На правах рукописи

БОЛДЫРЕВ ОЛЕГ ИГОРЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

НА ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГТД

Специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и

энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Уфа – 2012

Работа выполнена в ФБГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре авиационных двигателей.

Научный руководитель: доктор технических наук, с.н.с.

Горюнов Иван Михайлович, кафедра авиационных двигателей Уфимского государственного авиационного технического университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Григорьев Владимир Алексеевич, кафедра теории двигателей летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва (национальный исследовательский университет) кандидат технических наук, с.н.с.

Скиба Дмитрий Владимирович, кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики Уфимского государственного авиационного технического университета Ведущее предприятие: ОАО «НПО «Сатурн» – НТЦ им. А. Люльки, г. Москва.

Защита состоится 2 марта 2012 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д–212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000 Уфа, ул.

К. Маркса, 12, УГАТУ, конференц-зал 2 корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_30_»_января_ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор Ф.Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Математическое моделирование рабочего процесса ГТД – один из основных инструментов при выборе схемных решений и параметров термодинамического цикла газотурбинных двигателей авиационного, энергетического и других назначений.

Точность расчётной оценки параметров и характеристик ГТД по математической модели во многом определяет успешность проекта, сроки и материальные затраты на его реализацию. Подходы к созданию математических моделей и принятые в них допущения корректируются в процессе развития ГТД, как в связи с повышением уровня параметров, так и возможностей вычислительных средств. В них усиливается акцент на охват математической моделью ранее неучтённых факторов и условий, оказывающих значимое влияние на рабочий процесс и характеристики двигателя.

Важным следствием высоких температур, характерных для процессов в камерах сгорания перспективных высокотемпературных ГТД, является термическая диссоциация и рекомбинация находящихся в равновесном состоянии химически активных компонентов продуктов сгорания и учёт влияния факторов термической диссоциации и рекомбинации на параметры рабочего процесса – одно из основных направлений совершенствования описания физических процессов ГТД при их математическом моделировании.

В действующих математических моделях для проектных термодинамических расчётов авиационных ГТД (ГРАД, DVIGwT, GasTurb и др.) отсутствует учёт влияния термической диссоциации и рекомбинации компонентов рабочего тела, что было допустимым при создании эксплуатируемых в настоящее время ГТД.

В связи с вышеизложенным, следующие научные проблемы являются актуальными:

– адаптация математической модели к расчёту высокого уровня термодинамических параметров рабочего тела учётом в алгоритмах расчёта фактора диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива применительно к авиационным ГТД;

– оценка влияния учёта диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива на параметры и характеристики узлов ГТД и двигателя в целом.

Цель работы: повышение эффективности перспективных ГТД за счёт повышения точности термодинамических расчётов введением математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом термической диссоциации и рекомбинации в гомогенной смеси продуктов сгорания углеводородного топлива.

Для достижения поставленной цели сформулированы и выполнены исследования по следующим основным направлениям:

- создание математической модели (методики и алгоритма) расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива в рабочем процессе авиационного ГТД;

- программная реализация и верификация математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива в составе математической модели рабочего процесса ГТД;

- исследование влияния термической диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания на основные параметры ГТД и характеристики узлов.

Объект исследования – авиационные ГТД, их рабочие процессы и характеристики.

Область исследования – моделирование рабочих процессов ГТД.

Методы исследования основаны на использовании:

теории авиационных ГТД;

термодинамики, химической термодинамики, теплопередачи;

системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов и изделий;

методов современных информационных технологий;

численных методов решения систем нелинейных уравнений.

Научная новизна работы заключается в:

математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива (на основе методики В.Е. Алемасова и В.П. Глушко) и ряда дополнительных факторов, разработанной впервые применительно к расчётам рабочих процессов ГТД;

математической модели, позволяющей проводить моделирование рабочих процессов в узлах ГТД с учётом неравновесности состава в зависимости от времени пребывания рабочего тела в объёме узла;

возможности учёта содержания азота и серы в составе топлива, а также учёта двадцати индивидуальных веществ в рабочем процессе авиационного ГТД;

возможности проведения расчётной оценки уровня вредных выбросов ГТД в различных условиях сгорания топлива с помощью разработанной математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива;

методике определения термодинамических параметров смеси по заданной температуре, энтальпии или энтропии с учётом термической диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива обеспечивают реализацию расчёта процессов расширения рабочего тела в турбине и реактивном сопле по энтальпийно-энтропийным соотношениям, расчёта процессов горения в основной и форсажной камерах сгорания, расчёта процесса смешения и теплообмена;

реализованнаяой на ЭВМ математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом фактора диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива, включённой в состав системы моделирования рабочих процессов ГТД и применённой в практике термогазодинамических расчётов авиационных ГТД в рамках решения проектных задач;

результатах впервые проведённых расчётных исследований по влиянию фактора диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива на основные параметры и высотно-скоростные характеристики перспективного авиационного ТРДДФ.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, доказывается корректным применением в расчётных исследованиях фундаментальных положений теории рабочих процессов ГТД, газовой динамики, теплообмена и химической термодинамики и подтверждается сопоставлением результатов расчётных исследований с экспериментальными данными и результатами других авторов.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель и её программная реализация в виде программы Disso позволяет проводить расчёт процессов сгорания топлива в основной и форсажной камерах сгорания ГТД.

Включение математической модели в состав системы моделирования рабочих процессов ГТД DVIGw обеспечивает расчёт основных параметров и характеристик ГТД различных схем с учётом фактора диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива, что позволяет:

на этапе проектирования – повысить точность расчёта и эффективность перспективных ГТД с высокими параметрами рабочего цикла;

на этапе исследований – расширить возможности анализа работы и обработки результатов испытаний проектируемых или созданных перспективных ГТД на установившихся режимах, а также сокращения ряда экспериментов по оценке параметров узлов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящем оборудовании, на численное моделирование, а также при разработке систем контроля и диагностики;

в учебном процессе – выполнять исследования в процессе дипломного проектирования.

Реализация результатов работы. Разработанная математическая модель и средства решения проектных задач с её использованием, результаты проведенных автором исследований внедрены в ОАО «НПП «Мотор», ОАО «НПО «Сатурн» – НТЦ им. А. Люльки, Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) в учебном процессе кафедр «Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности указанного вуза.

Использование математической модели подтверждено прилагаемыми актами.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом термической диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива, с учётом неравновесности состава и ряда дополнительных факторов в рабочем процессе ГТД.

2. Реализация математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом термической диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива в составе системы моделирования рабочих процессов ГТД DVIGw, позволяющая с большей адекватностью проводить на ЭВМ исследования параметров и характеристик ГТД и их узлов.

3. Результаты расчётных исследований по анализу влияния термической диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива на основные параметры рабочего процесса перспективных авиационных ГТД.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 8 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: III международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 30 ноября – 3 декабря 2010 г.); Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, УГАТУ, 21-24 марта 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 28-30 июня 2011 г.); Семинаре «Проблемы авиационного двигателестроения» (Москва, ЦИАМ, 16 августа 2011 г.);

Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного двигателестроения» (Уфа, УГАТУ, 26-29 сентября г.); XVIII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCT 2011 (Самара, СамГТУ, 3-7 октября 2011 г.).

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научнотехнических советах предприятий: НТЦ им. А. Люльки (2010, 2011 г.), ОАО «НПП «Мотор» (2009, 2010, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них статьи в изданиях из списка ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад соискателя в разработку проблемы. Все основные положения, связанные с разработкой математической модели учёта термической диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива в рабочем процессе авиационного ГТД, её программная реализация в системе DVIGw, проверка адекватности разработанной математической модели, а также исследование влияния фактора диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания на основные параметры рабочего процесса и характеристики узлов авиационных ГТД выполнены автором лично.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Диссертационная работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 38 рисунков, библиографический список из наименования, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована перспективность и актуальность темы, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние проблем, связанных с созданием перспективных авиационных ГТД. Рассматриваются современные методики расчёта равновесного состояния рабочих тел.

Основные положения методики учёта термической диссоциации в равновесных состояниях гомогенной смеси продуктов сгорания опубликованы коллективом авторов под руководством В.Е Алемасова и В.П. Глушко в 70-х гг.

Методика основана на уравнениях химического равновесия и решении системы нелинейных алгебраических уравнений, описывающих протекание химических реакций, апробирована многолетней практикой и в таком виде применяется для термодинамических расчётов ракетных двигателей.

Большинство из существующих на сегодняшний момент программ расчёта равновесного состояния (программы Б.Г. Трусова, Г.В. Белова и др.) являются либо универсальными научно-исследовательскими комплексами, учитывающими множество факторов, не нужных в расчётах ГТД, либо реализуют учёт термической диссоциации в узкой области моделирования (в термодинамических расчётах ракетных двигателей, котельных агрегатов, металлургических и химических процессов в соответствующих отраслях промышленности).

Для включения в состав расчёта параметров термодинамического цикла ГТД все они нуждаются в адаптации с учётом ряда дополнительных факторов, характерных для процессов, протекающих в ГТД.

Вторая глава посвящена созданию математической модели расчёта термодинамических параметров рабочего тела с учётом диссоциации и рекомбинации продуктов сгорания углеводородного топлива в рабочем процессе авиационного ГТД.

Для расчёта свойств рабочего тела в современных отечественных математических моделях рабочего процесса ГТД применяется методика ЦИАМ, базирующаяся на ряде основных допущений:

– учёт влияния термической диссоциации и рекомбинации газов отсутствует;

– сгорание топлива – полное при коэффициенте избытка воздуха 1,0, продукты сгорания – нереагирующая смесь СО2, Н2О (водяного пара), О2 и атмосферного азота, объёмный состав которых зависит только от величины и состава топлива;

– рабочее тело (воздух и продукты сгорания) представляет собой смесь компонентов, обладающую свойствами идеального газа, с неизменными термодинамическими свойствами, зависящими только от температуры и величины.

В данной работе за основу принят метод расчёта В.Е. Алемасова, В.П. Глушко и др., разработанный применительно к ракетным двигателям, включающий в себя уравнения химических реакций в «равновесном приближении», с адаптацией её под особенности термодинамического расчёта ГТД с учётом неравновесности состава и ряда дополнительных факторов.

Теоретические основы разрабатываемой математической модели базируются на следующих допущениях:

– наиболее вероятному, т.е. устойчивому состоянию термодинамической системы соответствует состав, для которого при заданных исходных данных энтропия будет максимальной, за критерии устойчивости при этом принимаются условия dp=0, dS0. Такому состоянию отвечает соотношение парциальных давлений газообразных компонентов, задаваемое значениями констант равновесия обратимых химических реакций, идущих равновесно между всеми входящими в продукты сгорания индивидуальными веществами;

– продукты сгорания – смесь химически реагирующих газов, состав и объёмное содержание которых определяется с учётом диссоциации и рекомбинации при постоянном давлении по уравнениям химического равновесия и баланса масс химических элементов;

– компоненты продуктов сгорания обладают свойствами идеального газа, их изобарная теплоёмкость зависит только от температуры, однако изобарная теплоёмкость смеси в целом зависит также и от уровня давления и тем значительнее, чем интенсивнее процесс диссоциации.

Применительно к расчёту рабочих процессов ГТД в математическую модель внесён учёт следующих дополнительных факторов:

– набор учитываемых химических элементов расширен до шести химических элементов С, Н, N, О, Ar, S и двадцати индивидуальных веществ: H, H2, OH, H2O, НО2, Н2О2, O, О2, С, CO, CO2, N, N2, NO, NO2, N2O, Ar, S, SO, SO2, наиболее вероятно образующихся при сгорании углеводородного топлива в воздушной среде (вещества S, SO и SO2 введены для возможности расчёта с топливом, содержащим серу). При этом не учитываются вещества групп (NH)X, (HNO)X, (CHO)X, обладающие незначительными объёмными долями (менее