КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-29-00152
НазваниеРазработка и совершенствование комплексных моделей горения традиционных и альтернативных авиационных топлив для решения задач исследования рабочего процесса в малоэмиссионных камерах сгорания перспективных газотурбинных двигателей гражданской авиации
Руководитель Савельев Александр Михайлович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное автономное учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" , г Москва
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)
Ключевые слова газотурбинные двигатели, гражданская авиация, камеры сгорания, традиционные топлива, альтернативные топлива, модели горения, модели суррогатов топлива, кинетические модели, бедный срыв, эмиссия вредных веществ, альдегиды
Код ГРНТИ55.42.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Дальнейший прогресс в области газотурбинных двигателей (ГТД) гражданской авиации связывается во многом с освоением малоэмиссионных камер сгорания (МЭКС). Организация рабочего процесса в МЭКС – сложная проблема, решение которой требует большого числа стендовых экспериментов. Длительность стендовой отработки может быть сокращена, если стендовые эксперименты с МЭКС сопровождаются численными экспериментами, которые, как показывает опыт, позволяют получить достаточно полное представление об рабочем процессе. Важным элементом численных моделей, с применением которых осуществляются численные эксперименты с МЭКС, являются модель суррогата топлива и кинетическая модель, описывающая воспламенение и горение суррогата в смесях с воздухом, адаптированная для численных расчетов. К новому поколению моделей суррогатов традиционных коммерческих топлив типа Jet A предъявляются повышенные требования по точности описания характеристик горения топлива и его физико-химических свойств. Модели суррогатов, созданные к настоящему времени, не в полной мере отвечают этим требованиям. Многие суррогаты некорректно описывают элементный состав топлива и отдельные его физико-химические свойства: плотность, молекулярную массу, кривую разгонки и др. Для тех суррогатов, которые корректно описывают элементный состав топлива и его свойства, предлагаются, как правило, громоздкие кинетические модели, базирующиеся на универсальных реакционных механизмах. Поэтому является актуальной задача данного проекта по разработке модели суррогата коммерческого авиатоплива типа Jet A, отвечающего современным требованиям и компактной кинетической модели воспламенения и горения суррогата, воспроизводящего с высокой точностью характеристики горения топлива.
Другая важная тенденция в развитии ГТД, наметившаяся в последние годы, связана с перспективой внедрения альтернативных топлив, в первую очередь, топлив с пониженным углеродным следом, получивших название устойчивых авиационных топлив (SAF). Компонентный состав SAF отличается от состава обычных топлив. Поэтому для SAF характерен ряд особенностей, касающихся, в том числе, характеристик горения. В связи с этим свойства SAF, включая характеристики их горения, являются предметом детального исследования и изучения, например, в рамках Национальной программы США по исследованию горения реактивных топлив (NJFCP). Данные, полученные в этих исследованиях, позволяют отобрать те типы SAF, которые совместимы с современными ГТД и адаптировать будущие поколения ГТД для использования 100 % углеродно-нейтральных SAF. Следует подчеркнуть, что исследования характеристик горения SAF в рамках программы NJFCP предусматривают и разработку моделей суррогатов SAF и реакционных кинетических моделей их воспламенения и горения. Для Российской Федерации необходимо обеспечить технологический суверенитет в области разработки ГТД гражданской авиации на SAF, поэтому развитие отечественных моделей горения SAF, которое предусматривается в рамках данного проекта, является актуальной проблемой. С применением моделей горения синтетических топлив могут быть выполнены разнообразные численные эксперименты, в том числе, могут быть определены эмиссионные характеристики ГТД гражданской авиации на SAF. Нужно отметить, что в экспериментах регистрировалось как уменьшение, так и увеличение уровня эмиссии NOx при работе ГТД на SAF.
Для Российской Федерации является перспективным применение и других альтернативных топлив, таких как сжиженный природный газ (СПГ) и АСКТ топливо – сжиженных углеводородных газов от этана до пентана. АСКТ топлива обладают высоким потенциалом декарбонизации, и поэтому их внедрение будет способствовать уменьшению авиационной эмиссии CO2. Для создания научно-технического задела в области ГТД гражданской авиации на АСКТ топливах необходима разработка моделей горения АСТК топлив в смесях с воздухом, которая будет выполнена в рамках данного проекта.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведен обзор методов разработки суррогатов авиационных топлив, описанных в литературе. Предложен метод разработки суррогатов, основанный на такой коррекции состава суррогата-прототипа с высокой прогностической способностью в отношении самовоспламенения, при которой суррогат приобретает способность воспроизводить широкий спектр физико-химических свойств топлива и при этом не утрачивает прогностической способности в отношении самовоспламенения, характерной для суррогата-прототипа. Отобраны 8 суррогатных смесей, которые были протестированы на ключевых физико-химических свойствах коммерческих авиационных топлив типа керосин: Jet A, Jet A-1 и ТС-1. Выделены суррогатные смеси, которые наилучшим образом воспроизводят как температурно-независимые, так и температурно-зависимые свойства топлив Jet A, Jet A-1 и ТС-1.
Впервые в отечественной практике разработки суррогатов все построенные суррогаты протестированы на кривых фракционной разгонки топлив Jet A, Jet A-1 и ТС-1, для чего была применена математическая модель дистилляции углеводородных систем, базирующаяся на кубическом уравнении состояния Пенга-Робинсона, созданная в ходе реализации Проекта. Модель валидирована путем сопоставления с результатами расчетов парожидкостных равновесий с применением специализированного программного обеспечения, предназначенного для моделирования процессов нефтегазопереработки и протестирована на экспериментальных данных по фракционной разгонке.
Построен скелетный реакционный механизм воспламенения и горения комплексных суррогатов додекан/декан/изооктан/изоцетан/толуол авиационного топлива типа керосин. При разработке реакционного механизма использовалась методология разделения, которая в настоящее время находит широкое применение в задачах разработки компактных реакционных механизмов. Механизм содержит субмеханизмы окисления додекана, декана, изооктана, изоцетана и толуола в высоко- и низкотемпературной области, а также в зоне обратного температурного коэффициента. Реакционный механизм протестирован на экспериментальных данных по временам задержки воспламенения, нормальным скоростям распространения пламени, распределениям концентраций компонентов.
С применением моделей суррогатов и кинетической модели воспламенения и горения суррогатов в смесях с воздухом, созданных в ходе реализации Проекта, выполнен численный эксперимент по горению авиационного топлива типа керосин в богато-бедной МЭКС, в котором определялись основные характеристики камеры сгорания. Апробирована методика определения границы бедного срыва в МЭКС, основанная на анализе последовательности стационарных решений с постепенным обеднением циркуляционной зоны камеры сгорания.
Для трехкомпонентных суррогатов C3H8/nC4H10/iC4H10 альтернативных топлив на основе сжиженных углеводородных газов создан реакционный механизм воспламенения и горения в смесях с воздухом. Механизм содержит 442 реакции для 84 компонентов. Выполнено тестирование механизма на экспериментальных данных по временам задержки воспламенения, нормальным скоростям распространения пламени и профилям концентраций реагентов и продуктов.
Публикации
1.
Савельев А.М.,Cавельева В.А., Новаковский Д.В., Тарасенко А.Н.
Комплексные суррогаты авиационного коммерческого топлива типа керосин для моделирования рабочего процесса в малоэмиссионных камерах сгорания газотурбинных двигателей
В книге: Неравновесные процессы. 11-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям. Москва, 2024., В книге: Неравновесные процессы. 11-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям. Москва, 2024. С. 29-36. (год публикации - 2024)
DOI: 10.30826/NEPCAP11A-09
2.
Савельев А. М., Савельева В. А., Торохов С. А., Щепин С. А.
Тестирование современных моделей суррогатов авиационных топлив на экспериментальных данных по фракционной разгонке
Теплофизика высоких температур, Теплофизика высоких температур, 2024, т. 62, №4, с. 589-609. (год публикации - 2024)
10.31857/S0040364424040139
3.
Савельев А. М., Савельева В. А., Тарасенко А. Н., Торохов С.А., Кадочников И. Н, Новаковский Д. В.
Комплексные многокомпонентные суррогаты авиационных коммерческих топлив типа керосин. Моделирование характеристик горения
Физика горения и взрыва (год публикации - 2025)
10.15372/FGV2024.9406
4. Моделирование фракционной разгонки авиационных топлив с помощью уравнения состояния Пенга-Робинсона применительно к задачам расчетного исследования рабочего процесса в камерах сгорания ГТД Моделирование фракционной разгонки авиационных топлив с помощью уравнения состояния пенга-робинсона применительно к задачам расчетного исследования рабочего процесса в камерах сгорания гтд Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену. Научное электронное издание, Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену. Научное электронное издание. С. 1004-1006. (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработаны четырехкомпонентные суррогатные модели изооктан/изоцетан/декан/додекан для альтернативных изопарафиновых топлив, получаемых по технологии Фишера-Тропша, в составе которых доминируют сильно разветвленные изоалканы. Суррогаты состоят из углеводородов основных структурных классов, характерных для альтернативных изопарафиновых топлив, и воспроизводят основные физико-химические характеристики альтернативных изопарафиновых топлив, в том числе, отношение H/С, плотность топлива, молекулярную массу топлива, низшую теплоту сгорания, теплоту сгорания и цетановый индекс.
Разработан скелетный реакционный механизм окисления четырехкомпонентных суррогатов изооктан/изоцетан/декан/додекан альтернативных изопарафиновых топлив. Механизм содержит субмеханизмы как высокотемпературного, так и низкотемпературного окисления изооктана, изоцетана, декана и додекана. Механизм и модели суррогатов протестированы на экспериментальных данных по задержкам воспламенения изопарафиного топлива в бедных и стехиометрических смесях с воздухом, а также на данных по нормальным скоростям распространения пламени.
C применением разработанных суррогатов и реакционных моделей проведены численные эксперименты по горению традиционных и альтернативных топлив в камерах сгорания типа RQL и LPP. В эксперименте с противоточной камерой сгорания LPP было проанализировано, как замена топлива ТС-1 на Sasol IPK влияет на эмиссию NOx и CO. Установлено, что при замене топлива ТС-1 на Sasol IPK эмиссия NOx повышается на 17 %. Эмиссия CO уменьшается на 17 %. Проведены численные эксперименты для камеры сгорания типа LPP, работающей на топливах ТС-1, АСКТ, СПГ и Sasol IPK. В исследованиях эмиссионных характеристик данной камеры были проведены две серии численных экспериментов. В первой серии коэффициент избытка воздуха выдерживался одинаковым. Во второй серии одинаковой выдерживалась адиабатическая равновесная температура сгорания. Установлено, что и в одном, и в другом случае топлива располагаются по мере увеличения эмиссии NOx в следующем порядке: СПГ, АСКТ, Sasol IPK и ТС-1. Причем, если в первом случае данный порядок обусловлен уменьшением стехиометрического отношения воздух/топливо, то во втором случае увеличение эмиссии NOx обусловлено особенностями химии горения топлив.
Проведен численный эксперимент по оценке влияния типа топлива на срывные характеристики камеры сгорания типа LPP. Для определения границы бедного срыва была применена методология, апробированная в рамках Проекта. По результатам численных экспериментов установлено, что по мере увеличения коэффициента избытка воздуха, отвечающего срыву, рассматриваемые топлива располагаются в порядке: СПГ, АСКТ, IPK и ТС-1. Данный порядок соответствует тому порядку, в котором топлива располагаются по мере увеличения времени задержки воспламенения в бедных топливо-воздушных смесях.
Публикации
1.
Савельева В. А., Савельев А. М., Торохов С. А., Новаковский Д. В.
Кинетический механизм воспламенения и горения трехкомпонентных суррогатов C3H8/nC4H10/iC4H10 альтернативных топлив на основе сжиженных углеводородных газов
Физика горения и взрыва, online first, eLIBRARY ID: 82601313 EDN: GFXDQK (год публикации - 2025)
10.15372/FGV2024.9537
2.
Савельев А. М., Савельева В. А., Тарасенко А. Н., Торохов С.А., Новаковский Д. В
Комплексные многокомпонентные суррогаты авиационных коммерческих топлив типа керосин: моделирование основных физико-химических свойств
Теплоэнергетика, 2025. № 7. С. 5-29. (год публикации - 2025)
10.56304/S0040363624601064
3. Савельева В. А., Савельев А. М., Тарасенко А. Н., Торохов С. А. Кинетическая модель для четырехкомпонентных суррогатов iC8H18/iC16H34/nC12H26/nC10H22 синтетического изопарафинового топлива: разработка и применение Книга расширенных тезисов 15-го Международного коллоквиума по импульсной и непрерывной детонации (С.-Петербург, Россия, 20–24 апреля 2026 г.) (год публикации - 2026)
4. Савельев А. М., Савельева В. А., Кадочников И. Н., Новаковский Д. В. О срывных и эмиссионных характеристиках камер сгорания с бедным горением, работающих на альтернативных топливах Книга расширенных тезисов 15-го Международного коллоквиума по импульсной и непрерывной детонации (С.-Петербург, Россия, 20–24 апреля 2026 г.). (год публикации - 2026)
5. Савельев А.М., Торохов С.А., Савельева В.А. Кинетический механизм воспламенения и горения альтернативных топлив на основе сжиженных углеводородных газов: разработка и применение Международная научно-техническая конференция по авиационным двигателям. ICAM 2025. Сборник тезисов, Международная научно-техническая конференция по авиационным двигателям. ICAM 2025 : сборник тезисов / Государственный научный центр РФ «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова». – М. : ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2025. – 1361 с. с ил. (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Результаты разработки моделей суррогатов традиционных и альтернативных топлив, а также реакционных кинетических моделей воспламенения и горения суррогатов этих топлив, адаптированные для численных экспериментов с МЭКС, послужат развитию и расширению научно-технического задела в области разработки МЭКС для отечественных перспективных ГТД.