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

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.

1. 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

2. 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 lowand high-speed flows // Acta Astronautica. 2020. V. 176. P. 700–709. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.04.028

3. 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.

4. 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

5. 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.

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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. GT201876870. https://doi.org/10.1115/GT2018-76870

10. 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

11. 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

12. 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/10.1088/1757899X/986/1/012052

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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