双旋流驻涡燃烧室湍流燃烧流动的数值分析

提出了带导流片的双旋流驻涡燃烧室以进一步发展低排放、高效燃烧技术。改变旋流器的结构参数以及旋向,对双旋流驻涡燃烧室内部燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:增大旋流器内外径比对燃烧效率有一定影响,NO_x排放降低了约8%。旋流器中心间距对燃烧性能的影响不如内外径比的大。不同旋向下燃烧室均可获得良好的双涡结构,但反旋时下游火焰筒的高温度梯度场会对筒壁造成强烈热冲击,同旋时NO_x排放降低了约22%,因此同向旋转结构总体上要优于反向旋转结构。     

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.      

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。     

油气比及进口参数对三级旋流器燃烧室性能的影响

对三级旋流器燃烧室进行了常压试验研究.研究首先设计研制了三级旋流器燃烧室模型和试验系统,然后在此基础上开展了不同进口速度、进口温度和油气比等参数影响三级旋流器燃烧室的流阻特性、点火特性、贫油熄火特性和燃烧效率特性等性能的试验研究.结果表明:该三级旋流器燃烧室可以在不同试验工况下顺利点火和稳定工作,点火性能基本不受进口速度的影响;总压损失系数随进口速度的增加而增大,而流阻系数随速度的增加而减小,燃烧室流动未进入"自模状态";随着进口温度的增加,点火、贫油熄火性能变好,燃烧效率提高.     

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.      

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。     

双轴向旋流器设计参数对燃烧特性的影响研究

为了保证高温升、高热负荷的燃烧室头部的空气流量,使头部区域具有足够强的回流区和良好的气动雾化性能,进行了双轴向旋流器设计参数对燃烧特性的影响研究。设计了5种方案10种双轴向旋流器,通过数值模拟的方法得到了双轴向旋流器不同设计参数对其匹配结构燃烧室的流动、压力损失、燃烧和效率特性的影响规律:保证总面积不变,随着主、副旋流器叶片角和旋流数的增大,主燃区中心线处的平均温度逐渐降低,总压恢复系数和燃烧效率基本不变;回流区随主旋流器2种参数的增大基本不变,但随副旋流器2种参数的增大而相应变大;随着面积比的增大,回流区相应变小,主燃区中心线处的平均温度逐渐升高,总压恢复系数和燃烧效率基本不变。     

涡流冷壁旋流燃烧室的数值模拟

为了获得涡流冷壁旋流燃烧室的双旋涡结构对其燃烧流动性能的影响规律,改变切向入口的进口速度,对其内部流场进行了数值模拟。结果表明:在燃烧工况下,双旋涡结构较冷态时更难形成;随着切向入口的进口速度增加,涡流冷壁旋流燃烧室的燃烧效率较旋流燃烧室增大2%左右,壁面温度从1200K降低至600K,出口CO2的排放量降低;双旋涡结构会增加燃烧室的总压损失,但是增加的程度很小。     

旋流杯结构及进气参数对燃烧性能的影响

为优化旋流燃烧室头部结构、提高其运行性能,针对三种旋流器文氏管和燃料喷嘴的组合结构和两种流通面积的旋流器,开展了常压下以甲烷为燃料的燃烧室性能实验研究。实验结果表明,各头部结构的冷态总压损失系数与来流速度的平方成正比,燃料喷嘴插入文氏管的位置过深或过浅都会增大流动阻力,在来流速度9.7m/s条件下,喷嘴处于中等插入位置时总压损失系数降低6%左右;开放空间下,燃料喷嘴的位置越浅越利于火焰稳定,受限条件下这种影响被缩小,并且受限火焰的稳定工作范围明显宽于相同入口条件下的开放火焰;增大旋流器流通面积有利于降低总压损失系数、增强火焰稳定、减轻火焰筒壁面振动幅度,但不利于促进燃料和空气掺混,导致NO和CO的排放浓度都变大;在临近贫油熄火状态时,火焰筒壁面振动幅度加剧,明显高于稳定燃烧时的情况。     

多旋流LPP影响燃烧特性的数值分析

对贫油经由双级旋流器在突扩燃烧室内的旋流扩散燃烧反应进行了CFD数值研究。通过改变一级旋流器和二级旋流器的空气流量分配,定量研究了旋流杯内油气的局部混合和蒸发对双旋流燃烧特性的影响。结果表明,合理的气量分配使旋流杯内的油气具有较明显的贫油部分预混合预蒸发LPP效应;使燃烧室头部区域具有LPP燃烧特性：头部燃烧区位置和结构合理,温场峰值低且比较均匀,产生较少的NO污染物。相关计算结果与试验结果相符合。     

双级径向旋流器对燃烧性能的影响

为保证航空发动机燃烧室具有良好的气动雾化性能并实现稳定、高效地燃烧,设计6种带有旋向相反的双级径向旋流器方案的单头部燃烧室,通过双级径向旋流器设计参数对燃烧性能影响的数值计算,得到不同主、副旋流器旋流数对燃烧室性能的影响规律,并进行试验验证。结果表明:数值计算与试验结果基本吻合。双级径向旋流燃烧室的燃烧效率超过99.9%,双级径向旋流器存在最佳的匹配方案,该方案使得燃烧室形成合适的回流区,并得到均匀的出口温度场。     

旋流器型式对空气雾化喷嘴雾化特性影响规律

采用试验与数值计算相结合方法研究了不同旋流器型式对双旋流式空气雾化喷嘴喷雾特性的影响规律.采用粒子图像测速(PIV)测量了不同空气雾化喷嘴下游流场结构,并且采用高速摄影仪和激光粒度分析仪,对不同空气流量和燃油流量下的双级旋流空气雾化喷嘴的油雾场形态、索太尔平均直径(SMD)、Rosin-Rammler分布进行试验研究;...     

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。     

双级径向旋流器燃烧性能的数值研究

设计一种双级径向旋流器,采用数值模拟的方法研究了旋流器的燃烧性能。计算结果表明：旋流器第Ⅱ级叶片安装角在40°～60°范围内,燃烧室内速度分布相差较小;燃烧室内温度分布与旋流器叶片安装角没有呈现规律性的变化关系;所研究的燃烧室结构,旋流器第Ⅱ级叶片安装角为60°的燃烧室燃烧性能更好。     

旋流预混预蒸发装置蒸发和排放特性

采用数值模拟和试验两种方法获得了两种结构的贫油预混预蒸发装置(Lean premixing and prevaporizing system,简称LPP)出口的油气混合均匀性,并采用单管燃烧室验证了LPP装置的燃烧特性.径向旋流预混装置出口的油气混合比轴向旋流预混装置更均匀;旋流器的叶片数和旋流角、预混管长度、气流速度、喷油方式等对油气混合均匀性均有比较显著的影响;在当量比高至0.5左右时,LPP燃烧室NOX和CO排放比传统燃烧室低得多;只要LPP装置出口存在回流,燃烧时就会出现回火现象.      

旋流杯设计参数对燃烧性能的影响

通过三维数值模拟和试验相结合的方法,针对航空发动机主燃烧室开展了火焰筒头部旋流杯设计参数对燃烧室性能影响的研究,其关键设计参数为副旋流器相对进气量和旋流数,关注的燃烧性能包括出口温度场分布、NOx排放量等.结果表明:数值计算获得的规律与试验的结论基本一致.随着副旋流器相对进气量的增加,主燃烧室出口温度场逐渐恶化,而NOx排放量略有降低;副旋流器旋流数偏离基准设计值时,出口温度场恶化,而NOx排放量随旋流数的增加而增加.     

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。