基于燃气分析法的航空发动机燃烧室性能研究

为深入了解燃烧室性能,用燃气分析法测量了燃烧室在高压状态下的气态污染物排放和排气冒烟,用热电偶法测量了燃烧室出口温度场.混合式取样器安装于摆盘上,随摆盘沿周向匀速旋转采集样气,通过测试仪器分析样气组分,计算得到了燃烧室的油气比、燃烧效率、污染物排放指数及冒烟数.通过比较采用燃气分析法和流量法得到的油气比、燃烧效率的测试结果,分析了慢车状态误差偏高的原因,结果表明:燃气分析法是1种准确、可靠的燃烧室性能测试方法.改进了混合式取样器结构,提高了排气冒烟测试的精度.     

测温方法对高温升燃烧室温度场试验结果影响分析

为了给高温升燃烧室出口温度场测量提供技术支持,以某高温升5 头部扇形燃烧室试验件为试验平台,分析双铂铑热 电偶、铱铑热电偶和燃气分析3 种测温方法对高温升燃烧室温度场试验结果的影响。在油气比为0.027、0.030、0.033 和0.037 下,利 用3 种测温方法获得燃烧室出口的平均温度、热点温度、出口温度分布系数和径向出口温度分布系数,并与理论温度进行对比。结 果表明：燃气分析、双铂铑热电偶和铱铑热电偶测量的温度分别比理论值高0～1.1%、低3.0%～3.5%和低5.0%～6.5%,3 种测温方法 所获出口温度场品质差别不大。     

燃气分析法测量航空发动机五头部燃烧室温度场

介绍了航空发动机燃烧室温度场测量所用的燃气取样器和燃气分析系统,并对系统简化所引起的误差进行了分析.阐述了“点”燃烧温度的计算方法以及利用“点”燃烧效率、油气比和燃烧温度计算总平均值的方法.数据显示利用热电偶测量温度获得的燃烧效率比燃气分析法燃烧效率约低4%,在燃气温度约为1500℃时,热电偶测得的燃气平均温度比燃气分析法平均温度低55℃左右,同时表明燃气分析方法在测量航空发动机燃烧室温度场具有可测温度高、影响因素少、数据准确的优势.      

燃气环境内高温部件红外测温试验方法

针对航空发动机加力燃烧室高温部件温度场测试精度不高的问题,提出了一种燃气环境内高温部件红外测温试验方 法。在同一时刻,分别用配装3.97~4.01 μm窄带滤光片的红外热像仪和K型热电偶测试了燃气环境内高温部件在8种不同状态下 的壁面温度分布,并对测试结果进行了对比 ,根据K型热电偶测试结果引入红外热像仪测试结果综合修正系数。结果表明：所引 入的综合修正系数可有效地修正表面发射率、高温燃气、蓝宝石玻璃窗口以及环境大气等因素在不同温度条件下所带入的测试误 差,经修正后红外热像仪和热电偶之间的测试偏差可控制在1.5%以内。该方法为后续航空发动机加力燃烧室高温构件温度分布 测试提供了一种方法和思路。     

一种根据燃气成分计算燃气温度的方法

叙述了一种根据有限的燃气成分推算燃烧室出口高温燃气温度的计算方法，并分析了燃气成分测量误差、燃料低热值、燃料成分及燃料温度等对燃气温度的影响，该方法考虑了高温燃气解离的影响，利用数值解技术开展计算。根据此方法编制的计算机程序已应用于某高热容燃烧室出口燃气温度测量中，获得了燃烧室出口温度场.     

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.      

油气比对燃气分析法燃烧效率、气态污染物测试精度的影响

在燃气分析单点测试偏差的基础上,针对燃气轮机、主燃烧室及加力燃烧室目前采用的取样方式的现状,建立了燃气分析法和流量法的油气比偏差对燃烧效率和气态污染物测试精度的影响规律。结果表明:对于采用移位机构进行测量的主燃烧室,流量法和燃气分析法油气比相差在5.1%以内时,说明有足够的测点密度,数据有效,此时的燃烧效率精度优于0.5%;对于加力燃烧室和整机测试,由于取样点不足,油气比偏差较大,燃烧效率的精度还取决于油气比和CO的体积分数。保证足够的取样点密度是燃气分析测试结果具有较高精度的前提。      

燃气分析测量高温燃气温度的方法

叙述了两种根据燃气成分推算高温燃气温度的计算方法——效率/余气系数法和焓值守恒法。效率/余气系数法根据燃气分析得到的余气系数和燃烧效率计算燃气温度,按燃烧效率和余气系数计算方法的不同又划分为补燃法和全成分法;焓值守恒法根据燃气成分和焓值计算燃气温度。分析和比较了两种计算方法,这些方法已应用到燃烧室出口高温燃气温度测量中。      

气冷式热电偶测温误差分析

叙述气冷式梳状热电偶在主燃烧室出口高温燃气测量中的导热误差、辐射误差和速度误差，实验表明，气冷式梳状热电偶的测温误差在实验温度范围内小于4%。     

航空发动机燃烧室出口高温热电偶校准技术

在高温校准风洞上,对测量航空发动机燃烧室出口温度气冷式和非气冷式这两种形式的高温热电偶进行校准,确定了高温热电偶的辐射修正系数.校准实验结果表明:高温热电偶的辐射误差随气流速度和压力的增加而降低,而且气流温度与航空发动机机匣壁面温度的温差越大,辐射误差也越大.比较两种结构形式的高温热电偶,非冷却式高温热电偶的测量误差比气冷式高温热电偶的相对较小.      

仅值班供油时斜流驻涡燃烧室出口温度分布特性研究

为深入了解和掌握仅值班供油时斜流驻涡燃烧室出口温度分布特性,开展了不同进气速度和油气比下燃烧室出口温度径向分布、不均匀性及出口温度分布系数（OTDF）和出口径向温度分布系数（RTDF）的研究,并结合凹腔内火焰形态分析了出口温度分布特性的变化原因。结果表明,不同进气速度和油气比下出口温度径向分布都呈现为中间高、两端低,温度峰值在0.6倍燃烧室出口高度位置处;不同进气速度下,高温区整体偏向燃烧室出口中心上方;不同油气比下,高温区主要靠近燃烧室出口中心;随进气速度增加,不均匀性、OTDF增大,高温区从燃烧室出口中心上方往中心偏移;随油气比增加,不均性减小,OTDF和RTDF基本都是先减小后缓慢上升,高温区从燃烧室出口中心下方偏移到中心上方;这与凹腔内燃烧情况息息相关,取决于燃油分布、后进气掺混作用、凹腔当地油气比和高温产物位置。     

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。     

燃气轮机双燃料燃烧室流场对比数值研究

针对燃气轮机环管型双燃料燃烧室分别燃用庚烷和裂解气燃料的情况,采用CFD(computa-tional fluid dynamics)技术对其燃烧流场进行对比研究.数值模拟采用了RNGk-ε湍流模型、化学平衡条件下的快速化学反应系统和简单概率密度函数(PDF)燃烧模型、液体燃料的喷雾模型以及SIMPLE算法.模拟对比分析了两种燃料燃烧下的温度分布、燃烧效率、流量分配、壁面冷却效果、空气过量系数等参数,以及它们随工况变化的趋势.所得结论如下:①不同燃料燃烧时,流场内的流量分配基本保持一致;②裂解气燃料燃烧时,其燃烧效率高出燃油状态约1%,但出口温度均匀性较差;③在加入相同化学焓值的燃料进入燃烧室时,裂解气燃料的头部空气过量系数α较大,所得到的出口平均温度低于燃油状态约20～40 K.      

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%.      

高温升三旋流燃烧室与双旋流燃烧室的性能对比

采用参数化建模的方法,保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸与单环腔燃烧室(SAC)一致,将燃烧室头部旋流器从双旋流结构设计为三旋流结构,采用三维数值模拟的方法对双旋流燃烧室(DSC)和三旋流燃烧室(TSC)的流动和燃烧过程进行数值模拟.对比研究了两种燃烧室在高温升条件下的性能.结果表明:传统的DSC已不能满足油气比为0.037的高温升燃烧室的燃烧效率等性能需求,TSC可获得比DSC更高的总压恢复系数、燃烧效率以及温升,更低的出口温度分布系数(OTDF)和径向出口温度分布系数(RTDF);在油气比为0.037情况下,设计的高温升TSC总压降在5%以内;OTDF为0.162,RTDF为0.106;燃烧效率大于99%.      

基于中心分级的高温升燃烧室性能预估

针对高推质比航空发动机高温升燃烧室的需求,提出一种中心分级燃烧室的设计方案,在保证与现有单环腔燃烧室扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸相同的情况下,对设计模型进行了三维数值模拟,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:采用中心分级燃烧室,在获得更高温升的同时,可获得比单环腔燃烧室更高的总压恢复系数和比单环腔燃烧室更低的燃烧室出口温度分布系数(OTDF),其慢车工况下的CO排放和NO排放略高于单环腔燃烧室;在设计总油气比为0.045的情况下,温升可达1360K,总压恢复系数大于等于0.96,OTDF小于等于0.14,出口径向温度分布系数(RTDF)小于等于0.10,燃烧效率大于等于0.987.