<div>
	Конфигурируемые модели горения в камере сгорания микротурбинного двигателя с возможностью подключения различных физико-химических процессов</div>

Булат Павел Викторович, Вокин Леонид Олегович, Волков Константин Николаевич, Никитенко Александр Борисович , Продан Николай Васильевич, Ренев Максим Евгеньевич

doi:10.17586/2226-1494-2024-24-4-645-653

2024 , ТОМ 24, НОМЕР 4 ( июль-август )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-4-645-653

УДК 536.7

Конфигурируемые модели горения в камере сгорания микротурбинного двигателя с возможностью подключения различных физико-химических процессов

Булат П.В., Вокин Л.О., Волков К.Н., Никитенко А.Б., Продан Н.В., Ренев М.Е.

Читать статью полностью

Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Булат П.В., Вокин Л.О., Волков К.Н., Никитенко А.Б., Продан Н.В., Ренев М.Е. Конфигурируемые модели горения в камере сгорания микротурбинного двигателя с возможностью подключения различных физико-химических процессов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 4. С. 645–653. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-4-645-653

Аннотация

Введение. Разработаны математическая и числовая модели горения топливной смеси в камере сгорания микротурбинного двигателя. Сложность модели может меняться, что дает разработчикам достаточно удобный инструмент расчета и проектирования. Модели позволяют учитывать требуемые задачи проектирования путем подключения и отключения различных физических процессов, создавать оптимальную по уровню сложности модель для каждого конкретного случая. Метод. Разработка требуемой конфигурации начинается с рассмотрения простой модели брутто-реакции горения керосина в воздухе без сопряженного теплообмена с твердыми телами. Поэтапно в методику расчета добавляются модели расширенной кинетики, закрученности потока, излучения, теплообмена со стенками, наличия смазки в керосине. Основные результаты. Результаты расчета температуры на стенке и полноты сгорания сравнивались с показателями турбореактивных двигателей фирмы JetCat P100-RX и P550-PRO, интегральные характеристики которых хорошо известны. В ходе выполненных расчетных и экспериментальных исследований проведено сравнение пятен побежалости на стенках камеры сгорания с расчетными распределениями температуры. Получено высокое совпадение результатов для полной математической модели. Выявлен эффект лучшего охлаждения камеры сгорания и увеличения полноты сгорания за счет закрутки потока за компрессором. Подтверждено влияние добавки масла в керосин на увеличение удельного расхода топлива на 1–4 %. Обсуждение. Значимость полученных результатов состоит в возможности применения предложенной методики расчета в инженерной практике. Рассмотренные модификации модели представляют важный этап в создании и верификации математической модели внутрикамерных процессов.

Ключевые слова: малоразмерный газотурбинный двигатель, камера сгорания, численное моделирование, валидация

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в ходе реализации проекта «Разработка фундаментальных и прикладных основ перспективных методов увеличения эффективности малоразмерных газотурбинных двигателей беспилотных летательных аппаратов и аэрокосмических транспортных систем, а также наземных энергетических установок», № FZWF‑2024-0004.

Список литературы

Starikovskaia S.M. Plasma assisted ignition and combustion // Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. V. 39. N 16. P. R265–R299. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/16/R01
Bulat M.P., Bulat P.V., Denissenko P.V., Esakov I.I., Grachev L.P., Lavrov P.V., Volkov K.N., Volobuev I.A. Plasma-assisted ignition and combustion of lean and rich air/fuel mixtures in low- and high-speed flows // Acta Astronautica. 2020. V. 176. P. 700–709. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.04.028
Жданов И.А., Штаудахер С., Фалалеев С.В. Проблемы и перспективы развития микрогазотурбинных двигателей для беспилотных летательных аппаратов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2011. № 3-1(27). С. 345–353.
Кузнецов А.В., Макарьянц Г.М. Имитационная модель малоразмерного газотурбинного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16. № 2. С. 65–74. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2017-16-2-65-74
Сыченков В.А., Лиманский А.С., Юсеф В.М., Анкудимов В.В., Сейид-Джафари С.С. Малоразмерный газотурбинный двигатель для беспилотного летательного аппарата // Известия вузов. Авиационная техника. 2019. № 4. C. 115–123.
Hosseinalipour S.M., Abdolahi M., Razaghi E., Static and dynamic mathematical modeling of a micro gas turbine // Journal of Mechanics. 2013. V. 29. N 2. P. 327–335. https://doi.org/10.1017/jmech.2013.3
Asgari H., Chen X.Q., Morini M., Pinelli M., Sainudiin R., Spina P.R., Venturini M. NARX models for simulation of the start-up operation of a single-shaft gas turbine // Applied Thermal Engineering. 2016. V. 93. P. 368–376. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.09.074
Erario M.L., De Giorgi M.G., Przysowa R. Model-based dynamic performance simulation of a microturbine using flight test data // Aerospace. 2022. V. 9. N 2. P. 60. https://doi.org/10.3390/aerospace9020060
Teixeria M., Romagnosi L., Mezine M., Baux Y., Anker J., Claramunt K., Hirsch C. A methodology for fully-coupled CFD engine simulations, applied to a micro gas turbine engine // Proceedings of the ASME Turbo Expo2C-2018. 2018. P. GT2018-76870. https://doi.org/10.1115/GT2018-76870
Romagnosi L., Li Y., Mezine M., Teixeira M., Vilmin S., Anker J.E., Claramunt K., Baux Y., Hirsch C. A methodology for steady and unsteady full-engine simulations // Proceedings of the ASME Turbo Expo 2C-2019. 2019. P. GT2019-90110. https://doi.org/10.1115/GT2019-90110
Briones A.M., Caswell A.W., Rankin B.A. Fully coupled turbojet engine computational fluid dynamics simulations and cycle analyses along the equilibrium running line // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2021. V. 143. N 6. P. 061019. https://doi.org/10.1115/1.4049410
Tikhonov A.S., Borovkov A.I., Tamm A.Yu. Numerical and experimental investigation of the main parameters of a small gas turbine engine // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. V. 986. P. 012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/986/1/012052
Wang T.-S. Thermophysics characterization of kerosene combustion // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2001. V. 15. N 2. P. 140–147. https://doi.org/10.2514/2.6602
Tuccillo R., Cameretti M.C., De Robbio R., Reale F., Chiariello F. Methane-Hydrogen Blends in Micro Gas Turbines: Comparison of Different Combustor Concepts // Proceedings of the ASME Turbo Expo 8. 2019. https://doi.org/10.1115/GT2019-90229
Reale F., Calabria R., Chiariello F., Pagliara R., Massoli P. A micro gas turbine fuelled by methane-hydrogen blends // Applied Mechanics and Materials. 2012. V. 232. P. 792–796. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.232.792
Bazooyar B., Gohari Darabkhani H. The design strategy and testing of an efficient microgas turbine combustor for biogas fuel // Fuel. 2021. V. 294. P. 120535. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120535
Gómez-Rico M.F., Martı́n-Gullón I., Fullana A., Conesa F.A., Font R. Pyrolysis and combustion kinetics and emissions of waste lube oils // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2003. V. 68–69. P. 527–546. https://doi.org/10.1016/S0165-2370(03)00030-5
Cadorin M., Pinelli M., Vaccari A., Calabria R., Chiariello F., Massoli P., Bianchi E. Analysis of a Micro gas turbine fed by natural gas and synthesis gas: MGT test bench and combustor CFD analysis // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2012. V. 134. N 7. P. 071401. https://doi.org/10.1115/1.4005977
Calabria R., Chiariello F., Massoli P., Reale F. Part load behavior of a micro gas turbine fed with different fuels // Proceedings of the ASME Turbo Expo 1B. 2014. P. GT2014-26631. https://doi.org/10.1115/GT2014-26631
Meziane S., Bentebbiche A. Numerical study of blended fuel natural gas-hydrogen combustion in rich/quench/lean combustor of a micro gas turbine // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. V. 44. N 29. P. 15610–15621. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.128
Reale F., Sannino R. Numerical modeling of energy systems based on micro gas turbine: a review // Energies. 2022. V. 15. N 3. P. 900. https://doi.org/10.3390/en15030900
Banihabib R., Assadi M. The role of micro gas turbines in energy transition // Energies. 2022. V. 15. N 21. P. 8084. https://doi.org/10.3390/en15218084

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License