Влияние процесса горения на структуру закрученного потока за горелочным устройством камеры сгорания газотурбинной установки

Авторы

Зубрилин И. А.^1*, Диденко А. А.^1**, Дмитриев Д. Н.^2***, Гураков Н. И.^1****, Эрнандэс М. М.^1*****

1. Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия
2. «ОДК-Кузнецов», Заводское шоссе, 29, Самара, 443009, Россия

*e-mail: zubrilin416@mail.ru
**e-mail: aanm_didenko@rambler.ru
***e-mail: ddn-rover@mail.ru
****e-mail: nikgurakov@gmail.com
*****e-mail: mariohernandezmo_4_2@hotmail.com

Аннотация

Представлены результаты исследования влияния процессов горения на структуру закрученного потока за горелочным устройством камеры сгорания газотурбинной установки с центральным телом. Экспериментально определены скорости потока с помощью лазерного доплеровского анемометра, состав продуктов сгорания с помощью метода отбора проб с последующим хроматографическим анализом. Проведено моделирование течения и процессов горения в трёхмерной нестационарной постановке с помощью метода моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES). Показано, что результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, кроме концентрации промежуточных продуктов сгорания, например СО, во фронте пламени. Для варианта без горения максимальное значение пульсационной составляющей скорости расположено за кромкой центрального тела в области образования крупных когерентных структур. В случае с горением максимальное значение пульсационной составляющей скорости смещается в область взаимодействия зоны обратных токов и основного закрученного потока.

Ключевые слова

газотурбинная установка, камера сгорания, моделирование крупных вихрей, экспериментальные измерения

Библиографический список

1. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas turbine combustion: alternative fuels and emissions. – CRC press, 2010. – 538 р.

2. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей: Учебник для вузов. – М.: Машиностро­ение, 1984. – 282 с.

3. Rolls Royce. The jet engine. – Rolls-Royce plc. – Fifth edition. Reprinted 1996 with revisions. – 292 p.

4. Gupta A.K., Lilley D.G., Syred N. Swirl flows. – Abacus Press, Tunbridge Wells, England, 1984. – 475 p. DOI: 10.1016/0010-2180(86)90133-1

5. Huang Y, Yang V. Dynamics and stability of lean- premixed swirl-stabilized combustion // Progress in Energy and Combustion Science. 2009. Vol. 35. Issue 4, pp. 293-364. DOI: 10.1016/j.pecs.2009.01.002

6. Кныш Ю.А. Автоколебания в закрученных струях: монография. – Самара: Изд-во Самарского науч­ного центра РАН, 2006. – 248 с.

7. Zubrilin I.A., Dmitriev D.N., Matveev S.S., Matveev S.G. Numerical investigation of the nonreacting swirling flow structure downstream of industrial gas turbine burner with the central body // ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition (American Society of Mechanical Engineers, Montreal, Quebec, Canada, 15-19 June 2015). Paper No. GT2015-42181, 9 p. DOI: 10.1115/GT2015-42181

8. Syred N. A review of oscillation mechanisms and the role of the precessing vortex core (PVC) in swirl combustion systems // Progress in Energy and Combustion Science. 2006. Vol. 32. Issue 2, pp. 93-161. DOI: 10.1016/j.pecs. 2005.10.002

9. Бакланов А.В. Малоэмиссионная камера сгорания диффузионного типа с микропламенным горением для конвертированного авиационного газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 2. С. 57-68.

10. Орлов М.Ю., Анисимов В.М., Коломзаров О.В. Доводка конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя с тороидальной зоной рециркуляции // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 3. С. 97-106.

11. Бантиков Д.Ю., Васильев В.И., Кустов Д.И., Лавров В.Н., Цыбизов Ю.И., Шариков Б.Ю. Малоэмис­сионная горелка. Патент RU 2442932 C1. Бюлл. № 9, 27.03.2013.

12. Инновационные лазерные технологии для образовательных целей и научных исследований, http://www.ioit.ru/

13. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. – М.: Физматлит, 2008. – 368 с.

14. Germano M, Piomelli U., Moin P, Cabot W.H. A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1991. Vol. 3. No. 7, pp. 1760-1765. DOI: 10.1063/1.857955

15. Oijen J.A., Goey L.P.H. Modelling of premixed laminar flames using flamelet-generated manifolds // Combustion Science and Technology. 2000. Vol. 161. Issue 1, pp. 113-137. DOI: 10.1080/00102200008935814

16. Анисимов В.М., Орлов М.Ю., Зубрилин И.А. Расчётная оценка теплового и напряжённо-деформиро­ванного состояния стенок жаровой трубы кольцевой камеры сгорания // Вестник Московского авиа­ционного института. 2016. Т. 23. № 3. С. 29-39.

17. Ianni J.C. A comparison of the Bader-Deuflhard and the Cash-Karp Runge-Kutta integrators for the GRI- MECH 3.0 model based on the chemical kinetics code Kintecus // Computational Fluid and Solid Mechanics (17–20 June 2003). – Elsevier Science Ltd, 2003, pp. 1368-1372. DOI: 10.1016/B978-008044046-0.50335-3

18. Zubrilin I.A., Matveev S.S., Matveev S.G., Idrisov D.V. Measurements and Experimental Database Review for Laminar Flame Speed Premixed Ch4/Air Flames // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 302, pp. 012078. DOI: 10.1088/ 1757-899X/302/1/012078

19. Матвеев С.Г., Орлов М.Ю., Зубрилин И.А. Пробле­мы использования компьютерных технологий при проектировании камер сгорания авиационных ГТД и пути их решения // Вестник Самарского государ­ственного аэрокосмического университета им. ака­демика С.П. Королёва (национального исследова­тельского университета). 2012. № 5-2(36). С. 207­213.

20. Matveev S.S., Idrisov D.V., Gurakov N.I., Gopalakrishna G., Zubrilin I.A., Matveev S.G., Shchepakina E.A. Simulation of CO and CO₂ emissions in model combustion chamber based on the combination LES and Reactor Network model // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 80, pp. 03008. DOI: 10.1051/ e3sconf/20198003008

Скачать статью