航空发动机燃烧室燃烧过程与排放物生成的反应动力学数值模拟

选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了正癸烷的化学反应详细机理与简化机理(包括50种组分,118个基元反应).分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火延迟时间、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析.同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某型航空发动机环管形燃烧室中单个火焰筒内流动特性与燃烧过程、排放物及活性中间组分生成的反应动力学特性进行了详细分析,并与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理的计算结果进行了对比分析.结果表明:采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C₁₂H₂₃为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理计算得到的温度场分布更符合实际,其出口平均温度亦更为接近燃烧室出口设计温度;同时,能更为详细了解燃料低温裂解过程及裂解产物、中间产物及主要排放物的生成规律.      

单管火焰筒内燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了建立航空煤油替代燃料的反应机理,并对航空发动机燃烧过程进行详细反应动力学研究,选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了该替代燃料的化学反应详细机理与简化机理。分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火过程、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析。同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某单管火焰筒内燃烧过程、排放物及活性中间组分的生成规律进行了详细分析,并与采用C12H23为燃料的单步总包反应机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C12H23为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理能更好地对单管火焰筒的燃烧与排放特性进行详细的动力学分析。     

吞水对回流燃烧室部件性能影响的试验

以全环回流燃烧室验件为平台,试验研究了吞水量对燃烧室进口温度、燃烧效率、燃烧室当量温升、燃烧室出口温度分布系数（OTDF）、燃烧室出口径向温度分布系数（RTDF）等燃烧室性能的影响。试验结果表明：发动机不同的工作状态,在吞水量为燃烧室进口空气流量5%的范围内,随着燃烧室吞水量的增加,燃烧室进口温度、燃烧效率、总压损失和当量温升均会降低,地面慢车燃烧效率从99.3%下降到97.2%;燃烧出口温度场品质变差,设计点状态的燃烧室出口温度分布系数值由0.23升高到0.28;地面慢车燃烧室熄火油气比由0.004 5升高到0.006 5,熄火边界缩小。     

喷嘴匹配方案及火焰筒开孔对燃烧室性能影响的试验研究

基于航空发动机主燃烧室扇形试验,针对点火喷嘴特性以及火焰筒大孔射流的改变对主燃烧室性能的改善情况进行了研究。试验中进行了点火用喷嘴匹配方案对燃烧室熄火性能,以及火焰筒大孔面积变化对燃烧室贫油熄火、燃烧效率和出口温度场性能影响的研究。研究结果表明：在供油系统设计中采用放大型点火喷嘴可改善主燃烧室贫油熄火性能;增大火焰筒主燃孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,而贫油熄火特性将变差;增大掺混孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,拓宽燃烧室的熄火动界．     

某型燃烧室火焰筒的性能对比试验

为了检验某型航空发动机燃烧室国产化火焰筒的性能,在燃烧室试验台架上,采用连续气源和扇形段试验件,通过模拟燃烧室在最大工况下的工作参数,对该型燃烧室使用的原型火焰筒和国产火焰筒进行了燃烧效率特性、出口温度分布、壁温分布和贫油熄火特性对比试验.试验结果表明:两种火焰筒的燃烧效率特性相同,同一工况下的燃烧效率值接近,相差大约0.5%,国产火焰筒优于原型火焰筒;出口温度场类似,质量指标接近,出口温度分布系数和径向温度分布系数分别相差1%和1.3%,且均在合理范围之内;壁温分布相似,同一位置处最大温差为50K,国产火焰筒高于原型火焰筒;贫油熄火特性一致,在进气速度为150m/s以下,原型火焰筒优于国产火焰筒.      

重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了阐明重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学特性,采用Gri_3.0,NUI_Galway与USC_2.0动力学模型对甲烷燃料在定容燃烧反应器中的燃烧特性进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析,确定了甲烷燃料的反应动力学模型;耦合该反应动力学模型与CFD计算软件,对燃用甲烷燃料的重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒的燃烧过程进行了反应动力学分析,并与相应实验结果进行了对比分析。结果表明:与NUI_Galway及USC_2.0动力学模型相比,采用Gri_3.0动力学模型计算得到的甲烷燃料多工况下的燃烧特性与实验值吻合较好;在该重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒中,在火焰筒头部与主燃区同时存在两个明显的呈对称状态的回流区;在该火焰筒中的高温区域,O,OH与H等活性组分以及CO2的摩尔分数达到最大,而在低温区域CO的摩尔分数达到最大;同时,与实验值相比,采用Gri_3.0动力学模型计算得到的单个火焰筒的出口平均温度略高约4K,热点温度高约197K。     

以柴油为燃料的旋流杯燃烧室燃烧性能研究

为分析燃料和燃烧室结构对燃烧性能的影响，对地面用燃气轮机采用旋流杯燃烧室以0号柴油为燃料时的燃烧性能进行了试验研究，同时研究了主燃孔尺寸和掺混孔轴向位置对燃烧性能的影响。试验结果表明:使用柴油为燃料后，由于粘度增加燃烧室的点火和熄火特性变差，常温点火油气比高于0.034，慢车贫油熄火油气比高于0.005，提高燃烧室入口气流温度至240℃可使最低点火油气比降至0.023；在相同油气比和入口条件下燃烧室温升超过900℃，高于相同入口条件下航空煤油温升，燃烧效率达到了98%以上，出口温度分布系数最高为0.2324满足出口温度分布均匀性要求，CO，NO_x和UHC排放最高值分别为76.57，56.73和626mL/m3，都满足污染物排放要求，SN4为11.9，达到了无烟燃烧室标准。主燃孔直径增大至11mm，使主燃区空气流量增加2%会导致燃烧室的点火油气比升高约5%，熄火油气比升高约3%；掺混孔前移导致贫油熄火油气比升高10%、燃烧效率下降1.3%，出口温度分布系数升高至0.2324，但会使NO_x和CO的排放分别降低49%和18%；掺混孔后移，会使出口温度分布系数降至0.197，NO_x排放降低26%。     

R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟

采用SIMPLE算法,应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率／涡耗散化学反应模型,对R011O重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致,火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明,计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。     

分级燃烧技术及其在同心分级燃烧室中的应用

为了解决军、民用航空发动机燃烧室火焰筒头部加入更多空气参与燃烧而导致在地面慢车状态下贫油熄火性能变差的 问题,广泛采用分级燃烧技术。分级燃烧相对常规燃烧室而言,其燃油或空气分别从不同位置进入燃烧室,在火焰筒内形成局部富 油区,以提供足够的稳定边界。同心分级的值班级位于正中心,起到点燃与在发动机小功率状态下稳定火焰的作用。主燃级环绕于 值班级外侧,油气混合物与值班级的油气混合物呈同心分布。根据其技术特点,油气匹配技术、燃油喷嘴热防护、燃烧室出口温度场 控制、燃油系统供油控制等是研制中需要密切关注的关键技术。     

燃气轮机双燃料燃烧室负荷特性试验研究

为了对比双燃料燃气轮机燃烧室使用不同气液条件下的性能,在燃烧室试验台架上,采用连续气源和单火焰筒试验件,对该型双燃料燃烧室进行了天然气及轻柴油燃料条件下的燃烧效率特性、火焰筒壁面温度分布、出口温度分布、压力脉动及总压损失特性对比试验.试验结果表明:对比柴油燃料,双燃料燃烧室在使用天然气燃料时,燃烧效率稍低,火焰筒壁温偏...     

生物柴油对双旋流燃烧室燃烧与排放性能的影响

为深入研究燃气轮机燃用生物柴油对其燃烧与排放性能的影响,将生物柴油与柴油按照不同比例进行混合,在双旋流燃烧室90°扇形试验件上进行降压模拟燃烧试验.结果表明:随油气比的增加,燃烧效率和NOx排放快速增加并趋于稳定,出口温度分布系数（OTDF）、径向分布系数（RTDF）、CO排放逐渐减小并趋于稳定;随生物柴油混合比例的增加,燃烧效率、燃烧室温升逐渐降低,OTDF和NOx排放先减小后增加,RTDF和CO排放逐渐增加.随油气比的增加,生物柴油对燃烧和排放的主要影响方面发生变化,影响程度逐渐减弱,不同油气比时存在不同的最佳生物柴油混合比例.      

双旋流器燃烧室NOx生成研究

通过试验和数值模拟方法研究不同进口油气比与温度以及主燃孔布局变化对双旋流模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度丁以及污染物NO_x排放的影响.采用二维粒子图像测速仪(PIV)测量燃烧室内热态流场,用多点温度耙和取样管测量燃烧室出口温度T与NOx在非结构网格体系下,采用Fluent商业软件对燃烧室三维两相燃烧流场和NO_x分布进行计算.计算结果与试验数据符合较好,表明不同油气比、进气温度和主燃孔布局变化对模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度T与NO_x排放都有一定的影响,并随着油气比与进气温度增加,燃烧室出口温度T与NO_x排放也相应地提高.      

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的 k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NO_x的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO₂生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537K,油气比为0.0048,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2 (来流马赫数为0.155,进口温度为523K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.      

航改型双环燃烧室燃烧反应特性试验

针对地面运输用燃气轮机低排放的要求，试验研究了一种双环预混旋流(TAPS)燃烧室在以0号柴油为燃料时的反应特性。结果表明:采用TAPS燃烧室由于空气分配方式的改变，总压恢复系数在0.97以上，高于经典单环燃烧室。由于柴油黏度和燃点的影响，使用柴油为燃料时最低常压点火油气比高于0.05，要比相同结构采用航空煤油为燃料时的点火油气比高，但慢车贫油熄火极限没有明显的变化，维持在0.006~0.008之间。采用压力雾化的预燃级存在燃料混合不均匀的问题，导致燃烧效率只能达到0.99，为要求值的下限，但燃烧室出口温度分布系数小于0.25，达到了所要求的性能指标。由于采用了预混预蒸发燃烧，污染物排放中NOx的干基体积分数为1.76×10-5，明显低于所要求的性能指标，但CO的干基体积分数较高达到了5.02×10-4。综合比较各项性能指标，该燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧室出口温度分布和NOx排放上表现出了一定的优势，但燃烧效率低和CO排放高还是需要解决的问题。      

无掺混孔三级旋流器燃烧室燃烧性能试验

对无掺混孔三级旋流器燃烧室进行了不同进口空气速度和油气比下的热态试验研究,研究结果表明:随着进口空气速度的增加,点火油气比从0.0115增大到0.0174,贫油熄火油气比大多在0.005以下且变化不大;同一油气比下,进口空气速度越低,燃烧效率越高;各工况下的燃烧效率均在0.895以上,大状态点的出口温度分布系数均在0.1左右;综合考虑各燃烧性能,试验结果验证了对于高油气比燃烧室而言取消掺混孔的可行性和所提出的几个技术创新的可行性.      

超高温升中心分级燃烧室设计及计算分析

针对航空发动机高推重比、高温升的需求,提出1种中心分级旋流燃烧室的设计方案。在保证与现有单环腔燃烧室(SAC)进出口尺寸、机匣尺寸限制不变的情况下,对设计模型进行了3维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果及试验结果进行了对比分析。研究结果表明:设计油气比为0.045时,设计中心分级燃烧室温升可达1356 K,出口温度分布可达0.137,出口径向温度分布可达0.096;此外,与SAC相比,中心分级燃烧室可获得更低的总压损失,更低的出口温度分布系数以及高工况下可获得更高的燃烧效率;污染排放性能表明,中心分级燃烧室在慢车点CO排放比SAC的稍高,在设计点NOx排放按g/kg燃油计比SAC的低。     

节流盘对超紧凑燃烧室性能影响的数值研究

为进一步理解节流盘对主次流轴向进气超紧凑燃烧室性能的影响,基于Cot t le超紧凑燃烧室原型结构,采用计算流体力学的方法探究了燃烧环内旋流涡流燃烧的组织原理以及节流盘对旋流涡流燃烧特性及出口温度特性的影响。结果表明:节流盘可提高燃烧环内混气的离心加速度,加快火焰传播速度;节流效应导致的低压区可增大高温燃气径向迁移速度,增强高温燃气与核心流的掺混,改善燃烧室出口温度分布特性;燃烧环内存在涡流燃烧,节流盘可扩展燃烧涡的尺寸,提高火焰稳定性。     

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.      

船用低排放塔式分级燃烧室主燃级喷嘴结构优化研究

为了满足船舶燃气轮机污染物排放的需求,设计了一种低排放塔式分级燃烧室,并对其主燃级喷嘴进行结构优化,利用数值模拟方法详细研究了不同喷嘴结构下燃烧室的流场特性及性能参数。结果表明,主燃级由直射式喷嘴更换为空气雾化喷嘴时,可有效避免旋流器壁面燃油积碳;燃烧室内油气掺混水平提高,出口温度分布品质改善,出口NO和CO排放量分别降低71.4%和60%。针对空气雾化喷嘴,燃油管道出口与喷嘴出口之间的高度与其内径之比（H/D）对燃烧室油气分布特性和中截面温度分布的影响远高于其空气出口结构形式,H/D过大或过小时,油气掺混水平恶化,污染物排放量增加。燃烧室出口径向温度分布系数随H/D的增大而减小。综合分析燃烧室油气分布、温度分布和性能参数,确定最优喷嘴的H/D=2,空气出口结构为圆柱型。