Combustor design and performance prediction based on parametric model

By combining the three-dimensional model software and grid generation software, the combustor parametric model and high quality and high speed gridding in the full flow field has been realized. Based on the research of the parametric modeling, an optimizing design, CFD analysis and performance prediction of the combustor have been accomplished, and the rule of the combustor performance variation with structural parameters was presented. The results show that the combustor capability has no significant change with the radial swirler parameters and the primary holes area. The combustor capability has significant change with position and profile of the primary holes and dilution holes, and the combustor outlet temperature profile and emission change greatly when the total hole area of the burnerinnerliner changes. The parametric model method is helpful to provide a fast design method for the aero-engine combustor design.      

RQL模型燃烧室数值研究

以截面积为矩形截面的RQL模型燃烧室为研究对象,采用数值模拟方法分别研究了旋流器各参数（如出口角θ、轮毂与流路外径比z和旋流器间距）和淬熄段射流孔参数（如孔数和射流孔截面积）对模型燃烧室流场、温度场以及NOx排放值的影响。在数值模拟中采用的模型包括Realizable κ-ε湍流模型、非预混燃烧模型、热力型NOx和瞬发型NOX等。通过对模拟结果进行比较分析得出结论：当模型燃烧室采用间距为69mm、θ=30°、z=0．68的旋流器和总面积为635．85mm。的12个淬熄射流孔的结构时,可以在满足燃烧室基本性能的前提下实现低污染排放。     

驻涡燃烧室掺混孔对流量分配及燃烧性能的影响

数值模拟了三种不同掺混孔面积对二元模型驻涡燃烧室试验器流量分配的影响,并在进口马赫数约为0.3、进口温度约为540 K工况条件下,分别对其进行了试验研究,对比分析了它们的总压损失、贫熄边界和燃烧效率.研究表明:掺混孔面积对流量分配影响较大,在本试验条件下,掺混孔面积较大的驻涡燃烧室试验器的燃烧性能优于其余两种.      

蒸发室模型试验研究

本文介绍一种为环形燃烧室提供油蒸汽的蒸发室。研究表明,均匀开孔的蒸发室的最初几排孔的喷汽量较少,使得位于这些孔后的燃气温度较低。后几排孔的蒸发率接近 1 0 0 %,喷汽量与开孔面积成正比。增大最初几排孔的面积,可以得到均匀的喷汽量。      

燃烧室流量分配计算方法适用性研究

为考察有效面积法、流阻法在燃烧室流量分配设计中的适用性,分别采用2种方法完成了某环形燃烧室流量分配计算,并采用数值模拟的方法进行了对比分析,以试验手段验证了其可靠性。结果表明:有效面积法及流阻法理论计算简化条件基本可以得到满足,计算精度相当。采用有效面积法得到主燃孔进气量为32.54%,低于实际值3.12%,得到掺混孔进气量为20.43%,高于实际值0.3%;采用流阻法得到主燃孔进气量为35.11%,低于实际值0.55%,得到掺混孔进气量为17.32%,低于实际值2.81%。2种方法大孔总进气量均低于实际值约3%。数值模拟结果与试验结果吻合较好,可用于燃烧室流量分配的精确计算。     

燃烧室进口流场对某回流燃烧室性能影响的数值计算

为了获得燃烧室进口流场对某回流燃烧室性能的影响规律,通过在轴向扩压器上安装带偏转角度的导向叶片,获得不均匀的燃烧室进口流场。在试验验证的基础上,对均匀进气、导向叶片偏转角度25°及导向叶片偏转角度35°共计三种方案的燃烧室性能进行了数值模拟研究。结果表明:带偏转角度的导向叶片使燃烧室进口流场变得不均匀,燃烧室进口截面的气流具有一定的偏转角度和切向分速度;带偏转角度的导向叶片使主燃孔和掺混孔的进气存在一定的偏转角度,随着导向叶片偏转角度的加大,主燃孔和掺混孔的轴向速度小幅增加,主燃孔和掺混孔的切向速度逐渐加大且增幅较大;随着导向叶片偏转角度的加大,燃烧室总压恢复系数逐渐降低;带偏转角度的导向叶片对燃烧室的燃烧效率影响不大;随着导向叶片偏转角度的加大,燃烧室出口温度分布系数（OTDF）逐渐降低且降低幅度较大;在同一径向高度,随着导向叶片偏转角度的加大,燃烧室出口周向温度分布不均匀度逐渐降低。      

主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响

对回流燃烧室设计了两种主燃孔结构(交错射流和对齐射流),在不同压力条件下对不同主燃孔方案的回流燃烧室的点火性能进行了试验研究.试验结果表明:随着回流燃烧室进口空气压力的降低,点火边界的油气比先减小后升高,而对齐主燃孔的火焰筒方案的低压点火性能优于交错主燃孔.结合火焰筒冷态流场数值模拟和试验中观察到的点火现象进行对比分析,对齐主燃孔方案存在更大范围的回流区,其火焰筒头部参考速度较低.此方案有利于减弱火焰核心的淬熄概率,同时增强头部火焰燃烧的稳定性,从而改善了回流燃烧室的点火性能.      

双旋流器单头部模型燃烧室冷态流场试验

利用PIV(Particle image velocimetry)技术对双轴向反旋旋流器、单头部、矩形模型燃烧室内的冷态流场进行了试验研究.分析了燃烧室的纵向截面、横向截面上的流场结构以及旋流器参数对回流区尺寸的影响.研究结果表明:双旋流燃烧室的流场为不规则的结构,中心轴上下两个涡不对称,各主燃孔气流穿透深度也不相同,流场中存在流向涡;减小一级旋流器流通面积、旋流数,或增大二级旋流器的旋流数,可增大回流区的尺寸,而增大二级旋流器流通面积,回流区的尺寸会减小.      

燃气轮机燃烧室进气孔流量系数的数值模拟

采用数值模拟方法研究了简单平圆孔、某型燃气轮机的气膜冷却孔的流量系数与几何参数和流动参数的关系,并得到了简单的流量系数的计算公式;将得到的简单平圆孔的计算公式与实验资料和理论分析结果进行了比较,吻合的很好。还研究了当用缝隙代替冷却孔来简化燃烧室几何时如何确定缝隙的面积。计算结果表明用数值模拟来确定燃烧室进气孔的流量系数是一种可行的并且简单、有效、准确的方法。      

地面燃气轮机单管燃烧室流量分配试验

对设计的100kW地面燃气轮机单管燃烧室空气流量分配进行了试验研究。在常压环境下采用堵孔法分别得到了旋流器、主燃孔和掺混孔的流量特性曲线,分析得到燃烧室不同结构的流量系数;试验研究了不同进口流量条件下燃烧室的流量分配,测量得到了燃烧室总压损失。研究发现:随着进口空气流量的增加,燃烧室的流量分配比例基本保持稳定,并且与燃烧室的设计空气比例基本吻合;随着燃烧室进口流量（雷诺数）的增加,旋流器、主燃孔和掺混孔的流量系数呈线性降低;随着进口流量（雷诺数）的增加,燃烧室总压损失逐渐增大;对主燃孔和掺混孔的流量特性测量中,两种测量方法得到的试验结果稍有差别,总体上看两种测量方法的试验结果较为接近。通过对比分析证明两种试验测量方法真实可靠,该研究结果可为100kW地面燃气轮机燃烧室的设计与优化提供依据。      

燃烧室流动的数值计算

提出了多连通域流场统一计算的处理方法,采用三维贴体曲线网格,非交错网格法和k-ε湍流模型。对包括扩压器,内外环通道和火焰筒的整个燃烧室流场进行了数值计算。可以计算流过主燃孔、掺混孔和气膜孔的流量。计算结果定性合理。      

掺混压力损失的实验分析

一、试验装置和基本关系式 试验装置的进排气系统均由三根并列管道组成。第Ⅰ、Ⅲ管道作为外流,第Ⅱ管道作为主流,在试验段前6m处装加温器,加温后的气体温度最高可达600℃。试验件为三股通道的矩形件,其尺寸为800×256×240mm,主流通道高为140mm,外流通道高为50mm。试验孔板将主流通道与外流通道隔开。外流通道中气流经小孔射入主流,与主流掺混,引起主流掺混压力损失(图1)。     

气量分配对轴径向旋流杯燃烧室贫熄边界的影响

针对轴径向旋流杯燃烧室,研究了头部进气面积及主燃孔布局对此类燃烧室贫熄特性的影响.实验结果表明:减小一级轴向旋流器进气面积和增加主燃孔个数对燃烧室贫熄性能有较大影响.一级进气面积减小20%可拓宽贫熄边界9.7%;增加主燃孔为4个时,燃烧室贫熄边界变宽约7.6%.此外,增加一级进气面积20%,改变二级进气面积20%及改变主燃孔个数为2个等情况对燃烧室贫熄边界影响较小.      

试验研究双旋流器头部燃烧室几何参数对燃烧性能影响

试验研究不同油气比下双级旋流器的几何参数以及主燃孔布局变化,对单头部试验燃烧室出口温度分布、燃烧效率、贫油熄火极限以及污染物排放等燃烧性能的影响规律.试验结果表明:双级旋流器的几何参数(如:叶片安装角、旋流器流通面积和喉道距文氏管出口距离等)与主燃孔布局变化对燃烧室性能都有较大的影响,但随着油气比的下降,影响程度相应地减弱.      

发散孔纵向波纹隔热屏气膜冷却特性

对燃烧室内开有发散孔的纵向波纹隔热屏进行了数值模拟.研究隔热屏的四种结构参数开孔率、波纹板高度、孔径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果的影响.研究表明:在气膜孔出流总量相同的情况下,3%开孔率比6%开孔率的隔热屏平均冷却效率较高;波纹板高度对隔热屏冷却效果影响较大,波纹板无量纲高度为1%比波纹板无量纲高度为2%和3.33%的隔热屏平均冷却效率高;孔径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果几乎没有影响.      

头部气量分配对旋流杯结构燃烧室贫熄性能的影响

针对采用双径向旋流器的某单头部矩形燃烧室,通过实验研究旋流器及主燃孔进气量变化对燃烧室贫油熄火特性的影响,发现旋流器的进气量减少会使熄火油气比减小.其中,一级旋流器进气量减小一半可拓宽熄火边界约18%左右,对熄火油气比的影响最大.而主燃孔的进气量减少一半则会使熄火油气比增大约13.1%.不过,主燃孔以及两级旋流器的进气量同时减少一半,可能使燃烧室的熄火油气比进一步降低,从而获得更大的稳定工作范围.      

主燃孔位置对基于RQL高温升燃烧室流动与燃烧特性影响的数值模拟

为将富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）用于高温升燃烧室设计，以实现温升与排放的良好统一，对不同主燃孔位置下 的单头部矩形燃烧室流动、淬熄区气流混合、燃烧和排放特性进行数值模拟。结果表明：燃烧室中心回流区的长度和高度随着主 燃孔轴向距离的增大而增大。随着主燃孔轴向距离的增大，主燃孔射流深度增加，射流角度逐渐向下游偏转，导致淬熄区内气流 的混合效果减弱；随着主燃孔位置的后移，富油区内的当量比显著增大，导致CO和碳烟的生成量迅速增加，淬熄区内的沿程高温 区域面积逐渐缩小，燃烧效率逐渐降低。当X/H=0.7时，燃烧室沿程NO生成量始终处在较大值；而当X/H=0.9时，燃烧室沿程NO 生成量始终处于较小值，但CO的生成量增大。     

固体燃料冲压发动机旋流冷流流场数值模拟

为了研究固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流流场特性,设计了一种轴向斜孔式旋流器,推导出旋流数计算式.使用数值模拟的方法计算了不同斜孔角与不同背压下的燃烧室旋流冷流流场,研究了旋流数、旋流流场结构以及总压损失等内容.旋流器出口旋流数的理论计算值与数值计算值相比差别较小,可以满足工程需要.可通过改变斜孔角度、背压等参数改变燃烧室入口旋流数,燃烧室内中心回流区与突扩台阶回流区的总压损失最大.      

主燃孔对模型燃烧室流场的影响

为了深入了解主燃孔参数变化对双级轴向旋流器模型环形燃烧室内气流组织与气动性能的影响,采用PIV测速仪对该燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同主燃孔参数对模型燃烧室内回流区的形成、轴向平均速度u,轴向脉动速度Urms,雷诺剪切应力u′v′分布的影响。研究结果表明:主燃孔参数变化对燃烧室内冷、热态流场有着重要的影响;燃烧室在燃烧情况下所得的中心回流区长度要比冷态短,但回流负速度、脉动速度和雷诺应力都明显大于冷态,所得的研究结果可为燃烧室优化设计提供有用的依据。     

超燃冲压发动机流量匹配机理

采用基于集总参数方程的燃烧室性能计算模型,辅以临界面积法,应用于隔离段和燃烧室的一维流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机各种模态下的隔离段和燃烧室的流量匹配计算,并分析了流量匹配工作机理.结果表明:在未分离超燃模态与分离超燃模态下,增加燃烧室供油流量,隔离段和燃烧室流量匹配是通过流道中的喉道处马赫数降低来实现的;在跨燃模态与亚燃模态下,增加燃烧室供油流量,流量匹配主要是通过提高燃烧室流道中热力喉道处的总压来实现的.