三级旋流器旋流角匹配影响双环预混旋流燃烧室燃烧性能试验

为研究地面用燃气轮机以0号柴油为燃料时的燃烧特性,对装有值班级直射式喷嘴和5种旋流器组合方案的双环预混旋流(Twins Annular Premixing Swirler,TAPS)燃烧室的特性进行了实验测试,获得了5种旋流器组合方式下燃烧室的流阻性能和燃烧性能。研究结果表明:双环预混旋流燃烧室的总压恢复系数都在0.97以上,高于经典的单环腔燃烧室;值班级采用直射式喷嘴会导致燃烧室的点火和CO排放性能下降,点火油气比在0.04以上,CO排放高于36g/kg;随值班级旋流角增大,可改善点火性能,最低点火油气比可达到0.04左右,加宽贫油熄火边界,慢车贫油熄火边界可低至0.0058;燃烧室入口温度升高可以使燃烧室点火油气比下降30%,贫油熄火油气比下降35%;5种旋流器组合方式下,NO_x和UHC的排放最低达到了1.1g/kg和3.85g/kg,满足低排放燃烧室的要求,冒烟指数达到了无烟燃烧室的标准,CO排放最高达到了51.84g/kg远高于要求值,燃烧效率最高为0.987,低于先进燃气轮机对燃烧效率的要求。     

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%。     

三旋流燃烧室燃烧特性试验

针对舰船用燃气轮机低污染排放要求,试验研究了一种三旋流贫预混燃烧室燃烧性能。结果表明:三旋流燃烧室内、中旋流角决定了点火成功与否,而外旋流角仅对点火、熄火极限有影响。采用内、中、外旋流角依次增加10°,旋流数依次增加33.3%、25.0%的组合方式有较好的点火、熄火性能;贫油点火油气比最低为0.05236,高于非预混燃烧室的一般标准,熄火油气比最低为0.00478,低于一般要求;燃烧室出口温度分布系数为0.2279,完全满足设计要求; NOx排放指数为2.62g/kg,低污染优势明显。CO排放指数较高,为35.4g/kg,导致燃烧效率略低,仅为0.9847。      

中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.0038增大到0.0067;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.0061减小到0.0051.      

基于分层和分级燃烧机理的低污染燃烧室设计和排放性能预估

保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸不变,将燃烧室分别设计为单环腔燃烧室(SAC)、双环腔燃烧室(DAC)、双环预混旋流(TAPS)燃烧室、中心分级燃烧室(CSC)和三旋流燃烧室(TSC)5种燃烧室结构,保持湍流、喷雾、燃烧、辐射及排放数理模型不变,对5种燃烧室进行三维数值模拟.对比研究了5种燃烧室的污染排放性能.结果表明:采用分级燃烧的DAC慢车状态下CO排放量最低,采用DAC在慢车状态下的CO排放量比SAC降低了近62%.采用分层燃烧的TAPS燃烧室的NOx排放量最低,采用TAPS的NOx排放量比SAC降低了近43.5%.      

微型燃气轮机乙醇燃烧室点火与熄火试验

对应用于微型燃气轮机上的可再生生物质燃料乙醇燃烧室开展了试验研究,包括4种不同的供油方式,获得了常温常压进口条件下乙醇燃烧室的点火与熄火特性.研究结果表明:常温常压下采用旋流器的乙醇燃烧室的贫油点火和贫油熄火当量比的值均随空气流量的增加而减小,其点火与熄火性能优于预蒸发预混管燃烧室.      

煤基喷气燃料在地面单管燃烧室内燃烧和排放特性研究

为研究煤基喷气燃料的燃烧和排放特性,通过改造的单管燃烧室评估了煤基喷气燃料和石油基RP-3喷气燃料的燃烧和排放特性差异.试验结果表明:煤基喷气燃料具有更加优异的贫油点火和贫油熄火性能,两种喷气燃料的燃烧和排放特性随燃油流量和燃烧室出口温度的改变呈现出一致的变化趋势,在相同质量流量下,煤基喷气燃料的燃烧和排放性能要低于RP-3,在相同燃烧室出口温度时,煤基喷气燃料燃烧时的壁温要低于RP-3.      

旋流预混预蒸发装置蒸发和排放特性

采用数值模拟和试验两种方法获得了两种结构的贫油预混预蒸发装置(Lean premixing and prevaporizing system,简称LPP)出口的油气混合均匀性,并采用单管燃烧室验证了LPP装置的燃烧特性.径向旋流预混装置出口的油气混合比轴向旋流预混装置更均匀;旋流器的叶片数和旋流角、预混管长度、气流速度、喷油方式等对油气混合均匀性均有比较显著的影响;在当量比高至0.5左右时,LPP燃烧室NOX和CO排放比传统燃烧室低得多;只要LPP装置出口存在回流,燃烧时就会出现回火现象.      

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:①油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;②同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;③值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.      

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

火焰筒压力损失对贫油熄火特性和燃烧效率的影响

以3.0%火焰筒压力损失火焰筒作为基准,分别设计了2.5%和2.0%火焰筒压力损失的火焰筒,通过试验研究火焰筒压力损失对贫油熄火性能及燃烧效率的影响.在模拟慢车状态下,低压力损失方案均比基准方案的贫油熄火油气比低,2.5%方案的贫油熄火油气比最低;在模拟高温高压状态,3种方案火焰筒燃烧效率对火焰筒压力损失不敏感.综合比较地面起动点火试验结果,在该基准上将火焰筒压力损失降低至2.5%不会对燃烧室综合燃烧性能造成不利影响.      

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。     

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

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.      

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.      

燃油分级比例对TAPS燃烧室性能的影响

综合考虑燃烧室对低污染和出口温度分布的需求,对中心分级的TAPS燃烧室流量分配进行了设计和燃烧数值模拟,该流量分配方案采用了不同燃油分级比例。计算结果表明:燃油分级比例对TAPS燃烧室宏观流场结构改变不大,改变3级旋流的流量可影响燃烧室局部当量比,同时能够减小高温区,改善出口温度分布品质,从而大幅降低NOX和CO排放。     

贫油直喷三喷嘴模型燃烧室燃烧性能

构建了反向双旋文氏管预混(CDV)三喷嘴矩形模型燃烧室,研究了其燃烧特征及性能.结果表明:火焰近乎全蓝色,类似气体的贫预混燃烧,且在此工况下,CO和NOx换算成15%含氧量(体积分数)下排放的体积分数分别低于10×10-6和50×10-6.此外,研究了进气温度变化对CDV三喷嘴污染物排放的影响,发现CO排放相对NOx更易受到进气温度变化的影响,并分析揭示了产生该现象的原因.另外雾化器的性能极易影响贫油直喷火焰特征;需要改进雾化器的加工工艺以确保在预热工况下它能够保持持续稳定的良好雾化性能.     

民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平

为了从科学和技术的角度展望民用航空发动机低排放燃烧室技术的发展方向,基于污染物生成机理及控制原理阐述了富油和贫油燃烧的污染排放控制方法,回顾了富油-焠熄-贫油燃烧（RQL）、贫油预混预蒸发燃烧（LPP）和贫油直接喷射燃烧（LDI）3种低污染燃烧技术的发展现状,并分析了新一代民用航空低排放燃烧室技术目前所达到的低污染排放水平。采用贫油燃烧技术的双环预混旋流器燃烧室（TAPS）已经应用于型号并取证,其NO_x排放比CAEP/6（Committee on Aviation Environmental Protection/6）标准低50.0%~65.8%,达到了超低排放水平,证明了贫油燃烧的发展潜力。要实现NO_x排放比CAEP/6低75.0%以上的超超低排放目标,需要利用燃烧数值模拟和光学诊断等先进工具,对燃烧室内喷雾、混合、流动、燃烧及它们之间的非定常相互作用开展更深入的研究。     

主燃级喷点数目对回流燃烧室的影响研究

为了研究主燃级周向燃油喷点数目对回流燃烧室NOx排放的影响,采用数值模拟方法对一种带有主燃级多点燃油直接喷射,贫油预混预蒸发头部的回流燃烧室流场进行研究,分析了回流燃烧室的冷态及热态流场特征和主燃级周向燃油喷点数目对NOx排放特性的影响。结果表明：（1）主燃级喷点数目对速度场的影响主要集中在主燃级出口下游,对预燃级出口速度场影响较小;（2）随周向喷点数目增加,油气掺混效果改善,高温区收缩,NOx排放量降低;（3）NOx质量分数分布受速度场和温度场耦合影响,主要集中于预燃级下游的高温低速回流区内。