ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-4-645-653ntv-360Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONКонфигурируемые модели горения в камере сгорания микротурбинного двигателя с возможностью подключения различных физико-химических процессовConfigurable combustion models of combustion chamber of microturbine engine with possibility of connecting various physico-chemical processeshttps://orcid.org/0000-0003-0099-9953БулатП. В.BulatP. V.

Булат Павел Викторович — доктор физико-математических наук, кандидат экономических наук, главный научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Pavel V. Bulat — D.Sc. (Physics & Mathematics), PhD (Economy), Chief Researcher

Saint Petersburg, 190005

pavelbulat@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2944-1822ВокинЛ. О.VokinL. O.

Вокин Леонид Олегович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Leonid O. Vokin — Junior Reseacher

Saint Petersburg, 190005

leonidvokin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6055-2323ВолковК. Н.VolkovK. N.

Волков Константин Николаевич — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Konstantin N. Volkov — D.Sc. (Physics & Mathematics), Leading Reseacher

Saint Petersburg, 190005

k.volkov@kingston.ac.ukhttps://orcid.org/0009-0003-8070-3733НикитенкоА. Б.NikitenkoA. B.

Никитенко Александр Борисович — научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Alexander B. Nikitenko — Scientific Researcher

Saint Petersburg, 190005

nikitenko_alex@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6383-039XПроданН. В.ProdanN. V.

Продан Николай Васильевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Nikolay V. Prodan — PhD (Physics & Mathematics)

Saint Petersburg, 190005

kolinti@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0583-0607РеневМ. Е.RenevM. E.

Ренев Максим Евгеньевич — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Maksim Е. Renev — Junior Researcher

Saint Petersburg, 190005

renevme@mail.ruБалтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УстиноваРоссияBaltic State Technical University “VOENMEH” named after D.F. UstinovRussian Federation202419122024244645653Copyright © Булат П.В., Вокин Л.О., Волков К.Н., Никитенко А.Б., Продан Н.В., Ренев М.Е., 20242024Булат П.В., Вокин Л.О., Волков К.Н., Никитенко А.Б., Продан Н.В., Ренев М.Е.Bulat P.V., Vokin L.O., Volkov K.N., Nikitenko A.B., Prodan N.V., Renev M.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/360

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.

Mathematical and numerical models of the combustion of a fuel mixture in the combustion chamber of a microturbine engine have been developed. Complexity of the models can vary, which gives developers a fairly convenient calculation and design tool. Models allow to take into account the required design tasks by considering and not taking into account various physical processes, and create an optimal complexity model for each specific case. The development of the required configuration begins with the consideration of a simple model of the global kerosene in air combustion reaction without conjugate heat exchange with solids. Step by step, models of extended kinetics, swirling flow, radiation, heat exchange with walls, and the presence of lubricant oil in kerosene are added to the calculation methodology. The results of calculating the wall temperature and combustion completeness were compared with those of JetCat P100-RX and P550-PRO turbojet engines, the integral characteristics of which are well known. In the course of the performed computational and experimental studies, a comparison of the run-off spots on the walls of the combustion chamber with the calculated temperature distributions was performed. A good agreement of the results was obtained for the complete mathematical model. The effect of better cooling of the combustion chamber and increasing the completeness of combustion by twisting the flow behind the compressor is revealed. The effect of the addition of oil to kerosene on an increase in specific fuel consumption by 1–4 % has been determined. The significance of the results obtained lies in the possibility of applying the proposed calculation methodology in engineering practice. The considered modifications of the model represent an important stage in the creation and verification of a mathematical model of in-chamber processes.

малоразмерный газотурбинный двигателькамера сгораниячисленное моделированиевалидацияmicro gas turbine enginecombustion chambernumerical simulationvalidationРабота 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.This work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation during the implementation of the project “Development of fundamental and applied principles of promising methods for increasing the efficiency of small-sized gas turbine engines of unmanned aerial vehicles and aerospace transport systems, as well as ground-based power plants”, No. FZWF-2024-0004.ReferencesStarikovskaia 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/R01Starikovskaia S.M. Plasma assisted ignition and combustion. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, vol. 39, no. 16, pp. R265–R299. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/16/R01Bulat 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 lowand high-speed flows // Acta Astronautica. 2020. V. 176. P. 700–709. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.04.028Bulat 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, vol. 176, pp. 700–709. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.04.028Жданов 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.Zhdanov I.A., Staudacher S., Falaleev S.V. Problems and prospect of microgasturbines development for unmanned aerial vehicle propulsion. Vestnik of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolev (National Research University), 2011, no. 3-1(27), pp. 345–353. (in Russian)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/10.18287/2541-7533-2017-16-2-65-74Kuznetsov A.V., Makaryants G.M. Micro gas turbine engine imitation model. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, 2017, vol. 16, no. 2, pp. 65–74. (in Russian). https://doi.org/10.18287/2541-7533-2017-16-2-65-74Сыченков 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.Sychenkov V.A., Limanskii A.S., Yousef W.M., Ankudimov V.V., Seyid Jafari S.S. Micro gas turbine engine for unmanned aerial vehicles. Russian Aeronautics, 2019, vol. 62, no. 4, pp. 651–660. https://doi.org/10.3103/S1068799819040160Hosseinalipour 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.2013.3Hosseinalipour S.M., Abdolahi M., Razaghi E., Static and dynamic mathematical modeling of a micro gas turbine. Journal of Mechanics, 2013, vol. 29, no. 2, pp. 327–335. https://doi.org/10.1017/jmech.2013.3Asgari 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.2015.09.074Asgari 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, vol. 93, pp. 368–376. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.09.074Erario 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/aerospace9020060Erario M.L., De Giorgi M.G., Przysowa R. Model-based dynamic performance simulation of a microturbine using flight test data. Aerospace, 2022, vol. 9, no. 2, pp. 60. https://doi.org/10.3390/aerospace9020060Teixeria 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. GT201876870. https://doi.org/10.1115/GT2018-76870Teixeria 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, pp. GT2018-76870. https://doi.org/10.1115/GT2018-76870Romagnosi 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/GT2019-90110Romagnosi 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, pp. GT2019-90110. https://doi.org/10.1115/GT2019-90110Briones 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/10.1115/1.4049410Briones 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, vol. 143, no. 6, pp. 061019. https://doi.org/10.1115/1.4049410Tikhonov 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/10.1088/1757899X/986/1/012052Tikhonov 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, vol. 986, pp. 012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/986/1/012052Wang T.-S. Thermophysics characterization of kerosene combustion // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2001. V. 15. N 2. P. 140–147. https://doi.org/10.2514/2.6602Wang T.-S. Thermophysics characterization of kerosene combustion. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2001, vol. 15, no. 2, pp. 140–147. https://doi.org/10.2514/2.6602Tuccillo 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/GT2019-90229Tuccillo 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/GT2019-90229Reale 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.232.792Reale F., Calabria R., Chiariello F., Pagliara R., Massoli P. A micro gas turbine fuelled by methane-hydrogen blends. Applied Mechanics and Materials, 2012, vol. 232, pp. 792–796. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.232.792Bazooyar 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.2021.120535Bazooyar B., Gohari Darabkhani H. The design strategy and testing of an efficient microgas turbine combustor for biogas fuel. Fuel, 2021, vol. 294, pp. 120535. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120535Gómez-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)00030-5Gómez-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, vol. 68–69, pp. 527–546. https://doi.org/10.1016/S0165-2370(03)00030-5Cadorin 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/10.1115/1.4005977Cadorin 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, vol. 134, no. 7, pp. 071401. https://doi.org/10.1115/1.4005977Calabria 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/GT2014-26631Calabria 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, pp. GT2014-26631. https://doi.org/10.1115/GT2014-26631Meziane 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.2019.04.128Meziane 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, vol. 44, no. 29, pp. 15610–15621. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.128Reale 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/en15030900Reale F., Sannino R. Numerical modeling of energy systems based on micro gas turbine: a review. Energies, 2022, vol. 15, no. 3, pp. 900. https://doi.org/10.3390/en15030900Banihabib 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/en15218084Banihabib R., Assadi M. The role of micro gas turbines in energy transition. Energies, 2022, vol. 15, no. 21, pp. 8084. https://doi.org/10.3390/en15218084

The authors declare that there are no conflicts of interest present.