主燃孔位置对于燃烧室气动力学及点火熄火性能的影响研究(英文稿)

在燃气轮机燃烧室内，通常采用头部旋流装置来稳定火焰，旋流与主燃孔横向射流的交互影响使得燃烧室内主燃区的气动特征非常复杂。本文的研究目的在于分析主燃孔位置变化对于燃烧室流场及点火熄火性能的影响规律。本文研究同一燃烧室中，三个不同主燃孔位置带来的影响。使用商用软件Fluent 13.0进行了本研究冷态流场的数值模拟，得到了旋流杯下游流场的信息。在本研究尺度内，随着主燃孔向燃烧室下游移动，回流流量增加。试验研究了三种方案的点火熄火性能。分别进行了常温常压点火熄火性能试验，常温低压点火性能试验和加温常压熄火性能试验。试验结果表明，随着主燃孔位置向下游移动，燃烧室的贫油点火、熄火边界都变宽，点火熄火性能得到改善。对于常温常压且压降在3%这一典型燃烧室工况而言，[Lp/Hd]=0.9的方案比[Lp/Hd]=0.5的方案贫油点火性能提高了35%。本研究表明主燃孔位置对燃烧室内气动热力及点火熄火性能影响显著。     

不同台阶高度对中心分级燃烧室点火熄火性能的影响

设计了一种贫油燃烧中心分级燃烧室,采用单头部矩形试验件,试验研究了3种不同台阶高度对点火熄火性能的影响.试验中只有预燃级喷嘴供油工作,在常温常压、常温低压条件下进行了贫油点火试验,在常温常压、加温常压下进行了贫油熄火试验.结果表明:台阶高度越大,贫油点火边界越宽,同时贫油熄火边界越宽;进口温度的升高有助于改善贫油熄火性能,并缩小3种方案贫油熄火油气比的差距,在320~570K的进口温度范围内,贫油熄火油气比的最大差距由40%减小到13%;3种方案都具有较好的常温负压点火性能,且在0.5%~1.5%的火焰筒进出口总压降下,贫油点火油气比差异不大,最大相差不超过10%.     

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．     

双环预混旋流燃烧室点熄火性能试验研究

为了通过试验方法获得贫油点熄火边界,以双环预混旋流低污染燃烧室为研究对象,分析主燃级径向旋流器的叶片角 度、旋转方向及多斜孔壁火焰筒的冷却孔偏转角等参数对燃烧室点熄火性能的影响。结果表明：主燃级旋流器叶片角度对燃烧室的 点火性能影响不大;火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于旋向相反时的点火性能;预燃级旋 流器与主燃级旋流器旋向相反时,火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于无偏转角时的点火性 能,旋向相同时,则无明显影响;火焰筒冷却孔无偏转角时,预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反的贫油熄火性能优于旋向相同 时的贫油熄火性能。     

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.      

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%。     

局部富油供油扩展燃烧室贫油点火熄火边界研究

介绍了燃烧室主燃区设计中熄火特性与综合性能间的折衷考虑,设计了火焰筒头部均匀供油和局部富油供油方案,并在全环试验燃烧室上进行了两种方案对燃烧室贫油点火熄火边界影响的对比试验,分析和总结了火焰筒头部局部富油设计方案的点火熄火规律。结果表明:局部富油设计可显著扩展燃烧室贫油点火熄火边界。      

三旋流燃烧室点火阶段燃烧性能

为研究三旋流燃烧室的点火熄火性能,对单头部燃烧室进行了地面和高空的点、熄火试验研究,测取了负温条件下的高空点火性能,借助高速摄像法录取了地面点火过程,采用燃气分析法对地面点火燃烧效率进行了测量,获得了单头部燃烧室的点、熄火性能和点火燃烧性能参数,以及火焰传播过程。结果表明:三旋流燃烧组织方式可在宽广的主燃区气流速度范围内,具有良好的点熄火性能,地面点火边界的燃烧充分性较高,燃烧效率约为80%,负温条件增加了点火难度,与常温点火边界相比,进气压力70 kPa时的负温点火的边界变窄了188%~375%,高空贫油熄火边界与点火边界接近,所获结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。     

中心分级燃烧室耦合回流区贫油熄火机理

针对中心分级模型燃烧室开展了常压贫油熄火试验和慢车状态贫油熄火试验,并结合贫油熄火时的主/预燃级耦合回流区流场数值模拟分析了该燃烧室的贫油熄火机理.结果表明:与常规燃烧室的贫油熄火机理不同,中心分级燃烧室的贫油熄火油气比是由预燃级和主燃级共同形成的耦合回流区所决定的.耦合回流区的回流量主要由主燃级回流主导,在该研究的中心分级燃烧室结构下,回流区从主燃级卷吸的气量是预燃级本身气量的4.3倍,导致按预燃级气量计算的熄火当量比达到2~2.5,远高于常规燃烧室头部的熄火当量比0.4~0.5.      

中心分级低污染燃烧室贫油熄火模型

为了准确掌握中心分级燃烧室火焰稳定边界的影响因素,建立中心分级燃烧室贫油熄火边界预测模型,对中心分级燃烧室的熄火过程进行了试验与理论研究。研究获取了燃烧室结构、雾化和工况参数对燃烧室贫油熄火边界的影响规律,建立并验证了中心分级燃烧室熄火半经验预测模型。结果表明：相比反向涡流器,同向涡流器下游具有更大的回流区、更低的回流速度和更长的停留时间,从而减弱了主燃级与值班级之间的湍流交换,导致同向旋流火焰的贫油熄火性能明显优于反向旋流火焰的熄火性能。中心分级燃烧室熄火边界预测模型对单头部和全环燃烧室熄火性能预测的最大误差为20%,满足燃烧室工程设计需要。     

基于CFD分析改进三旋流燃烧室头部设计

利用FLUENT,对一多级旋流燃烧室的冷态单相流场进行了数值模拟,基于该流场结果,对该燃烧室头部控制油雾混合的三级涡流器唇口处进行了改进设计。并对两种方案的燃烧室在相同试验条件下进行了贫油熄火油气比、大功率工作时的冒烟指数进行了实验研究。对方案1燃烧室单相冷态流场的结果表明,该燃烧室内部流场和预想的流动组织有较大差别,三级旋流器出口的气流,迅速向径向流去,主燃区的回流区结构不明显,且二级旋流出口和三级旋流出口之间有小回流区。该流场结构解释了方案1燃烧室有很好的贫油熄火性能,但是冒烟指数较高。方案2燃烧室的流场结构,改变了三级旋流出口气流方向,消除了与二级旋流器之间的小回流区。方案2燃烧室在与方案1燃烧室相同试验条件下的实验结果表明,贫油熄火油气比性能下降了7.3%,但发动机大功率时冒烟排放指数改善了29.4%。基于数值分析的燃烧室设计,使燃烧室扩大稳定工作范围的研究取得了进展。     

分级燃烧室预燃级旋流组织对点熄火性能影响的试验研究

为了有效拓宽多级旋流分级燃烧室的稳定工作边界,在模型燃烧室上开展了分级燃烧室点火和熄火特性试验研究,采用平面激光测量技术获得了燃烧室冷态流场结构和燃油浓度分布,分析了双级旋流预膜式空气雾化预燃级设计参数(两级旋流旋向、旋流强度)对流场结构、燃油浓度分布和燃烧稳定性的影响,并阐明了燃烧室点火和熄火特性与流场结构和燃油浓度分布的内在关联机制。结果表明,预燃级两级旋流反旋、适当减小内级旋流强度和增大外级旋流强度有利于改善这类分级燃烧室的点火和熄火特性。相关研究结论能够应用于分级燃烧室预膜式空气雾化预燃级设计。     

航空发动机高温升燃烧室贫油熄火及冒烟性能研究

高温升燃烧室头部燃烧组织方案设计,以改善高温升燃烧室的贫油熄火边界及冒烟性能。该方案的特点是采用了三旋流器以及双油路复合式喷嘴,设计的主燃区油气分布相当均匀,而回流区内的油气分布是局部富油的。以常规双旋流器+双油路压力雾化喷嘴(旋流杯)燃烧室作为一个基准方案,在相同的进口实验条件下与本研究方案进行了贫油熄火和出口冒烟性能的比较。实验表明,本研究方案与常规的双旋流杯设计方案相比燃烧稳定性好及出口冒烟改善。      

中心分级燃烧室贫油熄火试验研究与数值模拟

为研究三级旋流器下中心分级燃烧室贫油熄火性能,常压下针对在不同进气速度以及旋流器几何参数下中心分级燃烧室贫油熄火特性进行了试验研究与数值模拟,获得了在一定条件下的贫油熄火规律。试验结果表明:随着进气速度增大到35m/s时,贫油熄火油气比减小至0.0070,说明进气速度对贫油熄火起重要作用;值班级旋向相反时贫油熄火油气比(A方案为0.0066,B方案为0.0071)均小于同向时(C方案为0.0078,D方案为0.0074),且A方案最小,说明值班级旋向对贫油熄火性能有明显的影响,值班级反向时熄火特性最好,且主燃级旋向对其作用不大,最佳旋向组合为A方案,即值班级1,2级叶片旋向反向,值班级2级叶片与主燃级叶片旋向相同;值班级1,2级叶片角度增大贫油熄火油气比分别下降了将近4%和9%,其熄火特性变好。数值模拟计算结果与试验结果熄火规律变化一致。     

中心分级燃烧室贫油熄火试验研究与数值模拟

为研究三级旋流器下中心分级燃烧室贫油熄火性能，常压下针对在不同进气速度以及旋流器几何参数下中心分级燃烧室贫油熄火特性进行了试验研究与数值模拟，获得了在一定条件下的贫油熄火规律。试验结果表明：随着进气速度增大到35m/s时,贫油熄火油气比减小至0.0070,说明进气速度对贫油熄火起重要作用;值班级旋向相反时贫油熄火油气比(A方案为0.0066，B方案为0.0071)均小于同向时(C方案为0.0078，D方案为0.0074)，且A方案最小，说明值班级旋向对贫油熄火性能有明显的影响，值班级反向时熄火特性最好，且主燃级旋向对其作用不大，最佳旋向组合为A方案，即值班级1，2级叶片旋向反向，值班级2级叶片与主燃级叶片旋向相同；值班级1，2级叶片角度增大贫油熄火油气比分别下降了将近4%和9%，其熄火特性变好。数值模拟计算结果与试验结果熄火规律变化一致。     

主燃级旋流数影响三级旋流燃烧室流动与燃烧特性试验

为了研究主燃级旋流数对三级旋流燃烧室内的流动、燃烧特性,设计了两种不同主燃级旋流数的旋流器,通过粒子图像测速仪(PIV)与火焰自发辐射手段得到了燃烧室的流场和火焰结构。研究结果表明:主燃级旋流数的改变对出口流动以及点熄火极限油气比影响较大,主燃级旋流数增加使回流涡心位置向中心和上游靠近,中心回流区高度增加,出口涡量强度降低,下游中心回流区内侧的回流速度,湍流强度增加,火焰结构对称,成功点火时间减少,主燃级旋流数为0.8的点火极限油气比较主燃级旋流数为0.7在进口流量为200、250、300、350 m3/h各工况对应增加了48%、41%、26%、24%,熄火极限油气比各工况均增加30%以上。燃烧时,火焰呈一定的“V”型张角向外燃烧。点火时,火焰沿着中心回流区边界向内侧发展。      

旋向组合对小尺度三级旋流燃烧室性能的影响

为了研究小尺度三级旋流燃烧室的燃烧性能,对头部为同旋向组合和反旋向组合的四种三级旋流器的燃烧室在不同进口速度和油气比参数下的燃烧性能开展了常压试验研究。研究结果表明:从燃烧室的主要燃烧性能来看,内旋流器旋向与燃油喷嘴旋向相反时的点火性能最佳,点火油气比为0.009;三级旋流器同旋向时贫油熄火性能最好,贫油熄火油气比约为0.0033;中间旋流器反旋向时燃烧效率最高,旋向组合对出口温度分布系数的影响相对较小。     

旋流杯空气雾化喷嘴套筒出口形状对小型燃烧室点火性能的影响

对平滑和扩张套筒出口形状的旋流杯空气雾化喷嘴燃烧室点火性能进行了研究.这两种旋流杯空气雾化喷嘴中,涡流器是两个旋向相反的径向叶片涡流器,喷嘴为单油路离心喷嘴.采用单头部扇形燃烧室,在燃烧室进口为常温常压空气,燃烧室压力降为0.1%~4.0%的条件下,研究了这两种设计的空气雾化喷嘴燃烧室的点火性能.研究发现,扩张套筒出口形状旋流杯燃烧室点火性能大大优于平滑出口套筒形状的点火性能,其原因是套筒出口形状影响了下游的流场和液雾散布,从而导致了点火性能的差异.      

中心分级燃烧室点火性能试验研究

对中心分级燃烧室常温常压和常温低压下的点火性能进行了试验研究。在进口压力分别为0.1,0.035,0.03MPa,进口温度为常温的条件下,试验研究了不同空气压降(0.5%～6%)下的贫油点火油气比,获得了其点火边界曲线。试验结果表明:随着压力降增加,在各种燃烧室进口压力下的贫油点火油气比具有一个最低值;随着进口压力减小,这个最低值所对应的压降不断降低,同时贫油点火油气比升高。通过分析进口空气条件、燃烧室参考速度和燃油SMD对点火性能的影响,得到了其点火模型。     

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.