主燃级基于旋流直射式喷嘴的超低排放燃烧室实验研究

为了实现航空发动机超低NO_x超低排放的目标，本文提出贫油预混预蒸发低排放燃烧室主燃级采用旋流直射式喷嘴技术，达到主燃级燃油和空气强化混合的效果，获得良好均匀性的油气混合物进行燃烧。在单头部燃烧室试验件上实验研究了LTO循环4个工况(慢车、进场、爬升和起飞)的燃烧性能和污染排放性能。研究结果表明：除慢车工况的燃烧效率接近0.99外，其余工况的燃烧效率均大于0.995；在LTO循环内，CO,UHC和NO_x排放均比CAEP/6排放标准降低50%以上，且NO_x比CAEP/6低72.5%，达到了超低排放的目标；同时与其他各型低排放燃烧室相比，起飞工况、爬升工况的NO_x排放在LTO循环中的占比均有较大幅度的降低。     

民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势

针对民用发动机污染排放的现状,介绍了低污染燃烧技术发展概况及趋势,国际民航组织(ICAO)颁布的《航空发动机的排放》标准,以及中国民用航空局(CAAC)对排气污染物的规定,分析了排气污染物的生成机理和主要影响因素以及改善措施.对6种先进低污染燃烧室(分级、变几何、催化、贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)、富油燃烧/淬熄/贫油燃烧技术(RQL)以及双环预混旋流(TAPS)等燃烧室)的工作原理与特点、以及应用状况作了简要分析.其中分级燃烧技术构成了先进低污染燃烧室设计的技术基础,而LPP,RQL与TAPS燃烧室为三种很有发展前途的低污染燃烧室.此外,还介绍了贫油直接喷射、燃料电池以及主动燃烧控制等三种新型的低污染燃烧技术,虽然实现这些技术难度较大,但有广阔的应用前景.      

直混燃烧与LPP组合燃烧室数值研究

设计了直混燃烧与贫油预混预蒸发(LPP)组合的单管燃烧室.燃烧室头部采用同轴同旋向主模旋流器和副模旋流器结构,主、副油路分别采用直射式喷嘴和压力雾化喷嘴,可以在单管燃烧室上掌握和实现低污染燃烧排放控制技术,并采用Fluent软件对设计的单管燃烧室模型进行数值模拟.计算结果表明:主副模燃烧区相互独立;副模是直混燃烧,主要作用稳定火焰.主模是预混燃烧,燃烧区温度分布均匀,从而实现低NO_x排放.解决了大工况下低NO_x排放与慢车贫油熄火之间的矛盾.      

低排放航空燃气轮机燃烧技术

对于干式低排放燃烧技术,富油急冷贫油燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室、贫油直喷燃烧室是最值得关注的概念,同时这些燃烧概念通常也需要与分级概念结合使用。本文针对当前较受关注的低排放燃烧技术,对其能力、限制和发展做一个简要而全面的介绍。     

贫油预混预蒸发燃烧室排放试验研究

提出一种采用直接喷射和部分预混预蒸发(DIPME)混合燃烧技术的中心分级燃烧室,这种DIPME燃烧室具有低工况稳定燃烧,高工况低NOx排放的特征。对采用该燃烧技术的单头部DIPME燃烧室进行LTO循环4个工况(慢车、返场、爬升和起飞)试验研究。研究结果表明:除慢车工况的燃烧效率接近0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995;在LTO循环内DIPME燃烧室的CO,UHC和NOx排放均满足CAEP/6排放标准,其中NOx比CAEP/6低60.8%;同采用富油燃烧技术的燃烧室相比,采用该技术的DIPME燃烧室在降低CO和UHC排放上并没有什么优势,但在降低NOx排放上潜力巨大。     

富油燃烧-猝熄-贫油燃烧燃烧室技术分析

富油燃烧-猝熄-贫油燃烧（RQL）燃烧室是近年低污染燃烧室的研究热点,是实现航空发动机减少氮氧化物（NOx）排放的最基本的燃烧策略之一。总结了RQL燃烧室的特点,并针对RQL燃烧室设计理念提出了可借鉴与启迪之处。     

大飞机发动机先进低排放燃烧室技术

随着双环腔预混旋流、富油燃烧-猝熄-贫油燃烧、贫油预混预蒸发和驻涡等新型燃烧室技术的不断发展和成熟,未来大飞机发动机的排放水平将达到甚至超过国际排放标准要求,甚至会取得突破性进展。     

富油/焠熄/贫油(RQL)燃烧室燃烧和排放特性的实验研究

针对燃气轮机低排放燃烧室的研究,设计了以甲烷为燃料采用预混燃烧的富油/焠熄/贫油(RQL)模型燃烧室。通过对RQL模型燃烧室内轴向温度和组分浓度分布,燃烧室出口温度分布及排放进行实验研究,分析了焠熄与主流空气流量之比,富油区当量比对燃烧性能和排放特性的影响规律。结果表明:典型RQL燃烧方式下富油区火焰颜色较暗,贫油区火焰为淡蓝色,燃烧室内轴线方向温度呈M型分布,NO_x主要在焠熄区生成。CO,UHC和O_2浓度在经历焠熄区时发生突变;出口NO_x和CO排放都较低。保持头部当量比不变,随着焠熄与主流空气流量比的增加,燃烧室出口平均温度下降,NO_x排放下降,CO排放上升。保持焠熄与主流空气流量比不变,富油区当量比小于1.4时,不能再实现RQL燃烧模式。     

民用航空发动机低排放燃烧室技术

导读:国际上对民用航空运输污染排放的限制标准越来越严格,燃烧室作为民用航空发动机污染排放的唯一来源,降低污染排放物的生成量是燃烧室研制面临的重要任务,低排放燃烧技术作为民用航空发动机的关键技术之一,是支撑民用航空发动机研制和进入市场的核心技术.本文简述了民用航空发动机污染排放标准的发展趋势、污染物的生成机理和控制、先进低排放燃烧室技术和未来超低排放燃烧技术发展方向.     

燃气涡轮发动机干低排放燃烧室的研制及发展

简要介绍了RR、GE、PW、BMW-RR和SNECMA等公司燃气涡轮发动机干低排放燃烧室的设计、研制和应用,分析了燃料分级、预混预蒸发、贫油—猝熄—富油燃烧等干低排放燃烧室技术的特点,指出了干低排放燃烧室的发展潜力。     

Experimental and numerical studies of a lean-burn internally-staged combustor

A lean-burn internally-staged combustor for low emissions that can be used in civil avi-ation gas turbines is introduced in this paper. The main stage is designed and optimized in terms of fuel evaporation ratio, fuel/air pre-mixture uniformity, and particle residence time using commer-cial computational fluid dynamics （CFD） software. A single-module rectangular combustor is adopted in performance tests including lean ignition, lean blowout, combustion efficiency, emis-sions, and combustion oscillation using aviation kerosene. Furthermore, nitrogen oxides （NOx） emission is also predicted using CFD simulation to compare with test results. Under normal inlet temperature, this combustor can be ignited easily with normal and negative inlet pressures. The lean blowout fuel/air ratio （LBO FAR） at the idle condition is 0.0049. The fuel split proportions between the pilot and main stages are determined through balancing emissions, combustion efficiency, and combustion oscillation. Within the landing and take-off （LTO） cycle, this combustor enables 42%NOx reduction of the standard set by the 6th Committee on Aviation Environmental Protection （CAEP/6） with high combustion efficiency. The maximum board-band pressure oscillations of inlet air and fuel are below 1%of total pressure during steady-state operations at the LTO cycle specific conditions.     

国外民用航空发动机低污染燃烧室的发展

由于地球大气污染加剧,低污染燃烧室的研制成为了制约民用飞机发动机发展的关键技术之一。叙述了ICAOCAEP标准对民用航空发动机污染物排放的规定,以及污染物形成机理和排放控制方法,详细介绍了美国和英国、德国等欧洲航空发动机先进国家研制的多种高效低污染燃烧室,如TAPS、TALON、TVC和ANTLE等。这几种燃烧室的污染物排放水平均比CAEP2标准规定值低50％以上,其研制、发展和使用经验,对中国低污染燃烧室的研制和发展具有重要的参考价值。     

一种模型低污染燃烧室三维两相数值模拟

贫油预混预蒸发(LPP)技术是目前最具发展前景的低污染燃烧技术,可实现很低的NOX排放。本文采用FLU ENT软件,对一种模型低污染燃烧室(采用LPP燃烧技术)进行三维两相数值模拟计算分析,研究了模型燃烧室的流场结构、流量分配、回流特性、雾化特性和燃烧性能,并对NOX排放进行了预测。结果表明,模型燃烧室流场中存在与TAPS燃烧室相似的三个涡结构,流量分配与试验吻合良好,雾化特性良好并具有较好的温度场和低的NOX排放。     

Influence of coupled characteristics on the internally staged combustor under low power operation

An ultra low emissions combustor, namely low emission stirred swirl (LESS) combustor was studied, based on a scheme of internally staged/lean premixed and prevaporized (LPP) combustion. The LESS combustor consists of central pilot stage and outer surrounded coaxially main stage, between which there exists a physical isolation, namely the step height. The existence of step height delayed the pilot and main jets mixing. Experimental and numerical studies were carried out to investigate the influence of the step height on the combustion performance. A single dome rectangular combustor was utilized to conduct the lean lightoff and blowout experiments, and pollutant emission experiments. The experimental results showed that with the increase of step height by 38%, the lean lightoff and blowout fuel air ratio decreased by 574% and 375%, the NOx emission increased by 35.1%, and the combustion efficiency increased by 1.78%; while the CO,unburned hydrocarbons (UHC) emissions decreased. Furthermore, the total pressure loss was kept nearly constant. Non reacting and reacting flow fields were numerically investigated to analyze the coupled characteristics of pilot and main jets with different step heights. A comparison of flow characteristics, spray structure, and combustion component as well as temperature field with different step heights was conducted. The numerical results showed that the increase of the step height shifted the peak velocity outwards. The enlargement of the primary recirculation zone (PRZ) resulted in the increase of the combustion efficiency and NOx emission, while the CO, UHC emissions decreeased.      

基于涡轮导向器增燃技术的总体性能与燃烧组织

为了使航空发动机达到高推质比、低燃油消耗率、低污染以及拓宽稳定工作范围的目标,应使用涡轮导向器增燃技术在涡轮导向器叶片间喷油点火再次燃烧,提高涡轮内燃气温度,从而提高发动机的总体性能.阐述了涡轮导向器增燃技术具有提高航空发动机总体性能的潜在优势,分析研究了该技术中组织燃烧的关键技术、参数和机理问题,得出如下结论:①对于射流旋流方案,径向凹槽对燃烧室出口温度分布起决定性作用;降低燃烧凹环内当量比,可提高燃烧效率,从而降低CO,UHC(未燃碳氢化合物),NOx等污染物排放量.②当二次气流角为60°时,射流涡流方案各项燃烧性能较好.     

旋流器结构对贫油直喷燃烧室的性能影响

针对单元贫油直喷(LDI)喷嘴的旋流器设计问题,实验研究了旋流器结构变化(改变旋流器级数、双旋流器旋向及混合段收缩角等)对燃烧室总压损失、燃烧效率以及污染物排放等性能的影响规律.结果表明:旋流器结构变化对燃烧室性能有很大影响.同向双旋流燃烧室总压损失大于与之相同计算旋流数的单级旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室总压损失略低于同向双旋流燃烧室,燃烧室总压损失随收缩角增大而呈增大趋势.相较单级旋流燃烧室和同向双旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室在不同贫油气比工况下均具有更高的燃烧效率和更低的污染物排放.另外,燃烧效率及污染物排放受收缩角的影响.最佳收缩角角度的选取需要综合权衡总压损失、燃烧效率及污染物排放水平.     

同心旋流分层火焰的外激脉动特性统计学分析

为了更深入地理解民用航空发动机低排放燃烧室中的同心旋流分层火焰脉动机制，以丙烷为燃料，在100Hz频率的外激条件下对该类旋流火焰的CH*化学发光图像进行高频采样，重点通过本征正交分解法（POD）的统计学分析，提取其时间和空间域内的脉动特征。分析结果表明，旋流火焰中4个最主要的脉动模态分别是轴向振荡、径向振荡、火焰脱落和非对称螺旋运动，并且模态1轴向振荡和模态2径向振荡之间具有显著相关性。POD分析方法可作为中心分级贫油预混燃烧不稳定性机理探索的有效手段。      

航空衍生工业燃气轮机双燃料贫燃预混低污染燃烧技术

论述了航空衍生燃气轮机双燃料低污染燃烧技术的研发过程,总结了所采用的促使该技术成功发展的重要技术要点,对双燃料燃烧室可以工作的燃料-空气比的范围、燃料-空气比对CO和NOx排放的影响及过渡工况设计给予了论述,并全面总结了双燃料低污染燃烧室设计上的考虑因素.通过对多种贫燃预混的双燃料-空气模的研究设计以及长期地、持续地进行研发及燃烧试验,结果表明:设计的双燃料燃烧室在50%~100%工况范围每一点都可满足低污染要求.所研发的低污染燃烧技术以及过渡工况的设计都切实可行,可以直接用于航空发动机型号产品.      

甲烷-空气贫燃料预混燃烧的数值模拟

针对燃气轮机燃烧室火焰筒中的甲烷-空气贫燃料预混燃烧问题,给出了基于八步化学反应动力学机理的数学模型。以某型航空发动机燃烧室火焰筒为例,对甲烷-空气贫燃料的预混燃烧进行数值模拟。研究结果表明,基于八步化学反应动力学机理的数值模拟方法,可以比较准确地反映燃烧产物的形成过程,在分析航空发动机燃烧室火焰筒内的贫燃料预混燃烧问题时具有较强的实用性。