малых перепадах на форсунке заставляет конструкторов разрабатывать новые и модернизировать известные типы форсунок, например, с компланарными каналами [3]. Известно [4, 5], что тракты с компланарными каналами интенсифицируют теплоотдачу за счет взаимной подкрутки струй, турбулизации потока даже при малых числах Рейнольдса. Данных о применении их в газожидкостных форсунках внутреннего смешения практически нет, хотя высокая турбулизация потока даже при малых скоростях движения топлива в компланарных каналах способствует интенсивному смешению компонентов.

Для уменьшения объема камеры сгорания и времени пребывания топлива в ней следует осуществлять смесеобразование непосредственно в форсунке с внутренним смешением компонентов (рис. 1).

Наиболее широко тракт с компланарными каналами используется в авиационном двигателестроении. В России первым предложил и начал исследовать тракт с компланарными каналами В.М. Кудрявцев с коллегами. Внедрение в серийное производство охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей с компланарными каналами дало мощный толчок в развитии этого метода интенсификации тепломассообмена.

Различают тракты неограниченные, выполненные на осесимметричной поверхности, например, цилиндре (рис. 2), и ограниченные в поперечном направлении, то есть с одним или несколькими поворотами потока у боковых ограничивающих профилей, что приводит к изменению его структуры и коэффициента теплоотдачи вдоль канала.

Существует связь между массо- и теплообменом, поэтому данные по интенсификации теплообмена в компланарных каналах можно использовать при изучении процессов смесеобразования.

В работах [4, 5] представлены результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в цилиндрических неограниченныхтрактах с компланарными

т

Научные разработки и исследова

каналами. Исследования показали, что основным фактором, определяющим коэффициент теплоотдачи на участке стабилизированного теплообмена, является угол взаимного пересечения компланарных каналов 2р.

Повышение коэффициента теплоотдачи с увеличением угла 2р можно объяснить следующим образом. В отличие от течения в каналах с постоянной закруткой потоков по длине каналов взаимодействие компланарных потоков происходит в некоторой сопряженной области - области смешения. С увеличением угла 2р в области смешения возрастает интенсивность турбулентных пульсаций. Это ведет к увеличению обмена количеством движения между соприкасающимися потоками, что, в свою очередь, приводит к возрастанию касательных напряжений сопряженной области и интенсификации массообмена между потоками, вызванной увеличением глубины проникновения турбулентных молей из области смешения в ядро потока. Увеличение касательных напряжений в сопряженной области каналов приводит к усилению взаимной подкрутки потоков. В результате в компланарных каналах реализуется турбулентный поток кручения с вы-

сокими нормальными и тангенциальными переносными свойствами. Энергия турбулентности, вырабатываемая в области смешения компланарных потоков, переносится к теплоотдающей поверхности с молями теплоносителя как по нормали за счет увеличения турбулентных пульсаций, так и тангенциально потоку кручения в результате взаимной подкрутки.

Таким образом, вблизи теплоотдающей поверхности происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной значительного увеличения коэффициента теплоотдачи.

ные разработки и исследования

ш

Эффект высокой теплоотдачи (тепломассообмен) в трактах с компланарными каналами был использован при проектировании и исследовании вихревой малоперепад-ной газожидкостной форсунки (рис. 3).

Исследования гидродинамики двухфазного потока в трактах с компланарными каналами

Исследования проводились на шести экспериментальных моделях с углами 2р взаимного пересечения каналов 60°, 90°, 110° и числом N парных каналов 6, 10 и 17. Размеры каналов составляли 2x4 мм, которые выбирались в соответствии с рекомендациями работы [5]. В каналах размером менее 2x2 мм наблюдалось ухудшение смесеобразования, что косвенно подтверждается результатами исследования интенсификации теплообмена в компланарных каналах в зависимости от их абсолютных размеров. В малых каналах вихреобразование затруднено, что приводит к ухудшению смесеобразования. Компланарные каналы выполнены симметричными. Влияние асимметрии каналов на коэффициент гидравлического сопротивления не исследовалось. Число Рейнольдса изменялось от 102 до 105.

Экспериментальные исследования теневым методом и методом фотографирования показали, что угол факела распыла форсунки 2а зависит только от угла взаимного пересечения каналов 2р. Наблюдалось приблизительное равенство этих углов. Исключение - 2а=180°, при этом

перепады давления на форсунке Др<0,01 МПа, и факел прилипает к торцу форсунки, что обусловлено сильными обратными токами и малой величиной осевой составляющей скорости истечения.

При угле 2р близком к 100...110° осевая скорость резко падает. С увеличением угла 2р и при постоянном расходе топлива растет перепад давления на форсунке (рис. 4), который вызывает повышение расхода смеси (рис. 5).

С увеличением числа каналов N при постоянном расходе необходимый перепад давления уменьшается (рис. 6).

Гидравлическое сопротивление на начальном участке двуфазной жидкости больше, чем у однофазной (рис. 7).

Гидравлическое сопротивление на начальном участке в зависимости от числа каналов представлено на рис. 8.

Установлено, что протяженность начального участка, после которого имеет место установившийся вихревой поток, равна 2,5.3 поясам взаимного пересечения каналов Nn (рис. 9).

После прохождения этого участка газожидкостный поток полностью формируется, и коэффициент гидравлического

щ

Научные разработки и исследова

Рис. 9. Протяженность начального участка формирования двухфазного потока: 1 - 2р = 110°, «=10; 2 - 2р = 90°, «=10; 3 - 2р = 60°, N=6; 4 - 2р = 60°, «=10; 5 - 2р = 60°, «=17

сопротивления практически не меняется. Дальнейшее увеличение длины компланарных каналов приводит только к увеличению гидравлических потерь без какого-либо изменения структуры вихревого потока.

С увеличением суммарного угла взаимного пересечения каналов коэффициент гидравлического сопротивления £ возрастает (рис. 9). Чем большее значение принимает угол 2р, тем выше темп увеличения £. Во всем исследованном диапазоне характер изменения коэффициентов гидравлического сопротивления сохраняет монотонность, в том числе и для области переходного течения в гладкой трубе.

В отличие от течения в гладкой трубе область автомо-дельности коэффициента гидравлического сопротивления в тракте с компланарными каналами начинается при значениях числа Ре = (1...1,5)104. Этот вывод распространяется на все исследованные варианты трактов.

В результате обработки и обобщения экспериментальных данных была получена эмпирическая формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления в компланарных каналах вихревой газожидкостной форсунки

£=1,44-0,034 1п Ре+3,39 (2р).

Погрешность аппроксимации не более 3 %. Как видно из формулы, на коэффициент гидравлического сопротивления влияют число Рейнольдса и угол 2р. Влияние числа каналов N учитывается числом Рейнольдса.

С увеличением Ре коэффициент гидравлического сопротивления уменьшается, а при увеличении 2р - растет. При постоянном числе Рейнольдса с увеличением N наблюдается уменьшение £.

Путем обобщения экспериментальных данных для вихревых форсунок и использования известных из гидрогазодинамики зависимостей была получена эмпирическая формула для расчета коэффициента расхода

Цф = 1/[2,444-0,034 1п Ре+3,39(2р)]0'5 , где 2р - угол взаимного пересечения, рад.

Расход через форсунку можно определить по формуле

т = цф Г (2Дрр)0'5 , где р - плотность газожидкостной смеси, кг/м3.

Р = ХРж+(1-Х) Рг .

Здесь рж , рг - плотность жидкости и газа соответственно, кг/м3; х = тж/тг - массовое содержание жидкости в смеси.

Динамическая вязкость смеси определялась по следующей формуле:

» = X + (1-Х) -где , - динамическая вязкость жидкости и газа соответственно, Па-с [6].

Экспериментально установлено, что вихревые форсунки с компланарными каналами устойчиво работают при малых перепадах давления Др>0,01 МПа. Вихревая форсунка является малоперепадной с высоким коэффициентом расхода. При постоянном числе Рейнольдса коэффициент расхода увеличивается с уменьшением угла 2р (рис. 10). Так, для Ре=400 при угле 2р=60° коэффициент Мф = 0,4; при 2р=90° Цф=0,37; при 2р=110° Цф=0,33.

Для сравнения эффективности вихревой форсунки параллельно была испытана штатная центробежная газожидкостная форсунка. При одном и том же перепаде давления коэффициенты расхода у центробежной форсунки были по трактам жидкости цф=0,24...0,28, газа цф=0,11...0,12. Это указывает на более высокую эффективность форсунки с компланарными каналами по сравнению с центробежными форсунками, применяемыми в настоящее время.

Влияние параметров тракта на эффективность смесеобразования

Экспериментальное значение расходного комплекса определялось по формуле

В = р Г /т,,

э гк кр I

где рк - давление в камере сгорания, МПа; Гкр - площадь критического сечения камеры, м2; т1=ток+тг - суммарный расход, кг/с; ток - расход окислителя, кг/с; тг - расход горючего, кг/с.

Теоретическое значение расходного комплекса Вт определялось термодинамическим расчетом с учетом потерь на водяное охлаждение двигателя. Коэффициент камеры фВ рассчитывался по зависимости

Ф„ =В /В .

Т В э т

Огневые испытания вихревой форсунки с компланарными каналами подтвердили ее высокую эффективность. Экспериментальные исследования показали, что число парных каналов N и угол их взаимного пересечения оказывают существенное влияние на качество рабочего процесса экспериментального двигателя.

чны

е разработки и исследования

ш

Так, при соотношении компонентов Кт= 1 и увеличении угла 2р с 60° до 110° при постоянном числе парных каналов N=10 расходный комплекс увеличился с 1440 до 1570 м/с, а коэффициент камеры - с 0,88 до 0,96. Однако при угле взаимного пересечения каналов 2р=110° наблюдалось термическое разрушение форсунок вследствие уменьшения осевой составляющей скорости истечения и интенсивных обратных токов. Поэтому оптимальным с точки зрения безопасной работы и получения высоких удельных параметров признан угол взаимного пересечения каналов 2р=90°.

Однозначное влияние на качество рабочего процесса в камере сгорания двигателя оказывает и число парных каналов. Так, при увеличении числа каналов с 6 до 17 при постоянном угле 2р = 60° расходный комплекс возрос с 1440 до 1660 м/с, а коэффициент камеры - с 0,88 до 0,99. Это связано с улучшением равномерности распределения компонентов по сечению камеры сгорания. Поэтому при прочих равных условиях необходимо выбирать максимально возможное число парных каналов.

Результаты исследования двухкомпонентной центробежной форсунки показали, что при тех же начальных условиях коэффициент камеры не превышает 0,82.

Система комбинированной

топливоподачи

для дизельного двигателя

С.В. Черняк, изобретатель

Описана конструктивно простая система комбинированной топливоподачи. Она обеспечивает надежную подачу в форсунку смеси дизельного топлива и сжиженного газа. При этом не ухудшаются основные показатели работы двигателя и улучшаются экологические показатели.

Ключевые слова: дизельный двигатель, димети-лэфир, комбинированная топливоподача.

The combined system of fuel injection for diesel engine

S.V. Chernyak

Described constructively simple combined system of feed of fuel. It provides reliable supply in the fuel injector of mixture of diesel fuel and liquefied gas.

Keywords: diesel engine, dimethyl ether, combined system of fuel injection.

Таким образом, проведенные исследования двухкомпо-нентной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами показали целесообразность их применения в качестве высокоэффективных смесительных элементов тепловых двигателей и камер сгорания различного назначения.

Литература

1. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели.

- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 396 с.

2. Основы теории и расчета ЖРД: В 2 т./А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов и др.; Под ред. В.М. Кудрявцева. - М.: Высшая школа, 1993. - Т. 1. - 368 с.

3. А.С. № 1153598 СССР. Пневматическая форсунка для огне-струйной горелки / А.М. Грушенко, С.В. Безуглый, В.В. Спесивцев, А.П. Фурсов // БИ. - 1983. - № 12. - С. 28.

4. Говард К.П. Характеристики теплопередачи и гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей со скошенными каналами // Энергетические машины и установки.

- 1965. - № 1. - С. 85-101.

5. Орлин С.А., Поснов С.А., Пелевин Ф.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в щелевых трактах с компланарными каналами // Изв. вузов. Машиностроение. - 1984. - № 2. - С. 78-84.

6. Хьюнт Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ. - М.: Энергия, 1974. - 408 с.

Известно, что диметиловый эфир можно использовать как топливо для дизельного двигателя. При его подаче в камеру сгорания дизельного двигателя вместе с дизельным топливом происходит разложение молекулы диметилового эфира и высвобождение кислорода, который участвует в реакции дополнительного окисления дизельного топлива, что способствует уменьшению количества вредных выбросов в атмосферу.

Рассмотрим систему комбинированной топливоподачи для дизельного двигателя, обеспечивающую надежную подачу смеси дизельного топлива и сжиженного газа в форсунку без ухудшения основных показателей работы двигателя. *

Эта цель была достигнута путем внесения ряда конструктивных усовершенствований в известную систему комбинированной топливоподачи для дизельного двигателя, в которой смешивание с дизельным топливом сжиженного газа (диметилового эфира, далее ДМЭ) реализуется путем подачи последнего в трубопровод высокого давления через клапан подачи сжиженного газа (клапан импульсной подпитки). Причем ДМЭ поступает к этому клапану из баллона через распределительное устройство, являющееся по существу распределительным коллектором с входом (подача эфира из баллона) и выходами (подача эфира к клапану подачи сжиженного газа). Сжиженный ДМЭ подается в трубопровод высокого давления через клапан подачи циклически, в периоды так называемой «разгрузки» трубопровода после завершения активного хода плунжера топливного насоса, когда давление дизельного топлива в этом трубопроводе резко падает.

* Патент на изобретение № 2319857. Дата публикации 20.03.2008 г.