Разработка методов расчета характеристик нестационарного рабочего процесса в низкоэмиссионных камерах сгорания ГТД - Статья

СЕРБИН, д-р техн. наук, проф.; директор Машиностроительного института Национального университета кораблестроения, Николаев; А. Б. Статья посвящена вопросам численного моделирования термо-акустических процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Проведен анализ пульсационных процессов в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинного двигателя, вызванных особенностями конструкции жаровых труб и аэродинамического взаимодействия компрессора, камеры сгорания и турбин, с помощью современных инструментов вычислительной гидродинамики (CFD).При создании низкоэмиссионных камер сгорания (КС) газотурбинных установок возникают трудности, связанные с неустойчивостью и пульсационным горением, акустическими колебаниями и срывными явлениями в проточной части двигателя, воздействующими на процессы горения [1]. Поэтому обеспечение устойчивости процесса горения является серьезной и актуальной задачей, требующей больших материальных затрат и занимает значительную часть времени при доводочных испытаниях двигателей. Численный эксперимент дает возможность прогнозировать такие колебания путем моделирования трехмерных химически реагирующих турбулентных потоков и основную роль при этом играет выбор подхода к моделированию турбулентности [3]. Согласно этому предположению возможно построение численной модели, описывающей нестационарную динамику только в отношении крупных вихрей, при этом вычислительные затраты, необходимые для реализации такой модели, не должны зависеть от числа Рейнольдса, так как нет необходимости явно и точно рассчитывать все мелкие вихри [4]. В работе исследованы три варианта камеры сгорания, в которых использовались форсунки с различным количеством отверстий для истечения топлива: 1 - форсунка с 10 отверстиями диаметром 1,85 мм (рис.1) Уровни динамического давления в камере сгорания на номинальном режиме работы ГТД по результатам численного эксперимента подтверждаются значениями, полученными при проведении стендовых испытаний. Вариант с форсункой с 18 отверстиями диаметром 1,5 мм и одним отверстием диаметром 1 мм показывает максимальные уровни динамического давления в камере сгорания, вследствие этого использование этого варианта форсунки не целесообразно. Вариант с форсункой с 5 отверстиями диаметром 2,6 мм обеспечивает минимальные уровни динамического давления в камере сгорания, следовательно, его можно рекомендовать для дальнейшей опытной и промышленной эксплуатации. Так как при использовании топливораспыливающего устройства с 5 отверстиями диаметром 2,6 мм скорость истечения топлива из канала форсунок имеет наименьшее значение из трех исследуемых вариантов, то время пребывания смеси будет наибольшим, следовательно, при использовании данного варианта имеет место более эффективная стабилизация фронта пламени. 3) Результаты проведенных численных экспериментов с использованием трехмерных математических моделей в камерах сгорания, работающих на газообразном топливе, адекватно отражают физико-химические процессы нестационарного горения и могут быть рекомендованы для оптимизации геометрических и режимных параметров низкоэмиссионных камер сгорания.