中心分级燃烧室贫油熄火试验研究与数值模拟

为研究三级旋流器下中心分级燃烧室贫油熄火性能，常压下针对在不同进气速度以及旋流器几何参数下中心分级燃烧室贫油熄火特性进行了试验研究与数值模拟，获得了在一定条件下的贫油熄火规律。试验结果表明：随着进气速度增大到35m/s时,贫油熄火油气比减小至0.0070,说明进气速度对贫油熄火起重要作用;值班级旋向相反时贫油熄火油气比(A方案为0.0066，B方案为0.0071)均小于同向时(C方案为0.0078，D方案为0.0074)，且A方案最小，说明值班级旋向对贫油熄火性能有明显的影响，值班级反向时熄火特性最好，且主燃级旋向对其作用不大，最佳旋向组合为A方案，即值班级1，2级叶片旋向反向，值班级2级叶片与主燃级叶片旋向相同；值班级1，2级叶片角度增大贫油熄火油气比分别下降了将近4%和9%，其熄火特性变好。数值模拟计算结果与试验结果熄火规律变化一致。     

三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火性能试验

对三级轴向旋流器燃烧室进行了不同进口速度、进口温度、三级轴向旋流器旋向组合和空气流量分配下的贫油熄火性能试验.研究结果表明:随着进口速度、进口温度的增加,三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火油气比减小,进口温度的升高对贫油熄火性能的影响显著;相同进口速度下旋向组合为逆时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比比旋向组合为顺时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比约高50%;内旋流器空气流量的减小可使得贫油熄火油气比有所减小,但减小的幅度不大.      

双环预混旋流燃烧室点熄火性能试验研究

为了通过试验方法获得贫油点熄火边界,以双环预混旋流低污染燃烧室为研究对象,分析主燃级径向旋流器的叶片角 度、旋转方向及多斜孔壁火焰筒的冷却孔偏转角等参数对燃烧室点熄火性能的影响。结果表明：主燃级旋流器叶片角度对燃烧室的 点火性能影响不大;火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于旋向相反时的点火性能;预燃级旋 流器与主燃级旋流器旋向相反时,火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于无偏转角时的点火性 能,旋向相同时,则无明显影响;火焰筒冷却孔无偏转角时,预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反的贫油熄火性能优于旋向相同 时的贫油熄火性能。     

旋流器旋向组合对中心分级燃烧室性能的影响

针对四种不同旋向组合的旋流器,进行了常压下中心分级燃烧室在不同进气参数条件下的试验研究,获得了在试验条件下的燃烧规律。试验结果表明:值班级旋向对燃烧性能有明显的影响,主燃级旋向对燃烧有一定作用;当旋向组合为顺-逆-逆时,燃烧室贫油熄火性能比其他方案较好,贫油熄火时油气比为6.6×10-3,同时,CO,UHC排放性能及燃烧效率较优,CO排放最低达到98mg/m3,UHC排放最低达到650mg/m3,效率最高达到97.1%;但旋向为顺-逆-顺时,其出口温度分布系数(OTDF)最低为0.21,出口温度特性较好。     

头部气量分配对旋流杯结构燃烧室贫熄性能的影响

针对采用双径向旋流器的某单头部矩形燃烧室,通过实验研究旋流器及主燃孔进气量变化对燃烧室贫油熄火特性的影响,发现旋流器的进气量减少会使熄火油气比减小.其中,一级旋流器进气量减小一半可拓宽熄火边界约18%左右,对熄火油气比的影响最大.而主燃孔的进气量减少一半则会使熄火油气比增大约13.1%.不过,主燃孔以及两级旋流器的进气量同时减少一半,可能使燃烧室的熄火油气比进一步降低,从而获得更大的稳定工作范围.      

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。     

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。     

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。     

燃油周向分级对贫油熄火油气比的影响

为降低贫油熄火油气比,对双头部燃烧室进行了燃油周向分级贫油熄火模拟实验研究。实验考虑了进气速度、进气温度对贫油熄火油气比的影响。采用了三种不同长度的隔板来研究减少两个头部之间相互影响。试验结果表明:与不分级燃烧相比,燃油周向分级燃烧能够显著降低贫油熄火油气比。当燃烧室进气温度低于400K,贫油熄火油气比随燃烧室进气空气流速的上升而明显下降,当进气温度大于400K,贫油熄火油气比对燃烧室进气温度和速度不敏感;采取加在头部之间插入隔板的措施来降低燃烧室贫油熄火比,效果并不显著。      

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.      

中心分级燃烧室耦合回流区贫油熄火机理

针对中心分级模型燃烧室开展了常压贫油熄火试验和慢车状态贫油熄火试验,并结合贫油熄火时的主/预燃级耦合回流区流场数值模拟分析了该燃烧室的贫油熄火机理.结果表明:与常规燃烧室的贫油熄火机理不同,中心分级燃烧室的贫油熄火油气比是由预燃级和主燃级共同形成的耦合回流区所决定的.耦合回流区的回流量主要由主燃级回流主导,在该研究的中心分级燃烧室结构下,回流区从主燃级卷吸的气量是预燃级本身气量的4.3倍,导致按预燃级气量计算的熄火当量比达到2~2.5,远高于常规燃烧室头部的熄火当量比0.4~0.5.      

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。     

基于CFD分析改进三旋流燃烧室头部设计

利用FLUENT,对一多级旋流燃烧室的冷态单相流场进行了数值模拟,基于该流场结果,对该燃烧室头部控制油雾混合的三级涡流器唇口处进行了改进设计。并对两种方案的燃烧室在相同试验条件下进行了贫油熄火油气比、大功率工作时的冒烟指数进行了实验研究。对方案1燃烧室单相冷态流场的结果表明,该燃烧室内部流场和预想的流动组织有较大差别,三级旋流器出口的气流,迅速向径向流去,主燃区的回流区结构不明显,且二级旋流出口和三级旋流出口之间有小回流区。该流场结构解释了方案1燃烧室有很好的贫油熄火性能,但是冒烟指数较高。方案2燃烧室的流场结构,改变了三级旋流出口气流方向,消除了与二级旋流器之间的小回流区。方案2燃烧室在与方案1燃烧室相同试验条件下的实验结果表明,贫油熄火油气比性能下降了7.3%,但发动机大功率时冒烟排放指数改善了29.4%。基于数值分析的燃烧室设计,使燃烧室扩大稳定工作范围的研究取得了进展。     

中心分级低污染燃烧室贫油熄火模型

为了准确掌握中心分级燃烧室火焰稳定边界的影响因素,建立中心分级燃烧室贫油熄火边界预测模型,对中心分级燃烧室的熄火过程进行了试验与理论研究。研究获取了燃烧室结构、雾化和工况参数对燃烧室贫油熄火边界的影响规律,建立并验证了中心分级燃烧室熄火半经验预测模型。结果表明：相比反向涡流器,同向涡流器下游具有更大的回流区、更低的回流速度和更长的停留时间,从而减弱了主燃级与值班级之间的湍流交换,导致同向旋流火焰的贫油熄火性能明显优于反向旋流火焰的熄火性能。中心分级燃烧室熄火边界预测模型对单头部和全环燃烧室熄火性能预测的最大误差为20%,满足燃烧室工程设计需要。     

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.      

TAPS/MLDI低污染燃烧室油雾特性

采用粒子图像测速仪对一个带多点贫油直接喷射双环预混旋流燃烧室头部的低污染燃烧室油雾场进行了测量,试验研究不同燃油喷射方式时燃油流量变化对油雾特性的影响.结果表明:在试验工况下,粒径40μm左右的油珠数目最多,大于或小于此粒径的油珠数目都较少;单开值班级喷嘴时,随着燃油流量增加,燃油雾化变差;单开主燃级喷嘴时,增加燃油流量使燃油雾化稍有改善.同时打开值班级和主燃级喷嘴,保持油气比不变时,值班级和主燃级燃油量分配比例改变对燃油雾化特性的影响不大.      

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.     

航空发动机高温升燃烧室贫油熄火及冒烟性能研究

高温升燃烧室头部燃烧组织方案设计,以改善高温升燃烧室的贫油熄火边界及冒烟性能。该方案的特点是采用了三旋流器以及双油路复合式喷嘴,设计的主燃区油气分布相当均匀,而回流区内的油气分布是局部富油的。以常规双旋流器+双油路压力雾化喷嘴(旋流杯)燃烧室作为一个基准方案,在相同的进口实验条件下与本研究方案进行了贫油熄火和出口冒烟性能的比较。实验表明,本研究方案与常规的双旋流杯设计方案相比燃烧稳定性好及出口冒烟改善。      

不同台阶高度对中心分级燃烧室点火熄火性能的影响

设计了一种贫油燃烧中心分级燃烧室,采用单头部矩形试验件,试验研究了3种不同台阶高度对点火熄火性能的影响.试验中只有预燃级喷嘴供油工作,在常温常压、常温低压条件下进行了贫油点火试验,在常温常压、加温常压下进行了贫油熄火试验.结果表明:台阶高度越大,贫油点火边界越宽,同时贫油熄火边界越宽;进口温度的升高有助于改善贫油熄火性能,并缩小3种方案贫油熄火油气比的差距,在320~570K的进口温度范围内,贫油熄火油气比的最大差距由40%减小到13%;3种方案都具有较好的常温负压点火性能,且在0.5%~1.5%的火焰筒进出口总压降下,贫油点火油气比差异不大,最大相差不超过10%.     

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。