旋流器结构参数对燃烧室燃烧性能影响的数值分析

采用数值分析方法研究旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室燃烧性能的影响规律,从回流区特性、燃烧室温度场、出口温度特性、NOx排放等几个方面分析了燃烧室燃烧性能。研究结果表明:旋流器值班级第一、第二级以及主燃级叶片安装角和旋向对燃烧室燃烧性能有着重要影响;最佳叶片角度方案为值班级第一级叶片45°、第二级叶片45°、主燃级叶片安装角60°;最优旋向组合为值班级第一级叶片与第二级叶片反向,第二级叶片与主燃级叶片同向。     

丙烷/空气贫油直接喷射燃烧室燃烧特性试验研究

为了研究丙烷/空气贫油直接喷射燃烧室的燃烧特性,设计了两种轴向旋流器和一种均布直射式丙烷喷注结构,建立了丙烷/空气贫油直接喷射燃烧平台,改变轴向旋流器叶片安装角和丙烷喷注结构位置,探讨轴向旋流器结构、旋流器和喷注结构匹配等因素对丙烷/空气贫油直接喷射燃烧特性影响及变化规律。研究结果表明:(1)60°叶片安装角旋流器结构,在相同进气条件下压力损失更大,有效面积更小;(2)随着丙烷喷注结构端面与文氏管出口距离的增加,45°安装角对应的旋流器结构的燃烧室总压损失减小,有效面积增加,而60°安装角对应的旋流器结构的燃烧室总压损失和有效面积均不呈现单调变化趋势,存在最优位置;(3)45°叶片安装角旋流器结构的燃烧温度高于60°叶片安装角旋流器结构;(4)相同条件下,60°叶片安装角旋流器结构的点火当量比低于45°叶片安装角旋流器结构,45°叶片安装角旋流器结构的点火当量比可达到0.7,60°结构所对应的最低当量比则为0.6。     

旋流器特征参数对高温升燃烧室性能的影响

利用数值模拟方法考察了3级旋流器特征参数(旋向组合、旋流数)对提出的中心分级燃烧室燃烧性能的影响。对12种不同的方案进行了比较,选出了最优的3级旋流器匹配方案。计算结果表明:3级旋流器的特征参数对燃烧室流场结构和燃烧性能有很大影响;合理的旋流器旋向组合和旋流数是提高燃烧室性能的关键因素。3级旋流器旋向组合为第1、2级反向,第2、3级同向,旋流角度组合为第1级40°,第2、3级均为45°时,燃烧室可以达到最佳的燃烧效果。     

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.      

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.      

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。     

基于PIV技术对三级旋流杯燃烧室流场的测量

参照单级旋流器设计方法,设计4种三级旋流杯中不同叶片数和叶片安装角第三级旋流器,采用particle image velocity(PIV)技术对三级旋流杯燃烧室流场进行研究.研究结果表明:随着第三级旋流器叶片安装角和叶片数的增加,主燃区的轴向速度逐渐变小,使得主燃孔射流作用增强;在同样叶片数情况下,增大第三级旋流器叶片安装角,使旋流强度增强;对于第三级旋流器不同安装角、第三级旋流器叶片数增加都使轴向速度变化趋于平缓,使燃烧室内主流受主燃孔射流扰动影响较小,流动更平缓.      

旋流器结构对贫油直喷燃烧室的性能影响

针对单元贫油直喷(LDI)喷嘴的旋流器设计问题,实验研究了旋流器结构变化(改变旋流器级数、双旋流器旋向及混合段收缩角等)对燃烧室总压损失、燃烧效率以及污染物排放等性能的影响规律.结果表明:旋流器结构变化对燃烧室性能有很大影响.同向双旋流燃烧室总压损失大于与之相同计算旋流数的单级旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室总压损失略低于同向双旋流燃烧室,燃烧室总压损失随收缩角增大而呈增大趋势.相较单级旋流燃烧室和同向双旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室在不同贫油气比工况下均具有更高的燃烧效率和更低的污染物排放.另外,燃烧效率及污染物排放受收缩角的影响.最佳收缩角角度的选取需要综合权衡总压损失、燃烧效率及污染物排放水平.     

双级轴向旋流器性能评估方法（二）——旋流器下游几何结构的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。通过数值模拟研究了旋流强度与旋流器下游（套筒）几何结构对于燃烧室反应流场与燃烧性能的影响规律。结果表明:当旋流强度低时，旋转气流倾向脱离套筒喉部附近的壁面，形成类似喷射的流动；套筒扩张角越大，旋流强度增幅越大；当扩张半角为30°～70°时，气流扩张角随套筒扩张半角增加而增大。研究发现:存在临界套筒扩张半角为73°，大于该临界角时，气流与套筒发生“脱体”现象。通过理论推导与数值仿真相结合的方法，发展建立了套筒出口气流扩张角估算公式。通过与实验及数值结果比较发现，该公式能够对旋流器出口近场气流发展进行准确预测，为未来旋流器的设计提供了一种实用有效的方法。      

三级旋流器旋流角匹配影响双环预混旋流燃烧室燃烧性能试验

为研究地面用燃气轮机以0号柴油为燃料时的燃烧特性,对装有值班级直射式喷嘴和5种旋流器组合方案的双环预混旋流(Twins Annular Premixing Swirler,TAPS)燃烧室的特性进行了实验测试,获得了5种旋流器组合方式下燃烧室的流阻性能和燃烧性能。研究结果表明:双环预混旋流燃烧室的总压恢复系数都在0.97以上,高于经典的单环腔燃烧室;值班级采用直射式喷嘴会导致燃烧室的点火和CO排放性能下降,点火油气比在0.04以上,CO排放高于36g/kg;随值班级旋流角增大,可改善点火性能,最低点火油气比可达到0.04左右,加宽贫油熄火边界,慢车贫油熄火边界可低至0.0058;燃烧室入口温度升高可以使燃烧室点火油气比下降30%,贫油熄火油气比下降35%;5种旋流器组合方式下,NO_x和UHC的排放最低达到了1.1g/kg和3.85g/kg,满足低排放燃烧室的要求,冒烟指数达到了无烟燃烧室的标准,CO排放最高达到了51.84g/kg远高于要求值,燃烧效率最高为0.987,低于先进燃气轮机对燃烧效率的要求。     

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。      

径向旋流器气量分配对点火熄火特性的影响

针对第2级径向旋流器的气量分配对点火熄火特性的影响进行了研究.试验结果表明:对于采用同向旋转强旋流的旋流杯,空气雾化喷嘴在气液比大于3后会形成稳定的液雾,在常温常压起动点火以及熄火工况下,燃烧室中的燃油已基本雾化完全.第1,2级旋流器的气量比从0.8变化至1.2后,旋流杯液滴韦伯数大于40,液滴已进行充分的二次雾化,增加第2级旋流器气量不会进一步改善雾化质量,因此对点火和熄火特性基本无影响.      

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%.      

双级轴向旋流器性能评估方法（一）——综合旋流强度的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。发展建立了一种多级旋流器性能评估方法，提出了综合旋流强度和能量利用率两个准则数来对旋流器性能进行评估，研究发现，旋流强度和流阻系数是影响旋流器能量利用率的主要因素。采用数值方法研究了双级旋流之间的相互作用机理，结果表明:双级旋流器之间，一级旋流强度对回流区宽度影响较大；综合旋流强度是影响燃烧室整体性能的直接因素；当综合旋流强度小于0.43时，为弱旋流；综合旋流强度介于0.43～0.6之间时，为中等旋流，有十分弱小的回流区；当综合旋流强度大于0.6时，呈强旋流，一定会有回流区出现；当综合旋流强度大于1.03时，为非常强的旋流；综合旋流强度一定时，双级旋流能够增加收益，能量利用较好。通过与实验及数值结果比较发现，该多级旋流器性能评估方法能够对旋流器性能进行准确评估，为未来多级旋流器的设计与性能评估提供了一种实用有效的方法。