采用钝体式孔板淬熄的富油-淬熄-贫油驻涡燃烧室排放性能试验研究

设计研制了采用钝体式孔板淬熄装置进行淬熄作用的富油-淬熄-贫油(Rich-quenchlean,RQL)驻涡燃烧室(Trapped-vortex Combustor,TVC)模型和试验系统,实现了富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧的分级燃烧。在常压状态下采用RP3航空煤油作为燃料开展了排放试验研究,分析并总结了当量比(包含总当量比和富油区当量比)、进口速度(马赫数)和进口温度等参数对采用钝体式孔板淬熄的RQL-TVC排放性能的影响。研究结果表明:不同进口温度或进口马赫数条件下,随着当量比的增大,氮氧化物(NOx)的排放指数(Emission Index,EI)呈现出先急剧升高,然后急剧下降并趋于平缓的趋势,在富油燃烧区当量比为1.1左右达到峰值,一氧化碳(CO)的EI值先保持平稳而后急剧下降,未燃碳氢化合物(UHC)的EI值呈现连续降低的趋势,燃烧效率持续增大,燃烧效率均高于95%,最大值达99%以上;进口温度较高或进口马赫数较小时,UHC和CO的EI值均较小,燃烧效率较高,而NOx的EI值较大,反之亦然。     

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。     

油气匹配及后体进气量对TVC燃烧性能的影响

针对一种以煤油为燃料的驻涡燃烧室（TVC）,在前期研究的基础上对其前体油气匹配进行几种结构改进,并在试验中重点进行油气匹配和后体进气量的改变对燃烧室燃烧性能的影响.针对其应用于涡轮前及涡轮间二级燃烧的前景,试验中驻涡燃烧室仅采用凹腔供油.试验结果表明,采用改进后供油蒸发管的燃烧效率比改进前提高了12%;在试验条件下,当凹腔当量比小于1.5时燃烧效率达到95%以上.各个方案在不同工况下,出口热点温度分布系数f在0.050.015之间.      

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.      

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。     

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。     

声能喷嘴供油级间驻涡燃烧室的性能试验

对一种采用声能喷嘴供油方式的级间燃烧室进行了性能试验研究.试验结果表明:当进口马赫数为0.20~0.40,燃烧室的熄火余气系数为25~35,燃烧室的稳定工作范围较宽;随余气系数增大,出口温度分布均匀性提高;燃烧效率为96%~98%,随余气系数减小,燃烧效率降低;进口马赫数对点火性能、熄火性能、出口温度分布和燃烧效率的影响较小;壁面热点温度出现在凹腔的后壁面;总压损失系数为0.03~0.11,热态时比冷态时高0.015左右; CO和NOx的排放指数分别为20~46和0.9~2.1,进口马赫数、余气系数均对污染物排放有较大影响.      

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.      

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.      

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.      

基于燃烧室多反应器模型的民用涡扇发动机排放预测

选用燃油JetA为航空燃料,建立了简化火焰锋面模型、燃烧化学平衡模型、燃烧动力学模型、燃油雾化模型、燃油蒸发模型及污染排放生成模型.采用基于燃烧室多反应器模型对发动机在不同工作状态下的排放产物NOx、未燃碳氢化合物(unburned hydrocarbons,UHC)和CO进行了计算.结果表明:燃烧室内火焰温度越高,NOx排放量越大.在发动机工作在低转速工况下时,燃油液滴的雾化直径大,造成CO与UHC排放量增加.基于燃烧室多反应器模型计算通用性强、速度快,适合与发动机性能程序相结合,在发动机设计阶段对发动机不同工作状态下的排放产物含量进行预测计算.     

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.     

基于分层和分级燃烧机理的低污染燃烧室设计和排放性能预估

保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸不变,将燃烧室分别设计为单环腔燃烧室(SAC)、双环腔燃烧室(DAC)、双环预混旋流(TAPS)燃烧室、中心分级燃烧室(CSC)和三旋流燃烧室(TSC)5种燃烧室结构,保持湍流、喷雾、燃烧、辐射及排放数理模型不变,对5种燃烧室进行三维数值模拟.对比研究了5种燃烧室的污染排放性能.结果表明:采用分级燃烧的DAC慢车状态下CO排放量最低,采用DAC在慢车状态下的CO排放量比SAC降低了近62%.采用分层燃烧的TAPS燃烧室的NOx排放量最低,采用TAPS的NOx排放量比SAC降低了近43.5%.      

驻涡燃烧室蒸发管供油装置的雾化蒸发性能试验

设计了两种适用于驻涡燃烧室的蒸发管供油装置,并通过试验研究了两种蒸发管在不同环境温度、气液比、蒸发管雾化用气温度、流速等条件下的雾化蒸发性能.试验结果表明,这些条件对蒸发管的雾化蒸发性能均有较大影响,而且不同蒸发管出口轴向位置处的雾化性能也有较大差别.比较两种蒸发管的雾化性能后,选择其中较好的一种蒸发管作为涡轮级间驻涡燃烧室的供油装置,燃烧性能试验的结果表明,采用此种蒸发管的驻涡燃烧室具有较高的燃烧效率、较宽的稳定燃烧范围和较低的壁面温度.      

航改型双环燃烧室燃烧反应特性试验

针对地面运输用燃气轮机低排放的要求，试验研究了一种双环预混旋流(TAPS)燃烧室在以0号柴油为燃料时的反应特性。结果表明:采用TAPS燃烧室由于空气分配方式的改变，总压恢复系数在0.97以上，高于经典单环燃烧室。由于柴油黏度和燃点的影响，使用柴油为燃料时最低常压点火油气比高于0.05，要比相同结构采用航空煤油为燃料时的点火油气比高，但慢车贫油熄火极限没有明显的变化，维持在0.006~0.008之间。采用压力雾化的预燃级存在燃料混合不均匀的问题，导致燃烧效率只能达到0.99，为要求值的下限，但燃烧室出口温度分布系数小于0.25，达到了所要求的性能指标。由于采用了预混预蒸发燃烧，污染物排放中NOx的干基体积分数为1.76×10-5，明显低于所要求的性能指标，但CO的干基体积分数较高达到了5.02×10-4。综合比较各项性能指标，该燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧室出口温度分布和NOx排放上表现出了一定的优势，但燃烧效率低和CO排放高还是需要解决的问题。      

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

生物柴油对双旋流燃烧室燃烧与排放性能的影响

为深入研究燃气轮机燃用生物柴油对其燃烧与排放性能的影响,将生物柴油与柴油按照不同比例进行混合,在双旋流燃烧室90°扇形试验件上进行降压模拟燃烧试验.结果表明:随油气比的增加,燃烧效率和NOx排放快速增加并趋于稳定,出口温度分布系数（OTDF）、径向分布系数（RTDF）、CO排放逐渐减小并趋于稳定;随生物柴油混合比例的增加,燃烧效率、燃烧室温升逐渐降低,OTDF和NOx排放先减小后增加,RTDF和CO排放逐渐增加.随油气比的增加,生物柴油对燃烧和排放的主要影响方面发生变化,影响程度逐渐减弱,不同油气比时存在不同的最佳生物柴油混合比例.      

贫油直喷三喷嘴模型燃烧室燃烧性能

构建了反向双旋文氏管预混(CDV)三喷嘴矩形模型燃烧室,研究了其燃烧特征及性能.结果表明:火焰近乎全蓝色,类似气体的贫预混燃烧,且在此工况下,CO和NOx换算成15%含氧量(体积分数)下排放的体积分数分别低于10×10-6和50×10-6.此外,研究了进气温度变化对CDV三喷嘴污染物排放的影响,发现CO排放相对NOx更易受到进气温度变化的影响,并分析揭示了产生该现象的原因.另外雾化器的性能极易影响贫油直喷火焰特征;需要改进雾化器的加工工艺以确保在预热工况下它能够保持持续稳定的良好雾化性能.     

AVC流动与燃烧特性分析

本文应用三维数值模拟方法,研究了应用AVC概念设计的燃烧室流动和燃烧特性。研究结果表明：AVC的总压损失系数、燃烧效率、旋涡结构和燃烧稳定性以及污染物排放,受前后钝体形成的凹腔结构内的气流喷射位置、喷射角度和主气流当量比的影响,其中受凹腔结构内的气流喷射位置影响最大。     

基于涡轮导向器增燃技术的总体性能与燃烧组织

为了使航空发动机达到高推质比、低燃油消耗率、低污染以及拓宽稳定工作范围的目标,应使用涡轮导向器增燃技术在涡轮导向器叶片间喷油点火再次燃烧,提高涡轮内燃气温度,从而提高发动机的总体性能.阐述了涡轮导向器增燃技术具有提高航空发动机总体性能的潜在优势,分析研究了该技术中组织燃烧的关键技术、参数和机理问题,得出如下结论:①对于射流旋流方案,径向凹槽对燃烧室出口温度分布起决定性作用;降低燃烧凹环内当量比,可提高燃烧效率,从而降低CO,UHC(未燃碳氢化合物),NOx等污染物排放量.②当二次气流角为60°时,射流涡流方案各项燃烧性能较好.