凹腔油气匹配对驻涡燃烧室点火性能影响试验

针对一种以煤油为燃料的驻涡燃烧室,在前期研究的基础上对其前体油气匹配进行几种结构改变,探讨驻涡燃烧室头部油气匹配及后体气量变化时对其点火熄火的影响。对仅采用凹腔供油的驻涡燃烧室的贫油点火及贫油熄火特性进行了试验研究表明,随后体气量增加,总的贫油点火油气比先下降后上升,绝大部分工况下,总的贫油点火油气比在0.04以下;贫熄总油气随主流气量的减小先增大后减小;各个方案熄火总油气比都在0.004以下;凹腔前体进气温度的提高有利于驻涡燃烧室的点火熄火性能。     

单凹腔驻涡燃烧室值班油气匹配研究

为开展单凹腔驻涡燃烧室值班油气匹配思路研究,采用试验研究方法,在燃烧室进口压力、温度以及马赫数分别为0.101MPa、487 K、0.25,燃料为航空煤油的条件下开展试验。试验中主要研究了4种不同总油气比FAR =0.0093、0.0124、0.0155、0.0186,以及对应相同总油气比下不同凹腔油气匹配思路。即通过更改凹腔进气结构,在总油气比一定的情况下,调节凹腔当量比Φca。研究结果表明：凹腔内的油气匹配对燃烧效率影响显著。当总油气比小于0.0155时,不同凹腔当量比的燃烧效率均随总油气比增加而增加;总油气比大于0.0155后,不同凹腔当量比的燃烧效率随油气比的变化规律有所差异,当凹腔富油时,燃烧效率减少;当凹腔由贫转富时,燃烧效率缓慢上升;进一步研究发现,凹腔当量比小于1.4时,不同当量比的燃烧效率随总油气比增加均有所增长,在凹腔当量比大于1.4后,效率有下降的趋势。因此,在总油气比相同,仅凹腔供油的工作状态,凹腔局部富油时的燃烧效率高于当量比为1时的燃烧效率。凹腔当量比1.4为仅凹腔供油燃烧的最佳当量比。     

主流及掺混气温度对单涡/贫油驻涡燃烧室点火及熄火性能影响的试验

针对一种以煤油为燃料的单驻涡燃烧室,在前期研究的基础上针对驻涡燃烧室可应用于级间燃烧的情况进行了研究.试验中对仅采用凹腔供油的单驻涡燃烧室的点火及贫油熄火进行了研究.结果表明,掺混进气温度增加可以最大降低点火油气比20%左右,拓宽贫熄边界30%左右;对于这种结构和进气条件的燃烧室,主流气量则存在一个最佳值,使得点火总油气比最小.进口流速达到马赫数0.59时点火开始变得困难.      

驻涡燃烧室凹腔供油位置对流场影响的PIV实验

采用PIV(particle image velocimetry)技术,对凹腔供油位置不同时凹腔内的冷态流场进行对比研究.通过分析不同来流速度对腔内涡的形成及其稳定性的影响,从而研究不同供油位置对涡稳定的影响.实验表明,供油位置在凹腔前体,油气掺混孔处的射流对涡有破坏,供油位置在凹腔后体,油气掺混孔处射流对涡没有破坏作用,在不考虑供油方式等因素的情况下,凹腔后体供油优于凹腔前体供油.研究结论可为该驻涡燃烧室进一步的热态燃烧性能实验研究提供依据.      

采用离心喷嘴的单凹腔驻涡燃烧室点火与贫熄特性

为了研究单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火特性,设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室矩形试验件,采用试验研究和半经验分析相结合的方法对其点火和贫油熄火进行了研究。试验在常压状态下进行,采用RP3航空煤油作为燃料,所用供油喷嘴为空心锥离心喷嘴,试验中的进口空气温度在287~487K变化,进口空气流量在0.2109~0.4219kg/s变化,对应进口马赫数从0.15变化到0.31。结果表明:单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火油气比均随着燃烧室进口温度和进口流量的增加而减小,单凹腔驻涡燃烧室的点火油气比比贫油熄火油气比约大50%。经过半经验分析,得到了影响单凹腔点火和熄火的综合参数A,该参数能够较好地解释和评价各种因素对贫油熄火的影响。     

全环涡轮级间燃烧室性能试验

以涡轮级间燃烧室(ITB)应用于涡轴发动机为研究平台,根据ITB的应用环境,采用凹腔驻涡燃烧室作为涡轮级间燃烧室,设计加工了全环凹腔驻涡燃烧室试验件,并进行了性能试验研究.试验结果表明:该燃烧室的贫油点火边界余气系数为10.2,降低驻涡凹腔体内外压差有利于点火;与常规燃烧室相比,燃烧室的燃烧效率偏低,但燃烧效率随进口温度的升高逐步加大;燃烧室的总压恢复系数较小,进口温度对燃烧室的总压恢复系数影响不大;燃烧室出口温度场分布较好,出口温度分布系数(OTDF)随进口温度的升高而减小;随着进口温度的提高,火焰筒壁温会局部偏高,火焰筒的冷却设计需优化改进.      

不同钝体宽度下的驻涡燃烧室排放试验

为了研究空气流量分配对驻涡燃烧室对排放特性的影响,了解对驻涡燃烧室内污染物生成的过程及其影响因素,设计了一个能够改变中心钝体宽度、仅凹腔供油的驻涡燃烧室.在常压下对该驻涡燃烧室进行了排放特性试验,进口温度保持200℃.试验中,燃烧室进口马赫数为0.15~0.3.影响排放的因素主要包括雾化质量、凹腔当量比以及与进口马赫数相关的驻留时间等.总体来说雾化质量、凹腔当量比的提高对降低CO和HC的排放是有利的,但是这会使NOx排放增加.在低凹腔当量比时,CO排放曲线变化下降比较平缓,甚至出现上升趋势,而HC排放曲线比较陡峭.这是由于HC的消耗速度比CO消耗速度快,随着凹腔当量比的增加,供油压力提高,燃油雾化粒径变小,燃油蒸发时间缩短,使HC排放快速减少,中间产物CO大量产生而来不及消耗.凹腔当量比进一步上升时,由于燃烧温度的提高,使得CO排放快速减少.在燃烧室内燃烧过程中,NOx的形成和消耗是非常复杂的过程,目前只能作一些定性的分析,而CO和HC的反应过程相对简单.通过对不同钝体槽宽下,具有相似凹腔前壁流量的工况的比较,发现CO和HC的形成主要受凹腔内工作状况影响,而NOx的形成过程更复杂,主流也对其产生着重要的影响.      

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.      

可变几何单凹腔驻涡燃烧室的贫油熄火性能试验

为了研究可变几何单凹腔驻涡燃烧室的贫油熄火性能,设计了一个可变几何单凹腔驻涡燃烧室,通过改变凹腔前进气槽的开度,实现对凹腔当量比的控制,并在此基础上进行了贫油熄火性能试验。试验在常压状态下进行,采用航空煤油作为燃料。试验中的主要研究参数如下:进口温度在287~487K变化;进口马赫数在0.2~0.3变化。研究结果表明:可变几何单凹腔驻涡燃烧室的贫油熄火油气比随着进口温度的增加而减小,随着进口马赫数的增加而增加;保持进口马赫数为0.25不变,当进口温度为287K时,贫油熄火油气比随着凹腔前进气开度的减小先增加后减小,而当进口温度逐渐升高到487K时,这一趋势逐渐转变为单调减小;保持进口温度为487K不变,贫油熄火油气比随着凹腔前进气开度的减小而减小。     

涡轮级间单涡燃烧室壁温研究

由于燃烧区和壁面的距离过近,驻涡燃烧室壁温过高的问题一直存在,影响其在实际发动机上的应用.对某涡轮级间驻涡燃烧室进行壁温分布试验研究,研究供油量、主流进气参数对壁温分布的影响,并考察燃烧室的冷却和进气结构是否合理.试验结果表明,试验件的最高壁温出现在凹腔后壁面;供油量和主流马赫数对试验件的壁温分布趋势影响较大,主流温度对壁温分布趋势的影响较小.      

Design and Performance of an Improved Trapped Vortex Combustor

 A trapped vortex combustor (TVC) has been a very promising novel concept for it offers improvements in lean blow out, altitude relight, operating range, as well as a potential to decrease NO_x emissions compared to conventional combustors. The present paper discusses the improved designs of the new combustor over the prior ones of our research group, including that: a) the overall dimensions, both axial and radial, are reduced to those of an actual aero-engine combustor; b) the air flow distribution is optimized, and especially 15% of the air is fed into the liner as cooling air; c) a straight-wall diffuser with divergence angle 9癷s added. A series of experiments (cavity-fueled only, under atmospheric pressure) has been conducted to investigate the performance of the improved TVC. Experimental results show that at the inlet temperature of 523 K, the inlet pressure of 0.1 MPa, stable operation of the TVC test rig is observed for the Mach number 0.15-0.34, indicating good flame stability; the combustion efficiency obtained in this paper falls into the range of 60%-96%; as the total excess air ratio increases, the combustion efficiency decreases, while the increase of the inlet temperature is beneficial to high combustion efficiency; besides, the optimal Mach numbers for high combustion efficiency under different inlet conditions are confirmed. The outlet temperature profiles feature a bottom in the mid-height of the exit. This paper demonstrates the feasibility for the TVC to be applied to a realistic aero-engine preliminarily and provides reference for TVC design.     

采用蒸发管供油的驻涡燃烧室点火及贫油熄火特性

为了研究驻涡燃烧室拓宽燃烧边界的能力, 设计了一种驻涡燃烧室实验件, 并对其点火性能和贫油熄火特性进行了实验研究.驻涡燃烧室采用汽化器和蒸发管的组合作为供油方式, 以煤油为燃料, 实验中改变燃烧室的进口条件, 测试其点火极限和贫熄极限.实验结果表明, 采用蒸发管供油驻涡燃烧室具有良好的点火特性和贫油熄火性能.      

驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析

为研究驻涡燃烧室在前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能,采用3维数值仿真模拟方法,对驻涡燃烧室前钝体燃料喷射 状况下的燃烧效率及燃烧室性能与无前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能进行了对比分析,并对驻涡燃烧室的冷流以及燃烧状态 下的燃烧室性能进行了系统研究。燃烧室温度分布表明：前钝体顶部燃料喷射在0.2~0.7的喷射系数范围内,缩短了燃烧室火焰 长度,提高了燃烧室在相同轴向长度下的燃烧效率,使燃烧室更加紧凑;驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射孔的孔径在一定范围内 的变化对燃烧室的燃烧效率、出口温度分布系数以及总压损失影响较小。     

驻涡燃烧室燃烧性能试验

开展了空气进口温度、流量和余气系数影响驻涡燃烧室燃烧性能的试验研究,获得了燃烧性能参数的变化规律:总压损失系数在3%～6%之间,流阻系数变化不大;点火和贫油熄火性能随流量变化很小,随进口温度的提高而改善,研究中最大点火和贫熄余气系数分别为6.03和14.41;仅驻涡区供油时,燃烧效率在90%～95%之间,驻涡区和主流同时供油时,燃烧效率为84%～99.5%,并随余气系数和进口流量的变小而上升.      

基于驻涡燃烧室的贫油熄火经验关系式初探

 驻涡燃烧室（TVC）与传统旋流燃烧室相比采用不同稳焰方式。在前期试验研究的基础上对其贫油熄火(LBO)性能进行归纳总结,参考并与Lefebvre基于化学反应的贫油熄火经验关系式相比较,提出适用于采用煤油为燃料、蒸发管方式供油的驻涡燃烧室的贫油熄火经验关系式。针对驻涡燃烧室提出的贫油熄火经验关系式包含了蒸发管雾化性能、主流气流量和凹腔卷吸气流量等因素,对比经验关系式的预测结果与试验结果,最大误差在15%以内。     

Flow field characteristics,mixing and emissions performance of a lab-scale rich-quench-lean trapped-vortex combustor utilizing a quench orifice plate combined with a bluff-body

In this study, the low emission combustion technology of Rich-Quench-Lean (RQL) has been applied in Trapped-Vortex Combustor (TVC), and the combinative RQL-TVC shows a promising low emissions performance. By utilizing a quench orifice plate combined with a bluff-body, a lab-scale RQL-TVC was designed. The flow fields of RQL-TVC were measured by 2-D PIV and predicted by 3-D numerical simulation. Flow structures, radial profiles of normalized mean axial velocity, turbulence intensity and mixing level of the quench zone were analyzed. Results reveal that the dual-vortex and the single-vortex flow patterns both exist in cavities and quench zone of RQL-TVC, and the turbulence intensity is strong in the quench zone with some reverse flows. The spiral vortex was discussed by 3-D streamlines and the detail flow structures of the quench zone were analyzed based on the numerical results. The mixing level of the quench zone was determined, and results show that the quench device enhances the mixing level compared with TVC. Combustion efficiency and emissions performance were investigated experimentally, and results demonstrate that RQL-TVC has relatively higher combustion efficiency and lower emission index of CO, UHC and NO_x than the same size lab-scale TVC in present work.     

Experimental study of rotating gliding arc discharge plasma-assisted combustion in an aero-engine combustion chamber

The combustion chamber is the core component of an aero-engine, and affects its reliability and security operation, even the performance of the aircraft. In this work, a Plasma-Assisted Combustion(PAC) test platform was developed to validate the feasibility of using PAC actuators to enhance annular combustor performance. Two plans of PAC(rotating gliding arc discharge plasma) were designed, Assisted Combustion from Primary Holes(ACPH) and Assisted Combustion from Dilution Holes(ACDH). Comparative experiments and analysis between conventional combustion and PAC were conducted to study the effects of ACPH and ACDH on the performances including average outlet temperature, combustion efficiency, pattern factor under four different excessive air coefficients(0.8, 1, 2, and 4), and lean blowout performance at different inlet airflow velocities. Experimental results show that the combustion efficiency is improved after PAC compared with that in normal conditions, and the combustion efficiency of ACPH increases2.45%, 1.49%, 1.04%, and 0.47%, while it increases 2.75%, 1.67%, 1.36%, and 0.36% under ACDH conditions. The uniformity of the outlet temperature field and the lean blowout performance are improved after PAC. Especially for ACPH, the widening of the lean blowout limit is8.3%, 12.4%, 12.8%, and 25% respectively when the inlet velocity ranges from 60 m/s to120 m/s. These results offer new perspectives for using PAC devices to enhance aero-engine combustors' performances.     

驻涡区进口结构参数影响TVC燃烧性能的试验

驻涡区的空气、燃油供给位置和两者之间的匹配关系是影响驻涡燃烧室性能最重要的参数之一.研究中把4种驻涡区油气进入位置和3种掺混空气孔位置组合成7组油气参数,在不同进口温度和进口流量下开展了相应的燃烧性能试验,获得了点火性能、贫油熄火特性和燃烧效率与7组油气参数之间的关系,并分析得出了第7组组合参数是综合性能最好的驻涡区油气进口参数.      

磁流体能量旁路超燃冲压发动机的混合 和燃烧性能数值研究

为了研究磁流体能量旁路超燃冲压发动机(AJAX)的混合燃烧性能,采用三维数值方法,分别对磁流体发电器作用区和化学反应区进行模拟.在其他条件不变的情况下,改变磁场强度和载荷因子从而改变燃烧室的入口条件,得到不同磁流体条件下的混合效率和燃烧效率.计算结果显示:随着磁场强度的增加和载荷因子的减小,混合效率都提高了,最多提高了11.4%,在热离解不明显的燃烧室前半段,燃烧效率也都有所提高;在燃烧室后半段,不出现热离解时燃烧效率最多提高6.5%,此时磁流体装置的引入可使燃烧室长度缩短25%,可降低飞行器的几何尺寸,减轻飞行器质量;出现热离解时,燃烧效率会有所降低甚至低于无磁流体作用时的情况,因此应尽量避免磁场强度过大或载荷因子过小引起燃烧室入口静温过高造成热离解降低燃烧效率.