Estudio computacional del flujo interno y del chorro generado por un atomizador "pressure-swirl" de uso aeronáutico

Abstract

[ES] Los procesos de inyección y atomización del combustible en los motores de turbina de gas aeronáuticos son determinantes en la eficiencia de la posterior combustión y la disminución de las emisiones contaminantes asociadas, especialmente de gases NOx. En concreto, los atomizadores de tipo «pressure-swirl» resultan de especial interés, pues dotan de una rotación al flujo interno que permite expedir un chorro de combustible en forma de spray cónico, abarcando gran parte de la cámara de combustión y facilitando la formación de ligamentos y gotas que posibilitan la posterior combustión. La geometría interna de los atomizadores «pressure-swirl» presenta características peculiares que influyen de manera significativa en la calidad de la atomización y combustión. En el presente Trabajo Final de Grado se lleva a cabo una caracterización geométrica de un atomizador Danfoss comercializado en el mercado actual mediante diversas técnicas experimentales como la Metodología de Silicona o la Tomografía Computarizada, a fin de determinar una geometría libre de incertidumbres con la que realizar posteriores simulaciones CFD y ahondar en los fenómenos físicos que rodean a este tipo de atomizadores. Asimismo, las técnicas de visualización experimentales del chorro líquido inmediatamente a la salida del atomizador no permiten capturar correctamente la desintegración del líquido en ligamentos, proceso conocido como atomización primaria. El presente trabajo integra a su vez un estudio computacional CFD del atomizador «pressure-swirl» caracterizado experimentalmente, con intención de validar algunos parámetros característicos con estudios previos experimentales y teóricos, e interpretar los resultados entorno al funcionamiento de estos atomizadores.

[EN] Fuel injection and atomization processes in aviation gas turbine engines are critical in the combustion performance and the decrease of pollutant NOx gases emissions. Specifically, pressure-swirl atomizers occupy a special position amongst other atomizers, since they provide the flow with a rotatory movement which makes the liquid emerge as a wide hollow conical spray in the combustion chamber. Therefore, it enables the formation of ligaments and droplets which will give rise to a successful combustion process. The internal geometry of pressure-swirl atomizers influences the atomization quality and combustion process significantly. In the current Final Degree Project a Danfoss atomizer is characterised through different experimental techniques such as Silicon Molds or Computed Tomography Scanning. The purpose focuses on determining accurately some of the internal features with a view to performing several CFD simulations and studying the physical phenomena ocurring in this kind of atomizers. Additionally, experimental visualization techniques of fuel jet after being discharged through the atomizer outlet orifice do not capture accurately the liquid disintegration process or primary atomization, through which fuel is breaked up in ligaments or droplets. The current work includes a CFD computational study of a previously characterized pressure-swirl atomizer, with the aim of validating several characteristic parameters with previous experimental and theoretical studies, as well as understanding the behaviour of both internal flow and jet generated in pressure-swirl atomizers.

[CA] Els processos de injecció i atomització del combustible en els motors de turbina de gas aeronàutics són determinants en la eficiència de la posterior combustió i la disminució de les emissions contaminants derivades, especialment dels gasos NOx. Concretament, els atomitzadors de tipus «pressure-swirl» resulten de especial interés, ja que doten d’una rotació al flux intern que permet expedir un doll de combustible en forma d’esprai cònic, el qual abarca gran part de la cambra de combustió i facilita la formació de ligaments o gotes que possibiliten la posterior combustió. La geometria interna dels atomitzadors «pressure-swirl» presenta característiques peculiars que afecten significativament la qualitat de l’atomització i combustió. En el present Treball de Fi de Grau es realitza una caracterització geomètrica d’un atomitzador Danfoss comercialitzat al mercat actual mitjaçant diverses tècniques experimentals com la Metodologia de Silicona o la Tomografia Computeritzada, a fi de determinar una geometria lliure d’incerteses amb la qual realitzar posteriors simulacions CFD i aprofundir en els fenòmens físics que succseeixen en este tipus d’atomizadors. Adicionalment, les tècniques de visualització experimentals del doll líquid immediatament a l’eixida de l’atomitzador no permeten capturar correctament la desintegració del líquid en ligaments, procés anomenat atomització primària. El present treball integra un estudi computacional CFD de l’atomitzador «pressure-swirl» caracteritzat experimentalmeent, amb intenció de validar paràmetres característics amb estudis previs experimentals i teòrics, i interpretar els resultats sobre el funcionament d’aquest tipus d’atomitzadors.