带双扰流器喷雾装置的燃烧室出口温度场试验研究

本采用装有小流量双径向扰流器混合杯式喷雾装置的二元矩形试验燃烧室，在常压及进口空气不加温条件下工作燃烧试验，研究了不同的双扰喷雾装置对燃烧室的出口温度分布质量的影响。试验经果表明：正确设计的双扰喷雾装置将明显改善燃烧室出口温度分布质量。这对我国新型航空发动机燃烧室的研制以及三大部件中短环形燃烧室的研制都有直接的现实意义。     

双扰流器喷雾装置雾化特性的试验研究

采用BK-1发动机燃烧室的离心式起动喷嘴作为中心喷嘴,油压差392kPa时,流量2 2g/s,再加上两只径向进气扰流器及导流环,构成双径向扰流器混合杯式喷雾装置。      

喷嘴试验技术

本概括了喷嘴试验中的技术难题。指出在喷雾尺寸分布试验中首要的问题是具有代表性的液雾试样的选取：归纳了激光散射测雾中的重要问题：介绍了最新的进行喷雾散布试验的方法。最后概括E^3发动机双扰流器氏管混合杯喷雾装置的冷试，指出单个喷嘴试验，喷雾装置试验与燃烧室上喷嘴试验有其对应关系，又有不同之处，强调单纯做单个喷嘴冷试是不够的，这对燃烧室研制，喷雾装置试验（具有相应空气流动）更为重要。     

F101喷雾装置设计及加工装配偏差对喷雾均匀性的影响

本文专门概括双扰流器文氏管混合杯式喷雾装置（以下简称F101式喷雾装置）的设计变化及加工装配偏差对喷雾周向均匀性的影响，在设计变量上，试验了3种喷咀（径向直射喷嘴，双喷口喷咀，F100空气雾化喷咀和7种扰流器共21种组合，在加工装配偏差方面，试验了喷咀错位，扰流器进口偏差及扰流器出口偏差的影响。结果表明，喷咀的设计及加工，装配偏差比空气流动的影响更大。     

喷嘴特性对双旋流燃烧室出口温度分布影响的实验研究

本文以双旋流全环燃烧室为试验对象，在高温高压试验条件下，通过调整全环燃油喷嘴的流量离散度和径向位置来研究其对出口温度分布的影响。试验结果表明，当喷嘴燃油流量离散度控制在±4%以内时，采用简单的大、小流量喷嘴间隔搭配的方案即可保证出口温度分布的均匀性；当燃油流量离散度放大到4%～8%时，采用本实验研究的搭配方案仍可保证出口温度分布的均匀性；当燃油流量离散度放大到10%时，通过调整喷嘴搭配方案已经无法保证出口温度分布均匀性。燃油喷嘴径向位置较火焰筒头部中心线偏离旋流杯腔道高度的11.5%以内时，不影响出口温度分布的均匀性。     

一种新颖的燃烧室出口温度场调试方法

以某小型回流燃烧室为基础验证平台, 试验研究改变燃油喷嘴插入火焰筒涡流器组件深度对燃烧室出口温度场的影响, 并对试验结果进行了比较和分析.结果表明:对同一燃烧室, 燃油喷嘴与火焰筒涡流器组件之间有一个最佳的轴向位置, 此时的燃烧室的出口温度分布系数最小;在相同的燃烧室工作状态, 采用不同喷雾锥角的燃油喷嘴, 这个最佳位置不同.该研究为燃烧室出口温度场的调试及燃烧室的研制提供了一条有效的技术途径.      

流量放大喷嘴放大比例对航空发动机燃烧性能的影响

对比研究了某型发动机主燃烧室点火电嘴附近的流量放大喷嘴的放大比例对慢车熄火特性和出口温度场分布的影响。原型流量放大喷嘴相对于标准型的放大比例为96.83%,安装节流嘴后相对于标准型的放大比例分别为22.46%、45.45%、79.27%。试验结果表明:安装节流嘴喷嘴的燃烧室,其慢车熄火边界小于原型喷嘴的,并随流量放大喷嘴的放大比例的增大而变宽;其出口温度场均匀性比原型喷嘴的略好,出口温度分布系数随流量放大喷嘴放大比例的减小而减小。     

超声波/离心组合喷嘴性能研究

采用试验研究方法初步探索了一种超声波/离心组合喷嘴应用于航空发动机燃烧室的可行性.对该组合喷嘴开展冷态试验,得到了其流量特性和雾化特性(包括油雾索太尔平均直径(SMD)和雾化锥角),设计加工了横截面尺寸为117mm×60mm的单头部矩形燃烧室模型,并在不同进口条件下开展了相关的燃烧性能试验.结果表明:在冷态情况下,喷嘴流量特性符合传统离心喷嘴的流量特性,流量与供油压差呈二次函数关系;喷嘴雾化细度较好,无气状态下,油雾SMD在38~45μm之间变化,在满足产生超声波要求的气压条件范围内油雾SMD在8~12μm之间变化;喷雾锥角主要受供气条件影响,供油压力对喷雾锥角基本无影响;装有该喷嘴的模型燃烧室在所有试验工况下均可以稳定燃烧,燃烧效率最高达到99%.      

雾化特性对喷雾燃烧点火过程的影响

为了研究雾化特性对喷雾燃烧点火过程的影响,用马尔文激光粒度分析仪等雾化测量系统,对离心喷嘴流量、喷雾锥角、周向不均匀度、液滴索太尔平均直径(SMD)、液滴尺寸分布指数(N)等雾化特性进行了测量;采用高速摄影机和热电偶测温系统,记录了燃烧室内点火过程和燃烧室出口温度变化历程,揭示了初始火焰形成及火焰传播过程,探讨了喷嘴雾化特性对燃烧室初始火焰形成、火焰发展、出口温升开始时间、最大温升时间以及温升率等点火过程和点火性能的影响规律。研究结果表明:随着供油压力的提高,离心喷嘴的燃油流量呈现二次曲线增加,SMD逐渐减小,N值呈现先下降后上升的趋势。在点火油气比为0.0078~0.0125时,随着供油压力的提高,初始火焰变长,火焰的发展先沿着靠近燃烧室上壁面部分向下游发展,再向燃烧室中下部分发展,火焰亮度增强,燃烧室出口温升开始时间缩短,最高温升时间增大,温升率提高,最大温度值上升。在相同的点火油气比下,距离燃烧室上壁面1/4燃烧室高度处热电偶(TC-1)温升值和温升率最高,温升开始时间最低;距离燃烧室上壁面3/4燃烧室高度处热电偶(TC-3)温升值和温升率最低,温升开始时间最高。     

航空发动机环管燃烧室喷雾燃烧性能研究

为研究某型航空发动机环管燃烧室喷雾燃烧性能,建立了该燃烧室计算模型,并利用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)试验测得了不同供油压力下的喷嘴雾化粒度和喷雾锥角。根据试验结果,利用Fluent软件,对装有该喷嘴的环管燃烧室进行了数值模拟。结果表明:燃烧室内油气掺混均匀,雾化质量高,头部形成了良好的回流区;燃烧集中在主燃孔附近,火焰筒壁受热均匀,火焰较短;出口燃气温度分布合理、呈抛物线形,没有出现局部高温,满足涡轮进气要求,有利涡轮寿命。     

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。     

三旋流器燃烧室出口温度分布的初步试验研究

针对高温升燃烧室对出口温度分布系数降低的需求, 采用三头部矩形燃烧室, 对三种不同的三旋流器头部组合方案进行了出口温度分布的试验, 重点研究了三旋流器旋向和头部当量比对燃烧室出口温度分布的影响.出口温度的测试方法采用了燃气分析法.试验结果表明外旋流器与中间旋流器旋向相反时, 出口温度分布均匀;头部当量比小, 出口温度分布均匀.头部当量比应与旋流器旋向共同考虑, 才能优化燃烧室出口温度分布系数.      

三旋流器加装外套环对燃烧性能的影响

对带有两种不同头部结构（基准型为方案1,头部加装外套环为方案2）的三旋流单头部燃烧室进行了研究,对有两种头部结构的燃烧室进行了流场和燃烧场的数值模拟,在相同的进口试验条件下,用燃气分析法和15点测温耙分别测量了两种头部的燃烧效率、出口冒烟数和出口温度场.结果表明:三旋流器的燃烧效率超过了99.7%,加装外套环后其流场、温度场分布均较基准型有所改善,回流区更加饱满,油气混合和燃油雾化效果增强,出口温度分布系数（OTDF）和出口冒烟数分别降低了36%和25%.      

空气旋流器对短环形回流燃烧室性能的影响

目前在小发动机领域中,采用环形回流燃烧室作为核心部件几乎已成为普遍的发展趋势,这不仅是因为采用环形回流燃烧室能使其容热强度成倍增加,而且燃烧室的寿命也随着气膜冷却技术的发展和设计、工艺水平的提高而大大延长。此外,还有一个重要的原因是它可以使发动机轴缩短近40%,使发动机总体布局更加合理。怎样在短小的燃烧室内更好地组织燃烧便成了短环形回流燃烧室设计的关键。传统的环形回流燃烧室大部分采用封闭式头部,火焰筒内部气流结构对于目前的火焰筒长度是匹配的。但是新型的高性能小发动机为了缩短低压轴的跨度要求,回流燃烧室的长度更短,对于这样的短环回流燃烧室怎样充分利用燃烧空间,本文作了探讨。试验用的短环形回流燃烧室采用封闭式及带45°扭角和60°扭角的旋流器头部的三种结构方案,对各个试验件性能作了较详细的分析、比较,取得了有用的结果。      

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.      

三旋流燃烧室的数值模拟与试验

为研究三旋流高温升燃烧组织技术，借助CFD技术对三旋流单头部燃烧室进行了数值模拟，采用结构化网格生成技术、realizable k ε湍流模型、PDF（概率密度）燃烧模型等对其进行模拟计算，获得了燃烧室内流场和燃烧场分布及各方面的燃烧性能参数，同时试验研究了三旋流单头部燃烧室的火焰筒壁温、出口温度分布、燃烧效率、排气冒烟数。结果表明:三旋流燃烧室的温升高达1130K，燃烧效率超过99％，火焰筒壁温分布较好，冒烟数不高于20；所采用的数学模型合理、计算方法可行，与试验数据基本吻合，其结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。      

双旋流模型燃烧室的燃烧特性

同轴双旋流进气能建立起有利于燃烧的流场,文献[1]的结果表明,同轴的内外两股旋流反向旋转时,边界层内的紊流强度和雷诺应力很高,对强化混合和燃烧有利。据文献[2]报导,用这种双旋流改装了JT-8D火焰筒,取消了火焰筒上的主燃孔与掺混孔,试验实测的慢车状态燃烧效率高达99%。表明这种燃烧室方案在燃气轮机和工业燃烧装置中有着广阔的应用前景。本文重点研究两个径向式叶片旋流器在同轴反向旋转条件下的燃烧特性,包括燃烧效率、熄火边界和出口温度场等。      

喷嘴和旋流器数目对短环形燃烧室燃烧性能的影响

通过改变燃烧室头部喷嘴、旋流器的数目和位置,对短环形流燃烧室内有较强回流的湍流旋流流动进行了模拟。结果表明:在燃油和空气总流量不变的情况下,改变喷嘴数目对燃烧室出口平均温度、平均速度影响不大,但是,对出口温度分布、燃烧室内空气流场有较大影响。     

矩形燃烧室试件中双旋流空气雾化喷嘴燃油分布实验研究

对装有 3个双旋流气动雾化喷嘴的矩形燃烧室试件 ,在头部流场测出的情况下 ,用燃气分析技术对燃油分布进行实验研究。实验结果表明 ,在回流区以及两个喷嘴之间的区域局部油气比很高但燃油质量流量低 ;而在主流区内的局部油气比接近恰当比但燃油质量流量高。这个结果对进一步研制该型发动机的主燃室有参考意义