主燃级旋流数对中心分级燃烧室流场的影响

为了研究中心分级燃烧室的流场特性及主燃级旋流器旋流数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对2种不同主燃级旋流数的头部结构下的出口流场开展了对比研究,并进行了试验验证。结果表明:主燃级部分旋流气体与预燃级掺混,参与影响中心回流区的形成;主燃级旋流数的变化对头部流场分布有显著影响。主燃级旋流数减少,使主燃级径向尺寸增加,径向分区明显;使预燃级回流区位置后移,涡心向火焰筒中心靠拢。     

三级旋流燃烧室流动和点火过程中火焰传播特性

为了研究三级旋流燃烧室的流动以及预燃级煤油非预混燃烧特性,设计了三级旋流燃烧室结构方案与光学非接触测量方案,研究了总压损失与当量比对三级旋流燃烧室流动特性及火焰结构的作用和油气参数对点火过程中火焰特征结构与特征时间的影响规律。研究结果表明：在高速气流碰壁区存在内、外剪切层,剪切层的无量纲高度随总压损失变化较小,剪切强度随总压损失增大而增大;火焰结构随着当量比变化存在“V”型火焰、过渡火焰以及包络火焰三种形态,过渡当量比约在0.6左右;热态回流区扩张段扩张角度随总压损失的增大而增大,随着当量比先减小后增大;点火过程中存在大尺度火焰的熄灭与复燃,复燃火焰从回流涡附近以三维螺旋方式回传;点火过程中,随总压损失的增大,火核生成时间增大,火焰传播时间减小,熄火复燃时间减小;随当量比增大,火核生成时间增加,火焰传播时间先增大后减小,熄火复燃时间减小。     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

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。      

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）

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。     

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。     

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。     

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%。     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性数值研究

为了研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,使用数值模拟方法计算了不同旋流数下的燃速、燃烧效率、推力与比冲。固体燃料为丁羟,燃烧采用总包反应与涡团耗散模型。当旋流数小于临界旋流数时,无需将旋流器出口伸入燃烧室,突扩台阶回流区即可稳定火焰;当旋流数大于临界旋流数后,须将旋流器出口伸入燃烧室一段距离,使火焰稳定在这一段区域内。旋流状态燃烧效率低于直流状态,在考虑了旋流产生的总压损失后,发动机推力与比冲也低于直流状态。     

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。     

采用flamelet模型分析旋流杯燃烧室近贫油熄火点

针对进口温度388 K不变,不同进气速度下对旋流杯燃烧室常压模化实验得到的贫油熄火油气比数据,采用带有详细化学机理的非预混flamelet燃烧模型进行数值模拟,对近贫油熄火点的局部热态流场进行了分析.结果表明:近贫油熄火点时刻,随着油气比的下降,回流涡旋中心和高温度区分离,回流区内气流温度下降,着火点后移,点火距离增加;进气速度的增加和燃油流量的下降,使得回流区回流量增加,回流涡旋中心两侧温差加大,而着火点更靠后,增加了对这种变化的耐受性.      

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。     

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.      

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性试验

为研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,进行了直流与旋流对比直连式试验。固体装药内径40mm,长180 mm,成分为HTPB中加入65%的金属粉末。试验发动机采用火炬式点火器点火,空气由燃烧补氧式空气加热器加热至690 K,热空气流量300 g/s。试验测量了压力、推力等参数,使用监控录像对发动机尾焰进行拍摄,通过测量试验前后装药质量差获得固体燃料平均燃速。旋流试验未将旋流器伸入燃烧室即实现了火焰稳定,且旋流燃烧比直流燃烧表现出更好的稳定性,平均燃速较直流提高近50%。旋流燃烧尾焰存在明显的径向扩张,表明尾焰仍有切向动量,损失了部分推力。     

有限空间内低旋流流动与燃烧特性

为了对低旋流流动特性及其对火焰传播与稳定影响进行深入理解,通过实验与数值模拟相结合的方法,对有限空间内低旋流流动与燃烧特性进行研究.结果表明:改变中心孔板小孔直径,可以形成不同旋流数的旋流喷射器;在冷态条件下,随着旋流数增加,在展向平面上逐渐形成“W”形速度矢量分布;在铅垂截面内,速度矢量分布存在一个环形高速区域、中心低速区和外侧低速区.由于燃烧气体吸热膨胀、涡量诱导和温度斜压效果,使得冷态高旋回流流动转变为了燃烧条件下低旋无回流流动;在有限空间内,低旋流燃烧没有形成脱体火焰,而是形成类似于扩散燃烧火焰;随着旋流数增大,温度分布边界和化学反应边界在展向平面逐渐缩短,而在铅垂截面逐渐扩大.      

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.      

冲压发动机驻涡燃烧室燃烧性能试验

针对某冲压发动机驻涡燃烧室模型,进行了不同进口温度、进口速度系数和余气系数下燃烧室燃烧性能的试验研究,研究结果证明:随着进口速度系数的增加(0.20~0.35),点火总油气比和贫油熄火油气比增加,燃烧效率变化不明显;随着进口温度的增加(573~773K),点火总油气比和贫油熄火油气比下降,燃烧效率提高;随着余气系数的增加(1.1~2.1),燃烧效率提高.试验中获得最小点火总油气比为0.0035,最小贫油熄火油气比为0.0028,最高燃烧效率93%.研究证明了驻涡应用于冲压发动机燃烧室的可行性.      

分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响

为了充分认识分开分层旋流预混火焰的特性,实验研究了分层比（SR）对分开分层旋流预混火焰宏观结构的影响。实验以甲烷为燃料在常温常压下展开,通过改变分层比研究了用CH^*化学发光信号表征的火焰宏观结构的变化,包括稳火方式、焰锋、主释热区等。观察到火焰的稳火方式以及主释热区的位置发生了变化。在角涡回流区、台阶回流区和中心回流区的共同作用下,随着分层比的变化,分别在中心体下游、台阶内外沿和主燃级通道出口外沿存在稳火点,并依此首次提出和以往研究中分层旋流预混火焰相比不同的6种类型分开分层旋流预混火焰模式：Y型、V型、对称D型、多褶型、窄W型和宽W型。结果表明,火焰宏观结构受分层比影响而发生变化,可以用甲烷的富燃、贫燃和可燃极限来解释分层比对火焰宏观结构以及自激振荡的影响。