Экспериментальное исследование вихревого противоточного горелочного модуля с двухступенчатой подачей воздуха


DOI: 10.34759/tpt-2023-15-1-3-12

Авторы

Евдокимов О. А.*, Гурьянов А. И., Веретенников С. В., Мухоммедов У. П., Шайкина А. А.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва, РГАТУ, ул. Пушкина, 53, Рыбинск, Ярославская область, 152934, Россия

*e-mail: yevdokimov_oleg@mail.ru

Аннотация

Предложена новая схема организации горения в противоточном закрученном течении, основанная на применении ступенчатого подвода воздуха. Отмеченная схема реализована в виде вихревого противоточного горелочного модуля, работающего на газообразном топливе. Проведены экспериментальные исследования срывных и эмиссионных характеристик горелочного модуля. Результаты показали, что подача в устройство воздуха через основной и дополнительный тангенциальные каналы приводит к противоположным эффектам: увеличение числа Рейнольдса вторичного потока (дополнительный канал) обеспечивает расширение области устойчивой работы, в то время как повышение числа Рейнольдса первичного воздуха (основной канал) характеризуется уменьшением коэффициента избытка воздуха, соответствующего срыву пламени. Обобщение результатов в рамках параметра, характеризующего отношение расходов первичного и вторичного потоков воздуха n, показало, что наибольшие значения интегрального коэффициента избытка воздуха αΣ достигаются в диапазоне 0.4 ≤ n ≤ 1.0. Эмиссионные характеристики горелочного модуля со ступенчатой подачей близки к тем значениям, которые имеют место для классических вихревых противоточных устройств. Максимальные значения эмиссии оксидов азота наблюдаются вблизи стехиометрии, а область наименьших выбросов монооксида углерода соответствует горению обедненных топливовоздушных смесей. Наиболее экологически целесообразным является организация работы горелочного модуля в диапазоне значений интегрального коэффициента избытка воздуха 1.8 < αΣ < 2.0.

Ключевые слова:

закрученный поток, вихревая противоточная горелка; ступенчатая подача воздуха; пропан; срыв пламени; эмиссия загрязняющих веществ

Библиографический список

  1. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. Москва, 1984. 475 с.

  2. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. Москва, 2000. 412 с.

  3. Evdokimov O.A., Prokhorov D.A., Guryanov A.I., Veretennikov S.V. Transient numerical simulations of a cold-flow bidirectional vortex chamber. Physics of Fluids, 2022, vol. 34, no. 1, pp. 015123. URL: https://doi.org/10.1063/5.0079224

  4. Vyas A.B., Majdalani J. Exact Solution of the Bidirectional Vortex. AIAA Journal, 2006, vol. 44, no. 10, pp. 2208–2216. URL: https://doi.org/10.2514/1.14872

  5. Guryanov A.I., Evdokimov O.A., Guryanova M.M., Veretennikov S.V. Criterion analysis and experimental study of combustion mechanisms in a bidirectional swirling flow and their relationship with pollutants emission. International Journal of Energy Research, 2021, vol. 45, no. 4, pp. 5500–5516. URL: https://doi.org/10.1002/er.6178

  6. Majdalani J., Chiaverini M.J. On steady rotational cyclonic flows: The viscous bidirectional vortex. Physics of Fluids, 2009, vol. 21, no. 10, p. 103603. URL: https://doi.org/10.1063/1.3247186

  7. Yu N., Zhao B., Lee G, Wang J. Experimental and simulation study of a Gaseous oxygen/Gaseous hydrogen vortex cooling thrust chamber. Acta Astronautica, 2016, vol. 118, pp. 11–20. URL: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.09.017

  8. Barber T.A. Helical Models of the Bidirectional Vortex in a Conical Geometry. Knoxville, 2014, 223 p.

  9. Majdalani J., Williams L.L. A quasi complex-lamellar solution for a hemispherically bounded cyclonic flowfield. Physics of Fluids, 2021, vol. 33, no. 8, p. 083105. URL: https://doi.org/10.1063/5.0058647

  10. Williams L.L., Majdalani J. Exact Beltramian solutions for hemispherically bounded cyclonic flowfields. Physics of Fluids, 2021, vol. 33, no. 9, p. 093601. URL: https://doi.org/10.1063/5.0063743

  11. Evdokimov O.A., Prokhorov D.A., Guryanov A.I., Mikhailov A.S., Veretennikov S.V. A study of flame and flow structures and their effect on emission properties in a bidirectional vortex pulverized peat combustor. Fuel, 2021, vol. 291, p. 120120. URL: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.120120

  12. Евдокимов О.А., Лебедев И.Р., Гурьянов А.И., Веретенников С.В. Расчетное сопоставление режимов сжигания топливной пыли в прямоточной и противоточной вихревых горелках // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13. № 12.
    С. 543–554. URL: https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-12-543-554

  13. Piralishvili Sh.A., Gur’yanov A.I. Dimensionless Base of Experimental Investigation of Thermogasdynamic Parameters in a Twisted Flow with Combustion. Heat Transfer Research, 2008, vol. 39, no. 8, pp. 703–712. URL: https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v39.i8.60

  14. Гурьянов А.И. Эмиссионные характеристики горения в закрученном течении с газодинамическим противотоком // Тепловые процессы в технике. 2013. Т. 1. № 1. С. 5–12.

  15. Evdokimov O.A., Guryanov A.I., Mikhailov A.S., Veretennikov S.V. A numerical simulation of burning of pulverized peat fuel in a bidirectional vortex combustor. Thermal Science and Engineering Progress, 2020, vol. 17, p. 100510. URL: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100510

  16. Evdokimov O.A., Guryanov A.I., Mikhailov A.S., Veretennikov S.V., Stepanov E.G. Experimental investigation of burning of pulverized peat in a bidirectional vortex combustor. Thermal Science and Engineering Progress, 2020, vol. 18, p. 100565. URL: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100565

  17. Guryanov A.I., Evdokimov O.A., Guryanova M.M., Piralishvili S.A., Kononova V.V., Veretennikov S.V. A Study of Superlean Combustion Modes in a Reverse Flow Combustion Chamber Burning Multicomponent Fuel. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1261, p. 012015. URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1261/1/012015

  18. Guryanov A.I., Evdokimov O.A., Veretennikov S.V., Guryanova M.M. A study of multifuel bidirectional combustor. Procedia Environmental Science, Engineering and Management, 2021, vol. 8, no. 1, pp. 255–263.

  19. Munson S., Sauer J.A., Rocholl J.D., Chiaverini M.J. Development of a Low-Cost Vortex-Cooled Thrust Chamber Using Hybrid Fabrication Techniques. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &amp; Exhibit. San Diego, California: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. URL: https://doi.org/10.2514/6.2011-5835

  20. Евдокимов О.А., Пиралишвили Ш.А., Гурьянов А.И., Веретенников С.В. Исследование малоразмерного реактивного двигателя на основе вихревой противоточной горелки // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 10. С. 465–472. URL: https://doi.org/10.34759/tpt-2020-12-10-465-472

  21. Guryanov A.I., Piralishvili S.A., Guryanova M.M., Evdokimov O.A., Veretennikov S.V. Counter-current hydrogen–oxygen vortex combustion chamber. Thermal physics of processing. Journal of the Energy Institute, 2020, vol. 93, no. 2, pp. 634–641. URL: https://doi.org/10.1016/j.joei.2019.06.002

  22. Matveev I., Serbin S. Investigations of a Reverse-Vortex Plasma Assisted Combustion System. Heat Transfer Summer Conference. Volume 2. Rio Grande, Puerto Rico, USA: American Society of Mechanical Engineers, 2012, pp. 133–140. URL: https://doi.org/10.1115/HT2012-58037

  23. Mikhailov A.S., Evdokimov O.A. CFD simulation of peat dust combustion in a bidirectional vortex burner with wall cooling. AIP Conference Proceedings, 2020, vol. 2211, p. 040006. URL: https://doi.org/10.1063/5.0000866

  24. Rom C., Anderson M., Chiaverini M. Cold Flow Analysis of a Vortex Chamber Engine for Gelled Propellant Combustor Applications. 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Fort Lauderdale, Florida, 2004, pp. 1–12. URL: https://doi.org/10.2514/6.2004-3359

  25. Khan O., Ahmed A. An Experimental Study of Internal Flow Field of a Cyclone Vortex Combustion Chamber using Particle Image Velocimetry. AIAA Propulsion and Energy 2021 Forum. Virtual Event: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2021. URL: https://doi.org/10.2514/6.2021-3572

  26. Chen D., Cai N., Zhang Z., Li Z. Optimizing in-situ char gasification kinetics in reduction zone of pulverized coal air-staged combustion. Combustion and Flame, 2018, vol. 194, pp. 52–71. URL: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.04.015

  27. Wilhite J.M., Dolan B., Villalva R., Kabiraj L., Paschereit C.O., Gutmark E.J. Analysis of Combustion Oscillations in a Staged MLDI Burner using Decomposition Methods and Recurrence Analysis. 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. San Diego. California: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2016, 17 p. URL: https://doi.org/10.2514/6.2016-1156

  28. Mikhailov A.S., Piralishvili S.A., Stepanov E.G., Evdokimov O.A., Spesivtseva N.S. Features of Burning of Pulverized Peat Fuel in a Vortex Burner Device. Journal of Engineering Physics Thermophysics, 2018, vol. 91, no. 4, pp. 925–932. URL: https://doi.org/10.1007/s10891-018-1818-8

  29. Annex 16 – Environmental Protection. Vol. 2. Aircraft Engine Emissions / Order Number: AN16-2. – ISBN 978-92-9231-123-0. – ICAO, 2008.

  30. Evdokimov O.A., Guryanov A.I., Veretennikov S.V. Emission characteristics of bidirectional vortex combustors operating on gaseous, liquid and pulverized solid fuel. Procedia Environmental Science, Engineering and Management, 2021, vol. 8, no. 1, pp. 233–231.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024