航空发动机燃烧室冷却结构的发展及浮动壁结构的关键技术

随着航空发动机燃烧室性能的提高,燃烧室火焰筒热防护问题显得越来越突出.燃烧室内采用浮动壁结构可以减小壁面热应力,改善火焰筒的受力状况.介绍了火焰筒冷却结构的发展历程,包括气膜冷却、多斜孔冷却和多孔层板冷却,并对它们的优缺点进行了阐述;分析了浮动壁冷却结构的发展状况、技术特点和在浮动壁结构基础上采用冲击/发散气膜复合冷却结构的效率;阐述了浮动壁结构的关键技术（材料、制造工艺和冷却结构特征等）;展望了冷却结构和浮动壁火焰筒在未来航空发动机中的应用.     

具有陶瓷涂层的火焰筒壁温和热流计算

对具有陶瓷隔热涂层的气膜冷却式火焰筒壁面温度和热流提出~种计算方法。在分别建立陶瓷涂层和金属壁面热平衡方程的基础上,给出两者之间的导热耦合关系,使计算模型更加符合实际传热过程。计算过程中始终考虑到金属壁面的轴向导热。通过算例研究了陶瓷涂层对气膜冷却式火焰筒壁面温度和热流的影响。有涂层时壁面温度低于无涂层时壁面温度,但它们的变化规律相似。燃气温度越高陶瓷涂层的隔热效果越好。     

有隔热涂层的火焰筒壁温计算方法

提出一种适用于有无隔热涂层时考虑火焰筒壁面温差的燃烧室火焰筒壁温分布的计算模型和方法。通过计算结果与试验结果的比较证明所建立的程序可有效地预估气膜冷却火焰筒的壁温分布 ,并为火焰筒强度寿命预估提供了基础。计算结果表明隔热涂层在一定程度上降低了火焰筒的壁面热流 ,对火焰筒壁起到了保护作用     

先进军用航空发动机燃烧室关键设计技术

随着未来先进军用航空发动机向着更高推重比、更低耗油率、更高机动性等方向发展,燃烧室则向着更高温升和热容方向发展,为燃烧室的燃烧稳定性、可靠性、耐久性的提高和寿命期成本的降低提出挑战。先进的燃烧组织技术和火焰筒冷却、结构技术是保证高性能航空发动机燃烧室能够满足设计要求的关键。目前主要的燃烧室关键技术包括驻涡燃烧组织技术,多斜孔气膜冷却火焰筒、浮动壁火焰筒、多孔层板冷却火焰筒等火焰筒冷却与结构技术。本文综述了这些技术的研究现状及未来发展。     

某折流燃烧室火焰筒壁温试验

在发动机整机上,利用多变色不可逆示温漆测温法对采用全气膜发散冷却结构的某折流燃烧室火焰筒的壁温进行了试验,获得了火焰筒壁面温度分布规律,并将试验结果与流场计算结果进行了对比分析.研究表明:①该折流燃烧室火焰筒壁温分布较均匀,冷却方式合理;②火焰筒壁温梯度较小,最高壁温远低于所选材料的允许工作极限值,预计该火焰筒使用寿命较长.      

单、双层壁火焰筒壁面冷却效果比较试验研究

在纯气膜壁面冷却设计的单层壁短环形燃烧室试验件基础上 ,设计了局部双层壁结构 ,构成冲击 逆向对流 气膜复合冷却 ,并进行了单层壁火焰筒与双层壁火焰筒壁面冷却效果对比试验。结果表明 :相对单层壁的纯气膜冷却 ,由双层壁形成的冲击 逆向对流 气膜复合冷却方式使气膜段最高壁温下降、沿气膜流动方向壁面温度梯度减小。     

三头部燃烧室火焰筒壁面温度测试研究

为对3种不同冷却结构形式的三头部燃烧室冷却效果做出评定,采用K型铠装热电偶和示温漆技术同时对燃烧室3种火焰筒的表面温度进行试验测试研究.试验结果表明:有限的热电偶只能测试局部的火焰筒温度,难以全面反映燃烧室火焰筒冷却效果;示温漆测试技术能有效的区分出燃烧室火焰筒壁面温度及显示温度场分布,示温漆等温线判读精度可达±10℃,为燃烧室3种火焰筒冷却结构效果的评定提供了数据支撑.      

微通道传热用于火焰筒壁面冷却的性能

对微通道传热应用于航空发动机火焰筒冷却进行了探索。构造了简单微通道模型,其上下平面分别代表火焰筒内外壁面;用工程方法计算火焰筒壁面的热环境作为计算模型的边界条件,以Fluent为工具模拟微通道换热结构的冷却性能;涉及两种长径比(20,40)和三种火焰筒压降(2.0%,2.5%,3.0%)。结果表明,含有微通道换热结构的火焰筒,能以较少的冷却气量维持较低的壁面温度;冷却气流吸热后升温明显,冷量利用率可达40%;冷却气量受长径比影响显著,受火焰筒压降影响不大;火焰筒壁面沿流向的温度梯度非常大。     

钻孔式气膜冷却火焰筒壁温计算

本文以WP-7乙火焰筒为例,对钻孔式气膜冷却火焰筒壁温做数值计算 1.物理模型和热平衡方程 图1为WP-7乙火焰筒结构简图,火焰筒共有搭接焊接的5个气膜冷却段。 (1)气膜冷却腔道内的传热分析 气膜冷却空气流过图2所示的气膜冷却腔道,它是由前一气膜冷却段壁面的后部(内侧壁)和后一气膜冷却段壁面的前部(外侧壁)联结     

高温升火焰筒壁面及头部复合冷却设计分析

某燃烧室火焰筒壁面采用冲击＋逆向对流＋气膜冷却技术，火焰筒头部采用冲击＋对流冷却技术。本文通过计算并与试验结果对比分析表明：该火焰筒的冷却设计基本合理、可行，经进一步的改进和完善后。可作为高温升燃烧室火焰筒的优选设计方案之一。     

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.      

火焰筒多斜孔冷却方式壁温梯度和冷却效率试验

针对高温升燃烧室以延长其火焰筒使用寿命为目的,实验研究了多斜孔冷却方式孔排列方式、壁厚与孔径比h/d以及无量纲参数PS/d2对主燃烧室采用多斜孔冷却方式的火焰筒壁温梯度和冷却效率的影响.实验中冷却气为常温常压,主流速度u_g≈20 m/s,多斜孔内气流与主流速度比约为0.66,主流与冷却气温度比约为1.2.实验结果表明:长菱形多斜孔实验板比正菱形实验板壁温梯度小、冷却效率高;减小h/d或者增大PS/d2都可以降低壁温梯度,但同时冷却效率也会降低.      

航空发动机主燃烧室火焰筒壁冷却的研究

概述了近年来国内外航空发动机燃烧室冷却方式的发展。重点论述了火焰筒壁温预测方法、三维壁温数值计算的控制方程、贴体正交网格和壁面函数的应用、计算辐射热流的蒙特卡罗法、三维计算域处理技术以及有高温涂层的壁温计算。调研表明,壁温预测技术对于未来高温升燃烧室设计而言,是有效、经济和实用的方法,对提高燃烧室寿命、飞行安全性具有重要意义。     

菱形排列发散小孔火焰筒冷却结构数值模拟

针对先进燃烧室火焰筒壁面保护问题,对火焰筒菱形排列发散小孔进行数值研究,提出一套处理菱形排列发散小孔网格的方法。为了研究火焰筒壁面的温度分布,采用流固耦合的方法,并采用标准k-ε模型、非预混PDF模型对燃烧室性能进行计算。计算结果表明：发散小孔菱形排列在冷却效果上优于顺排排列,在总油气比为0.046的情况下,工况一最高壁温806K,温度梯度20.7K/cm,工况二最高壁温780K,温度梯度34.4K/cm,冷却结构满足了先进燃烧室在高油气比下对燃烧室壁温方面的要求。     

R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟

采用SIMPLE算法,应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率／涡耗散化学反应模型,对R011O重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致,火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。计算和对比分析的结果表明,计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。     

火焰筒壁高温区与近壁区流场的数值模拟研究

航空发动机火焰筒的大孔包括主燃孔和掺混孔,将多斜孔壁冷却方式应用到真实环形燃烧室的火焰筒壁上,运用CFD软件,通过数值模拟的方式,计算研究整个燃烧室的温度分布,特别考虑了火焰筒壁温的分布,对近壁区的流场进行计算研究。研究分析表明:内外环壁热侧大部分区域温度都保持在1 000 K～1 100 K,在材料的长期许用温度范围内;同时针对外环壁主燃孔和掺混孔附近的局部高温点,提出冷却方案,改善了近壁区的流场分布,对改善高温点起到了很好的效果,最大幅度降低达13.2%,壁面温度更加均匀,对降低热应力水平,延长火焰筒使用寿命有利。     

低性能代偿损失的环境控制系统方案研究

从集成能源子系统的概念出发,提出了一种以环控系统为核心的热能管理组合方案。建立了该组合方案在巡航模式下工作时的数学模型,对其参数匹配的方法进行了探讨。并对主要附件性能的影响进行了分析。     

火焰筒切向进气发散小孔冷却数值模拟

针对发动机燃烧室由于高温升和低污染而使可用冷却空气大量减少的技术难题,设计了一套切向进气发散小孔的单管燃烧室模型.使用热流固耦合方法,通过对Navier-Stokes(N-S)方程的求解,对其流场特性和火焰筒壁温进行了数值模拟研究.计算在三维坐标系下,采用拉格朗日法计算燃油颗粒的轨迹,非预混模型计算燃烧,离散坐标模型计...     

进气温度对航空发动机燃烧室辐射换热的影响

为了解燃烧室内火焰辐射换热特性,建立了某型航空发动机燃烧室计算模型,利用数值模拟方法,研究了不同进气温度下燃烧室内燃气温度、碳黑粒子生成及分布变化对燃烧室辐射热流量和火焰筒壁温的影响。研究结果表明：随着进气温度的升高,燃气温度升高,碳黑粒子质量分数增大,且高温区和碳黑粒子生成区均往前移;火焰筒壁温急剧升高,高温区集中在燃烧室中间段和掺混段,主燃区火焰筒壁温相对较低;辐射热流量不断增加,由3245 W增加到8674 W,辐射热流量主要受燃气辐射特性影响