18 Октября 2018 г. Нечетная неделя

Форсуночные модули с электрическими устройствами воздействия на топливо для авиационных двигателей

Описание

Применение 

Газотурбинные авиационные двигатели и другие типы двигателей, работающих на керосине.

Актуальность

В настоящее время во всём мире ведутся активные исследования по созданию высокоскоростных транспортных средств, обеспечению экологии и высокой энергоэффективности авиационных двигателей. Эти исследования прежде всего направлены на повышения качества распыла жидкого топлива и сгорания топливно-воздушной смеси. Как правило, существенного улучшения качественных показателей распыла и горения  существующими методами и технологиями не удаётся. Поэтому обеспечение заданных характеристик топливно-воздушной смеси при её сгорании с использованием новых физических явлений является актуальной задачей для авиакосмической промышленности.

В проекте предлагается для улучшения качества распыла топлива и сгорания топливно-воздушной смеси использовать соответствующим образом организованные электрические поля в цепях подачи топлива к форсунке и (или) непосредственно в самой форсунке при распыливании топлива на капли. При этом под форсуночным модулем понимается электрическое устройство воздействия на топливо (ЭУВТ) и топливная форсунка.

Научная и практическая значимость

При реализации проекта предложена стратегия исследований и разработок форсуночных модулей, основанная на разработанной технологии Динамического конструирования, предусматривающей использование суперкомпьютерных вычислений и верификации экспериментом на современном лазерно-оптическом и другом оборудовании, обеспечивающая патентоспособность и конкурентоспособность разработок на рынке с целым рядом «ноу-хау» за счет оптимального выбора взаимосвязанных параметров. Как правило, все полученные результаты обладают мировой новизной, поскольку такие исследования применительно к авиационным двигателям осуществляются впервые.

Партнеры

  • Индустриальный партнер - АО «ОДК- Авиадвигатель»

Используемые ресурсы и оборудование

  • Суперкомпьютерный кластер СПбПУ на новейших процессорах семейства Intel Xeon E5-2697 v3 : Пиковая суммарная производительность вычислителей достигает 1.3 Петафлопс.668 узлов: 2 x (Intel Xeon E5-2697 v3) х14 ядер (2.60 GHz), всего 18 704 ядер,  64 GB RAM на узел. 56 узлов:  2 x (Intel Xeon E5-2697 v3) х 14 ядер (2.60 GHz), всего 1568 ядер  64 GB RAM на узел +  2 x NVidia Tesla K40X . 32 модуля x8 Intel Xeon Phi 5120D (60 ядер х4 потока; 1.038ГГц; 8ГБ RAM); x2 IB FDR. Всего: 15360 ядер; 61440 потоков; 2048 ГБ RAM;

  • Высокопроизводительный вычислительный кластер ПНИПУ: 88 вычислительных узлов; 128 четырех-ядерных процессоров "Barcelona-3" (всего 512 ядер); 48 восьми-ядерных процессоров "Intel Xeon E5-2680" (всего 384 ядра);
  • Трёхкомпонентный лазерно-оптический доплеровский анемометр- 3D-LDA ЛАД-056С (Институт оптико-информационных технологий, Россия): 2 полупроводниковых диодных лазера типа ML1013R-01 MitsubishiElectric Corp;

  • 2 сближённых оптических блока  с углом сходимости между системой лучей 9 градусов с формированием 6-ти лучей для измерения 3-х компонентов скорости потоков; управляемая от компьютера 3-х компонентная координатно перещающееся устройство с точностью позиционирования 0,1мм;
  • Трёхкомпонентный лазерно-оптический фазо-доплеровский анемометр 3D-LDA-PDA (фирмы Dantec Dynamics, Дания): 3-х компонентное координатно перемещающееся устройство управляемое от компьютера с точностью позиционирования0,1 мм; газовый аргоновый ионный лазер Spectra Physics (США) Stabilite 2017; 2-х контурная система водяного охлаждения лазера; процессор обработки сигналов BSA Flow P80 с максимальной частотой сигнала на входе 180 МГц;
  • Огневой стенд для испытаний форсунок и форсуночных модулей (АО «ОДК-Авиадвигатель»): пятигорелочный отсек реальной камеры сгорания авиадвигателя, работающего на керосине. Автоматическая система (АС) измерения, управления и обработки параметров установки во время всего цикла испытаний. Газоанализаторы Testo-350, MGA 5+, Fidamat 6 для автоматического анализа различных компонентов отработавших газов, комбинированные гребенки с термопарами и отборами проб газа.

Результаты

В результате выполнения ПНИ теоретически получено и экспериментально подтверждено, что при использовании электрических полей в форсуночных модулях авиационных газотурбинных двигателей  улучшаются параметры распыла керосина, и сгорания керосино-воздушной смеси. Результаты огневых испытаний разработанных форсуночных модулей на пятигорелочном отсеке реальной  камеры сгорания газотурбинного двигателя  в АО «ОДК-Авиадвигатель» показали, что при воздействии на керосин  электрического поля  на режиме малого газа работы авиадвигателя  происходит уменьшение CO  в исходящих продуктах горения на 10,61% и концентрации выхлопных углеводородов HC – на 57,3%  по сравнению с базовой форсункой  без электрического поля.  Все это свидетельствует об улучшении параметров распыла топлива и увеличении полноты сгорания топлива.

Индустриальный партнер своим Заключением  подтвердил, что проект готов к переходу на стадию ОКР.

Разработки защищены 4-мя патентами Российской Федерации, еще 2 заявки на выдачу патентов РФ находятся на рассмотрении в Роспатенте

  • Патент № 2582376 (РФ). Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю. Способ повышения эффективности распыла топлива. Заявитель: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Опубликовано: 27.04.2016. Бюл. № 12.
  • Патент № 2562505 (РФ). Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю., Марчуков Е.Ю., Фёдоров С.А., Пщелко Н.С. Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива. Заявитель: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Опубликовано: 10.09.2015 Бюл. № 25.
  • Патент № 2571990 (РФ). Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю.  Способ повышения эффективности сгорания топлива в двигателе самолёта. Заявитель: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Опубликовано: 27.12.2015. Бюл. № 36.