Удосконалення конструкції отворів повітряного охолодження камери згоряння авіаційного двигуна для зменшення викидів і контролю рівномірності температури

image_print
DOI
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 27, № 4, 2024 (грудень)
Сторінки 6–21

 

Автор

M. Hajivand, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» (61070, Україна, м. Харків, вул. Вадима Манька, 17), e-mail: m.hajivand82@gmail.com, ORCID: 0000-0002-9990-9761

 

Анотація

Поточне дослідження є комплексним числовим аналізом, що стосується рівномірності температури та прогнозування викидів NOx і CO в жаровій трубі кільцевої камери згоряння авіаційного двигуна шляхом геометричних модифікацій, зокрема зміни конструкції первинного охолоджувального повітря, включаючи отвори для ефузійного охолодження. Було досліджено п’ять геометричних конфігурацій із використанням моделювання CFD в ANSYS CFX. Прийнята модель горіння поєднувала хімію з кінцевою швидкістю реакції та модель вихрової дисипації (FRC/EDM). Крім того, моделювалося згоряння рідкого гасу (C12H23) з повітрям після випаровування паливних крапель. Моделювання розпилення використовувало розподіл розмірів крапель Розіна-Раммлера для точного відображення процесу розпилення палива. Було розглянуто як термічні, так і миттєві механізми утворення NOx, тоді як для турбулентності використовувалася модель k-ε. Кільцева камера згоряння реалістичних розмірів із подвійним радіальним завихрювачем повітря була змодельована в 3D CAD для проведення цього дослідження з хорошими, надійними результатами. Контурні графіки розподілу температури та концентрації NOx аналізувалися вздовж осі від центру інжектора. Діаграми рівномірності температури та концентрацій NOx і CO на виході з камери згоряння слугували показниками продуктивності. Моделювання було реалізовано за допомогою двоетапної схеми хімічної кінетики для згоряння гасу та моделі випромінювання P1, яка забезпечила точне прогнозування теплового випромінювання. Однією з основних цілей цього дослідження було порівняння результатів CFD на виході з камери згоряння з газодинамічними та термодинамічними розрахунками, виконаними за допомогою програмного забезпечення AxStream на кафедрі конструкції авіаційних двигунів Харківського авіаційного інституту. Важливо зазначити, що середнє відхилення результатів газодинаміки, отриманих із результатів моделювання AxStream і CFD, було незначним, що підтвердило правильність підходу CFD. Результати свідчать про те, що перепроєктування жарової труби камери згоряння, зокрема конструкцій, пов’язаних із первинними та ефузійними охолоджувальними отворами, значно скоротило викиди NOx і CO. Крім того, ці конструктивні зміни допомогли знизити або покращити рівномірність температури на виході з камери згоряння, що підвищило ефективність і продуктивність згоряння.

 

Ключові слова: камера згоряння, охолоджувальне повітря, фактор рівномірності, викиди, формування NOx, CFD.

 

Література

  1. Lefebvre A. H., Ballal D. R. Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions. Third Edition. CRC Press, 2010. 557 p. https://doi.org/10.1201/9781420086058.
  2. Nitrogen Oxides: Pollution Prevention and Control. In: Pollution Prevention and Abatement Handbook 1998: Toward Cleaner Production. World Bank Publications, 1999. P. 245–249. https://www.ifc.org/content/dam/ifc/doc/1990/handbook-nitrogen-oxides-pollution-prevention-and-control.pdf.
  3. Watanabe H., Kurose R., Yano Y., Makino H., Komori S.  Numerical simulation of soot formation in spray jet flames. Journal of the Society of Powder Technology, Japan. 2012. Vol. 49. Iss. 6. P. 467–477. https://doi.org/10.4164/sptj.49.467.
  4. Koutsenko I. G., Onegin S. F., Sipatov A. M. Application of CFD-based analysis technique for design and optimization of gas turbine combustors. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2004: Power for Land, Sea, and Air (June 14–17, 2004, Vienna, Austria). 2004. Vol. 1: Turbo Expo 2004. P. 253–260. https://doi.org/10.1115/GT2004-53398.
  5. Dudebout R., Reynolds B., & Molla-Hosseini K. Integrated process for CFD modeling and optimization of gas turbine combustors. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2004: Power for Land, Sea, and Air (June 14–17, 2004, Vienna, Austria). 2004. Vol. 1: Turbo Expo 2004. P. 679–686. https://doi.org/10.1115/gt2004-54011.
  6. Zong C., Ji C., Cheng J., Zhu T. Comparison of adiabatic and conjugate heat transfer models on near-wall region flows and thermal characteristics of angled effusion cooling holes. Thermal Science and Engineering Progress. 2022. Vol. 30. Article 101269. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101269.
  7. Ji Y., Ge B., Zang S. Analysis of effusion cooling under realistic swirl reacting flow in gas turbine combustor. Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 216. Article 119101. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119101.
  8. Wang J., Hu Z., Du C., Tian L., Baleta J. Numerical study of effusion cooling of a gas turbine combustor liner. Fuel. 2021. Vol. 294. Article 120578. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120578.
  9. Pang L., Zhao N., Xu H., Li Z., Zheng H., Yang R. Numerical simulations on effect of cooling hole diameter on the outlet temperature distribution for a gas turbine combustor. Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 234. Article 121308. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121308.
  10. Ding G., He X., Zhao Z., An B., Song Y., Zhu Y. Effect of dilution holes on the performance of a triple swirler combustor. Chinese Journal of Aeronautics/Chinese Journal of Aeronautics. 2014. Vol. 27. Iss. 6. P. 1421–1429. https://doi.org/10.1016/j.cja.2014.10.008.
  11. ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 16.2. ANSYS, Inc. 2015.
  12. Magnussen B. F., Hjertager B. H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion. 1977. Vol. 16. Iss. 1. P. 719–729. https://doi.org/10.1016/s0082-0784(77)80366-4.
  13. Spalding D. B. Development of the eddy-break-up model of turbulent combustion. Symposium (International) on Combustion. 1977. Vol. 16. Iss. 1. P. 1657–1663. https://doi.org/10.1016/s0082-0784(77)80444-x.
  14. Warnatz J., Maas U., Dibble R. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Springer Berlin, Heidelberg, 2006. 378 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-45363-5.
  15. Jiang B., Liang H., Huang G., Li X. Study on NOx formation in CH4/air jet combustion. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2006. Vol. 14. Iss. 6. P. 723–728. https://doi.org/10.1016/S1004-9541(07)60002-0.
  16. PowerJet SaM146. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/PowerJet_SaM146.
  17. 3D CAD Design Software. SolidWorks: official site. https://www.solidworks.com/.
  18. Roux S., Cazalens M., Poinsot T. Outlet-boundary-condition influence for large eddy simulation of combustion instabilities in gas turbines. Journal of Propulsion and Power. 2008. Vol. 24. No. 3. P. 541–546. https://doi.org/10.2514/1.33739.
  19. Férand M., Livebardon T., Moreau S., Sanjosé M. Numerical prediction of far-field combustion noise from aeronautical engines. Acoustics. 2019. Vol. 1. Iss. 1. P. 174–198. https://doi.org/10.3390/acoustics1010012.
  20. SoftInWay. Identity Server. (n.d.). https://resources.softinway.com/.
  21. Kumar D. Turbofan engine for medium-range aircraft with take-off thrust 101.46kN. Ph. D. Thesis. 2020. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.35715.32802.
  22. Andreini A., Becchi R., Facchini B., Picchi A., Peschiulli A. The effect of effusion holes inclination angle on the adiabatic film cooling effectiveness in a three-sector gas turbine combustor rig with a realistic swirling flow. International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol. 121. P. 75–88. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2017.07.003.
  23. Arcangeli L., Facchini B., Surace M., Tarchi L. Correlative Analysis of Effusion Cooling Systems. Journal of Turbomachinery. 2008. Vol. 130. Iss. 1. Article 011016. 7 p. https://doi.org/10.1115/1.2749298.
  24. Rhee D. H., Choi J. H., Cho H. H. Flow and heat (mass) transfer characteristics in an impingement/effusion cooling system with crossflow. Journal of Turbomachinery. 2003. Vol. 125. Iss. 1. P. 74–82. https://doi.org/10.1115/1.1519835.
  25. Scrittore J. J., Thole K. A., Burd S. W. Investigation of velocity profiles for effusion cooling of a combustor liner. Journal of Turbomachinery. 2007. Vol. 129. Iss. 3. P. 518–526. https://doi.org/10.1115/1.2720492.
  26. Shrager A. C., Thole K. A., Mongillo D. Effects of effusion cooling pattern near the dilution hole for a double-walled combustor liner – Part 1: Overall effectiveness measurements. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. Vol. 141. Iss. 1. Article 011022. 10 p. https://doi.org/10.1115/1.4041148.
  27. Valachovic T. G. Numerical predictions of idle power emissions from gas turbine combustors. Proceedings of the ASME 1993 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition (May 24–27, 1993, Cincinnati, Ohio, USA). 1993. Vol. 3A: General. Article V03AT15A026. 10 p. https://doi.org/10.1115/93-GT-175.

 

Надійшла до редакції 18.09.2024