Водокеросиновые эмульсии в камере сгорания МД-120
03.11.2026
Трёхмерным CFD-моделированием оценено влияние водокеросиновых эмульсий (0–30 об. % воды) на полноту сгорания, температуру и выбросы NOx в кольцевой КС малоразмерного ГТД. Определено рациональное содержание воды для каждого режима
Постановка задачи
Ужесточение экологических требований ICAO и российских норм НЛГ-34 требует новых способов снижения эмиссии NOx, CO, несгоревших углеводородов и твёрдых частиц. Водотопливные эмульсии улучшают смесеобразование за счёт микровзрыва капель и снижают температуру в зоне горения, уменьшая образование термических NOx. По литературным данным, оптимальное содержание воды — 2,5–5 % для стабильности пламени, поэтому влияние на конкретную КС нужно оценивать количественно.
1 – центробежный компрессор; 2 – диффузор на выходе из компрессора; 3 – сопло/головка жаровой трубы; 4 – жаровая труба; 5 – вход в сопловой аппарат турбины высокого давления.
Рисунок. Продольный разрез модели камеры сгорания малогабаритного авиационного газотурбинного двигателя
Что сделано
- Постановка задачи — определены пространственные распределения температуры и концентрации NOx при содержании воды 0, 10 и 30 об. % для двух коэффициентов избытка воздуха (α = 3 — взлётный режим, α = 6 — малый газ).
- Модель — ANSYS Fluent 2021 R2, кольцевая КС с восемью горелочными устройствами и центробежными форсунками; стационарная постановка, модель турбулентности k–ω SST.
- Горение — Partially Premixed Combustion на основе FGM и кинетического механизма POLIMI_PRF_PAH_RFUELS_LT_1412 (352 компонента, 13 264 реакции).
- Распыл и испарение — модель дискретной фазы DPM с многокомпонентными каплями; топливо — четырёхкомпонентный суррогат керосина SU4; эффект микровзрыва имитировался пользовательскими функциями (UDF).
Процесс моделирования
Рисунок. Распределения температур в продольном сечении КС
Рисунок. Распределения NOx в продольном сечении КС
Ключевой результат
NOx: −26 % при α = 3 (10 % воды, полнота сгорания выросла с 89,67 до 92,76 %) и −73 % при α = 6 (30 % воды, полнота выросла с 86,79 до 93,56 %). Температура на выходе снизилась на 142 и 121 К соответственно
Рекомендации и границы применимости
При α = 3 рационально 10 об. % воды, при α = 6 — 30 об. %; для адаптации КС к эмульсиям — корректировка распределения воздуха по длине жаровой трубы и экспериментальная валидация
Методика применима и за пределами авиации: насосно-компрессорное оборудование, трубопроводные системы, сепараторы, теплообменники, вентиляция — везде, где нужно оценивать давления, температуры, гидравлические потери, зоны кавитации и перегрева.