Исследование турбулентного горения применительно к камерам сгорания ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Хаблус Ахмед Абдулмагид Махди

• Хаблус Ахмед Абдулмагид Махди
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хаблус Ахмед Абдулмагид Махди

Введение.

1. Обзор литературы по исследованию процессов турбулентного распространения пламени.

1.1. Теория распространения ламинарного пламени.

1.2. Горение в турбулентном потоке.

1.3. Модель явления.

1.4. Критерий, характеризующий механизм горения.

1.5. Моделирование камер сгорания теорией гомогенного реактора.

2. Исследование нормальной скорости горения гомогенных топливовоздушных смесей.

2.1. Определение UH опытным путем.

2.1.1. Метод трубок.

2.1.2. Метод бомбы постоянного давления.

2.1.3.Метод горелки.

2.2. Экспериментальная установка и порядок проведения опытов.

2.3. Методика обработки результатов измерений.

2.4.Теоретическое определение нормальной скорости горения.

2.5. Определение температуры горения.

2.6.Факторы, влияющие на скорость распространения ламинарного пламени.

2.6.1.Начальная температура смеси.

2.6.2. Влияние давления.

2.6.3. Влияние балластирования.

2.7. Погрешность обработки опытных данных.

3.0 Исследование турбулентного распространения пламени.

3.1. Определение опытным путем.

3.1.1. Метод обращенного конуса.

3.1.2. Метод прямого конуса.-573.2. Описание экспериментальной установки.- 59

3.3. Порядок проведения опытов.- 61

3.4. Методика обработки результатов измерений.- 63

3.5. Анализ результатов исследований.- 66

3.6. Влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени.г 68

4.0 Одномерная модель камеры сгорания на основе теории турбулентного горения.- 73

4.1 Определение параметров турбулентного потока в камерах сгорания. -734.2. Модель сгорания топлива на основе "поверхностного" механизма распространения пламени.-11

4.2.1. Влияние коэффициента избытка воздуха.- 87

4.2.2. Влияние конструкции камеры сгорания.- 88

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование турбулентного горения применительно к камерам сгорания ГТД»

Актуальность. Углеводородные топлива еще долгое время будут оставаться основным источником энергии для тепловых машин и энергетических установок различного назначения. Поэтому задача повышения эффективности сжигания углеводородных топлив в настоящее время является одной из наиболее актуальных проблем совершенствования тепловых двигателей.

В газотурбинных двигателях (ГТД) процесс сгорания топлива протекает в турбулентном потоке. Совместное воздействие химических и гидродинамических факторов в турбулентном потоке оказывает значительное влияние на процесс распространения пламени, что обеспечивает существенную интенсификацию процессов горения.

Вопросам исследования турбулентного горения посвящены труды ряда ученых - Г.Дамкёллера, К.И.Шелкина, Е.С.Щетинкова, А.В.Талантова и др.[1,2,3,4] Ими созданы основы фундаментальной теории турбулентного горения, используемой при расчетах процессов горения в потоке, в частности, в прямоточных камерах сгорания ГТД. Однако применение данной теории к расчету основных камер сгорания (КС) требует дополнительных исследований, что обусловлено наличием неоднородности сжигаемых топливовоздушных смесей. Применение теории турбулентного горения при моделировании рабочих процессов в КС позволяет определить влияние не только кинетических факторов, но и гидродинамических условий, что значительно расширяет возможности прогнозирования ее характеристик.

Целью работы является:

- определение основных характеристик турбулентного распространения пламени применительно к условиям камер сгорания ГТД.

- разработка на основе теории турбулентного горения методики расчета основных камер сгорания ГТД.

Задачи исследования:

1. Проведение экспериментов по измерению нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени.

2. Определение эмпирических уравнений для расчета нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени в зависимости от исходных параметров.

3. Разработка расчетной модели камеры сгорания на основе теории турбулентного распространения пламени.

4. Проведение расчетов характеристик КС на основе разработанной модели.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Получена эмпирическая зависимость для расчета нормальной скорости распространения пламени UH и проведено сопоставление с результатами расчета по тепловой теории Зельдовича.

2. Экспериментально установлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость распространения пламени.

3. Найдена эмпирическая зависимость турбулентной скорости распространения пламени от состава смеси и степени подогрева.

4. На основе теории турбулентного горения разработаны физическая и математическая модели КС.

Практическая ценность состоит в том что:

- получены расчетные зависимости для определения нормальной и турбулентной скорости горения;

- создана методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД;

- проведены расчеты характеристик камеры сгорания ГТД.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментального исследования нормальной и турбулентной скоростей распространения пламени.

2. Результаты экспериментального исследования влияния автотурбулиза-ции пламени на турбулентную скорость горения.

3. Методика расчета характеристик камеры сгорания ГТД на основе теории турбулентного горения.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и метрологической проверкой используемых приборов, обобщением и сравнением полученных результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью опытных данных.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на:

- Международном конгрессе по двигателестроению (Харьков, ХАИ, 2003 г.);

- Международном симпозиуме по неравновесным процессам и атмосферным явлениям (Сочи, Институт химической физики АН РФ, ЦИАМ, 2005 г.);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2006 г.);

- научно-технической конференции (Казань, КГТУ, 2004 г.).

Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, в разработке методов и программ расчета. Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Хаблус Ахмед Абдулмагид Махди

Выводы по работе:

1. Проведены экспериментальные измерения нормальной и турбулентной скоростей горения газообразных углеводородных топлив.

2. Получена эмпирическая зависимость нормальной скорости горения от состава смеси, температуры, давления и балластировки продуктами сгорания.

3. Экспериментально выявлено влияние автотурбулизации на турбулентную скорость горения.

4. Получена зависимость для определения турбулентной скорости с учетом автотурбулизации.

5. Создана методика расчета характеристик камер сгорания на основе теории турбулентного горения.

6. Проведены расчеты характеристик камеры сгорания двигателя НК18СТ.

Заключение

В работе проведено экспериментально - теоретическое исследование ламинарной и турбулентной скоростей распространения пламени в углево-дородно - воздушных смесях, применительно к КС ГТД.

Установлено, что существуют некоторые отличия в протекании теоретических и экспериментальных зависимостей, связанных с недостаточно точными определением порядка реакции и констант, входящих в теоретические зависимости, полученные на основе тепловой теории Я.Б. Зельдовича.

Для более точного определения UH проведены экспериментальные измерения на грелке Бунзена. Полученные настоящей работе и другими исследованиями данные обобщены с помощью эмпирических зависимостей, учитывающих влияние коэффициента избытка воздуха, температуры, давления и балластировки смеси продуктами сгорания.

Экспериментальные исследования турбулентных пламен за нише-выми стабилизаторами пламени показали, что данные по турбулентной скорости распространения пламени отличаются от теоретических в особенности в области горения богатых смесей. Предполагается, что эта разница связана с дополнительными пульсациями, возникающими в результате автотурбулизации, обусловленной влиянием теплопроводности и диффузии в отдельных очагах горения смеси.

В работе проведено обобщение этого влияния с помощью коэффициента автотурбулизации зависящим в основном от степени подогрева и коэффициента избытка воздуха.

В дальнейшем результаты проведенных исследований используются при создании одномерной модели камеры сгорания, в которой рассматривается сгорание осредненного объема смеси в проточной части КС с турбулентной скоростью распространения пламени.

Здесь турбулентная скорость является основным определяющим параметром и состоит из нормальной и пульсационной составляющих.

Дополнительный учет влияния автотурбулизации позволяет учитывать также степень подогрева и коэффициент избытка воздуха, что усиливает учет влияние кинетических факторов и тем самым позволяет получить лучшие соответствие теоретических данных с результатами экспериментальных исследований реальных камер сгорания.

В работе проводится анализ влияния основных режимных и конструктивных факторов на характеристики камер сгорания.

Получена достаточно удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных зависимостей.

Это указывает на возможность использования предложенной модели на практике при проектировании и доводке камер сгорания ГТД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хаблус Ахмед Абдулмагид Махди, 2006 год

1. Damkohler G., Der Einfluss des Turbulenz auf die Flammenge Schwin-digkeit in Gasgemischen, Jahrbuch, 1939, D. L.F.S. 113,17.

2. К.И. Щелкин, Я.К. Трошин «Газодинамика горения». М., Изд-во АН1. СССР, 1963.

3. Е. С. Щетинков «Физика горения газов». М., "Наука", 1965.

4. JI. И. Хитрин «Физика горения и взрыва». Изд-во МГУ, 1957.5. . Талантов А.В. Основы теории горения ,М.: Машиностроение,1975.-251с.

5. Талантов А.В., Горение в потоке, М.: Машиностроение, 1978.-160с.

6. Б. Льюис, Г. Эльбе «Горение, пламя и взрывы в газах». М., «Мир»,1968.

7. Ф.А. Вильяме «Теория горения». М., «Наука», 1971.

8. Раушенбах Б.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 525 с.

9. Михайлов А.И. и др. «Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных-двигателей». М., ОборонгизД 959.

10. Зельдович Я.Б. К теории теплонапряженности протекания изотермической реакции в струе // Журн. техн. физики. 1941. Т. 11. С. 493-500.

11. В.А. Щукин, А.В. Мосин, А.Ф. Кузин, А.В. Талантов «Нормальная скорость распределения пламени при двухстадийном процессе горения». /Казанский авиационный институт, Труды КАИ Выпуск 124, Казань 1970 г., стр. 50-58.

12. В.М. Янковский, В.А. Щукин, А.Ф. Кузин, В.В. Голубев, А.В. Талантов «Методика определения границ зоны горения в турбулентном потоке. / Казанский авиационный институт, Труды КАИ Выпуск 124, Казань 1970 г., стр. 9-24.

13. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Т. 1 / Под ред. В.П.Глушко. М.: ВИНИТИ, 1971. 266 с.

14. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964.306 с.

15. Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей,2004.219с.

16. Мингазов Б.Г. , В. Б. Явкин Автоматизированные расчет и проектирование камеры сгорания ГТД,2000.

17. В.Н. Груздев «Оценка эффективности сгорания по результатам объемного газового анализа». / Известия высших учебных заведений «Авиационная техника» №4 • 1969, стр. 68-79.

18. Груздев В.Н. Аналитическое представление основных характеристик процесса горения гомогенных топливоздушных смесей // Горение в потоке: Сб. ст. Казань, 1982. С. 44-50

19. М.М. Нуриев, В.Н. Груздев, А.В. Талантов « Скорость распространения пламени в гетерогенных керосиновоздушных смесях»/ Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева, Межвузовский сборник, Казань 1980,стр.8-13.

20. Хаблус Ахмед. Моделирование процесса сгорания топлива в камерах сгорания ГТД./ Мингазов Б.Г., Хаблус Ахмед // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, Харьковский авиационный институт, 2004. - с.51-53.

21. Хаблус Ахмед. Определение нормальной скорости распространения пламени в горючей смеси / Мингазов Б.Г., Хаблус Ахмед // Тез. докл. междунар. научно-техн. конфер. «Рабочие процессы и технология двигателей». Казань, 2005. - с.41-44.

22. A.A.Hablous. Turbulent theory for GTE combustion chambers. / B.G.Mingazov, A.A.Hablous // The second international symposium on no equilibrium processes combustion and atmospheric phenomena. 3-7 October, Sochi, Russia. 2005, p. 124-131.

23. Hablous Ahmed A. A role of Turbulation in a flame speed process. Second scientific conference of international Ph.d and M.sc. students of KSTU, 2006, p.91-95.

24. Hablous Ahmed. A. Turbulent theory for GTE combustion chamber. First scientific conference of international Ph.d and M.sc. students of KSTU, 2005, p. 87.

25. Щукин В.А., Рогожин Б.А., Янковский В.М. Предварительный расчет форсажной камеры сгорания ГТД: Учебное пособие / Казан, авиац. инт. Казань, 1981.

26. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. 392 с.

27. Основы практической теории горения: Учебное пособие / Под ред. В.В. Померанцева. Л.: Энергия, 1973. 264 с.

28. Льюис Б., Пиз Р.Н., ТейлорХ.С. Аэродинамика больших скоростей и реактивная техника. М.: Физматгиз, 1961. 542 с.

29. Вильяме Ф.А. Теория горения. М.: Недра, 1971.

30. Чумаченко В.Г., Сыченков В.А., Янковский В.М. Влияние состава смеси на коэффициент выделения тепла камеры сгорания ГТД с предварительным испарением топлива // Горение в потоке: Межвуз. сб. Вып. 3 / Казан. авиац. ин-т. Казань,1980. С. 13-15.

31. Дорошенко В.Е. О процессе горения в камере газотурбинного двигателя Т. 2 // Третье всесоюзное совещание по теории горения. М.: АН СССР, 1960. С. 262-269.

32. Хакер Д.С. Модель стабилизации пламени в закрученном потоке, основанная на упрощенной теории пути смешения. М.: Ракетная техника и космонавтика. 1974. №1. С. 78-86.

33. А.Ф. Кузин, В.М. Янковский ,В.А. Аполлонов, А.В. Талантов .Влияние начальной температуры на основные характеристики горения в турбулентном потоке однородной смеси. М.: Наука, 1972. С. 431-436.

34. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / Пер. с англ.-М.:Мир,1986.-566с.

35. Н. Cohen, G.F.C. Rogers, Gas turbine theory, 1972.

36. Arthur H. Lefebvre, Gas turbine combustion, M.:McGRAW-HILL 1983-531c.

37. Дубовкин H. Ф., Маланичева В. Г. , Массур Ю. П. ,ФеЬров Е. П., Физико- химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив,-239с.

38. СполдшгД. Б. Основы Теории горения, 1959.-320с.

39. Н.Ф. Дубовкин, А.П. Горшенин «Влияние характеристик форсунки, температуры и физико-химических свойств топлива на полноту сгора-118ния в камере ГТД». / Известия высших учебных заведений «Авиационная техника» №1 • 1970, стр. 97-105.

40. В.М. Янковский, Г.М. Шалаев, В.А. Сыченкое «Основы автоматизированного проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей». / Казанский авиационного института им. А.Н. Туполева, Учебное пособие, Казань 1989.

41. М.Т. Бортников «Особенности изменения коэффициента полноты сгорания топлива в зависимости от объемного расхода воздуха в основной камере сгорания». /Труды ЦИАМ №755,1977.

42. Ю.Ф.Гортышов,Ф.Н. Дресвянников,Н.С. Идиатуллин и др.подред. В.А. Щукина «Теория и техника теплофизического эксперимента». : Учебное пособие для вузов /М.:Энергоатомиздат,1985.-360с.