分级燃烧室预燃级旋流组织对点熄火性能影响的试验研究

为了有效拓宽多级旋流分级燃烧室的稳定工作边界,在模型燃烧室上开展了分级燃烧室点火和熄火特性试验研究,采用平面激光测量技术获得了燃烧室冷态流场结构和燃油浓度分布,分析了双级旋流预膜式空气雾化预燃级设计参数(两级旋流旋向、旋流强度)对流场结构、燃油浓度分布和燃烧稳定性的影响,并阐明了燃烧室点火和熄火特性与流场结构和燃油浓度分布的内在关联机制。结果表明,预燃级两级旋流反旋、适当减小内级旋流强度和增大外级旋流强度有利于改善这类分级燃烧室的点火和熄火特性。相关研究结论能够应用于分级燃烧室预膜式空气雾化预燃级设计。     

低排放燃烧室单头部和全环试验及排放预测研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性,在单头部和全环燃烧室试验件上测量了一种低排放头部方案的排放性能,研究了排放预测方法。试验结果表明：单头部和全环的UHC和NOx接近,而CO差异较大,原因是CO受边界影响较大;CO和UHC主要与最高燃烧温度相关;当仅预燃级供油时,NOx主要受最高燃烧温度控制,而当预燃级和主燃级同时供油时,NOx主要受燃烧区平均温度和分级比控制。采用经验方法研究了排放预测方法,结果表明：单头部和全环预测结果与试验结果均符合较好;采用单头部预测公式预测全环排放时,CO和NOx预测偏差较大,而UHC预测效果较好,CO偏差大是边界的影响导致,NOx偏差大是全环试验油气比和分级比范围超出单头部试验范围导致。     

中心分级燃烧室进场工况燃油分级方式试验研究

设计了一种贫头部中心分级燃烧室,在大推力发动机进场工况参数下,采用单头部矩形试验件,进行了污染排放测试试验,对比了预燃级单独供油、主预两级共同供油、全环主燃级周向分级三种方式的燃烧效率、氮氧化物(NO x)和冒烟(Smoke)排放。试验结果表明,进场工况下,设计的中心分级燃烧室采用预燃级单独供油方式时具有较高的燃烧效率,但NO x排放指数也较高,超过了指标要求;主预两级共同供油方式可获得较低的NO x排放,但燃烧效率难以达到指标;在合理的燃油分配比例下,全环主燃级周向分级方式燃烧效率和NO x排放能够同时满足指标要求;3种燃油分级方式下,冒烟数都远低于指标要求。     

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

低排放燃烧室NO_x排放试验及预测方法研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性和排放预测方法,针对一个低排放头部方案,在单头部燃烧室试验件上,在不同的温度、压力、油气比、供油模式和分级比条件下,测量其排放性能。以Lefebvre排放经验预测公式为基础,采用经验分析方法拟合排放试验数据,归纳出适用于本头部方案的排放预测公式。表征预测好坏的判定系数R2在小工况下和大工况下分别为0.95和0.93,表明预测结果与试验结果符合度较好。小工况和大工况排放特性不同,对仅预燃级喷油的小工况工作模式,NO_x排放主要受化学恰当燃烧温度和预燃级局部当量比的影响;对预燃级和主燃级同时喷油的大工况工作模式,NO_x排放主要受燃烧区温度和主燃级燃油比例的影响。     

燃料特性对燃气轮机燃烧室火焰辐射影响分析

采用数值方法研究了燃气轮机燃烧室燃料特性对火焰辐射换热的影响.在燃烧室确定油气比和进气温度时,取不同燃料特性对燃烧室的火焰辐射换热进行模拟计算.模拟结果表明:燃料物理特性影响燃油的雾化质量和蒸发效率,影响主燃区燃烧效率,引起燃气温度及分布改变;影响主燃区碳黑粒子的生成及浓度分布,引起燃气发光辐射对火焰筒壁辐射热流的变化,导致火焰筒壁温变化;燃油物理特性和H含量引起的燃气温度变化影响NO生成,主要受物理特性引起的燃烧效率的影响,H含量的影响相对较小.     

主燃级喷点数目对回流燃烧室的影响研究

为了研究主燃级周向燃油喷点数目对回流燃烧室NOx排放的影响,采用数值模拟方法对一种带有主燃级多点燃油直接喷射,贫油预混预蒸发头部的回流燃烧室流场进行研究,分析了回流燃烧室的冷态及热态流场特征和主燃级周向燃油喷点数目对NOx排放特性的影响。结果表明：（1）主燃级喷点数目对速度场的影响主要集中在主燃级出口下游,对预燃级出口速度场影响较小;（2）随周向喷点数目增加,油气掺混效果改善,高温区收缩,NOx排放量降低;（3）NOx质量分数分布受速度场和温度场耦合影响,主要集中于预燃级下游的高温低速回流区内。     

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.     

弯曲通道模拟离心条件下的主燃级和预燃级联焰试验

冲压转子发动机是冲压发动机和燃气涡轮发动机的有机结合,其结构简单。冲压转子发动机燃烧室由于其内部受到强离心力场的作用,燃烧室火焰的稳定燃烧以及传播都会受其影响。为了得到离心力场对分级燃烧中两级联焰的影响规律,本文进行了试验研究工作。针对燃烧室在强离心条件下的燃烧特点,采用弯曲通道模拟气流的离心效应。在弯曲试验段上对预燃级和主燃级进行了联焰研究,试验在常温常压条件下进行,进口气流速度范围为10~70m/s。试验中考察了离心力、燃油分级比例以及主燃级燃油喷射初始角度对联焰的影响,试验结果初步验证了燃烧方案的可行性,为冲压转子发动机燃烧室的研究奠定了基础。     

分级/预混合预蒸发贫油燃烧低污染方案NOX排放初步研究

对分级/贫油预混合预蒸发低污染燃烧方案的氮氧化物排放进行了初步试验研究,主要目的是考察贫油预混合预蒸发级降低污染排放的能力。预燃级是常规双涡流器空气雾化喷嘴,主燃级是空气雾化喷嘴雾化燃油,配装蒸发管,头部涡流器组织燃烧。燃油为RP-3航空煤油。采用单头部燃烧室,工况模拟了燃烧室进口温度(800K)、进口速度和总油气比,压力为常压。研究结果表明,旋流式贫油预混合预蒸发燃烧的主燃级有降低氮氧化物的潜力,相对于常规燃烧组织方式,能够降低NO_X排放量为60%,同时发现,燃油分级比例对NO_X降低也有很大影响。      

Experimental study on NOx emission correlation of fuel staged combustion in a LPP combustor at high pressure based on NO-chemiluminescence

Experimental investigations on NO_x emissions of a single-cup, Lean Premixed Prevaporized (LPP), module combustor were carried out at elevated inlet temperature and pressure up to 810 K and 2.0 MPa, close to the real operating conditions of aero-engine combustors. This LPP combustor adopts centrally staged fuel injections which could produce separated stratified swirling spray flame. In the NO_x emissions measurements, the ranges of dome equivalence ratio and fuel stage ratio were from 0.55 to 0.58 and 8% to 24%, respectively. The optical diagnosis on separated stratified swirling spray flame were carried out with fuel stage ratio changing from 15% to 30%. Therefore, NO* and OH* chemiluminescence images were obtained. The results show that NO_x emissions increase with the increase of the fuel stage ratio. And from the chemiluminescence images, the main flame and pilot flame are found weakly coupled. The pilot flame plays a significant role in NO_x emission production because of its higher adiabatic flame temperature. Based on the results of chemiluminescence optical tests, a new NO_x emission prediction model is proposed based on the Lefebvre’s single flame model. The estimate of local equivalence ratio of the pilot stage’s non-premixed flame is modified considering the characteristics of spray combustion, and a “PLUS” emission prediction model suitable for separated stratified swirling spray flame is obtained. Compared to the experimental data, the “PLUS” model exhibits a good prediction in a range of ±13% of deviation.     

Influence of coupled characteristics on the internally staged combustor under low power operation

An ultra low emissions combustor, namely low emission stirred swirl (LESS) combustor was studied, based on a scheme of internally staged/lean premixed and prevaporized (LPP) combustion. The LESS combustor consists of central pilot stage and outer surrounded coaxially main stage, between which there exists a physical isolation, namely the step height. The existence of step height delayed the pilot and main jets mixing. Experimental and numerical studies were carried out to investigate the influence of the step height on the combustion performance. A single dome rectangular combustor was utilized to conduct the lean lightoff and blowout experiments, and pollutant emission experiments. The experimental results showed that with the increase of step height by 38%, the lean lightoff and blowout fuel air ratio decreased by 574% and 375%, the NOx emission increased by 35.1%, and the combustion efficiency increased by 1.78%; while the CO,unburned hydrocarbons (UHC) emissions decreased. Furthermore, the total pressure loss was kept nearly constant. Non reacting and reacting flow fields were numerically investigated to analyze the coupled characteristics of pilot and main jets with different step heights. A comparison of flow characteristics, spray structure, and combustion component as well as temperature field with different step heights was conducted. The numerical results showed that the increase of the step height shifted the peak velocity outwards. The enlargement of the primary recirculation zone (PRZ) resulted in the increase of the combustion efficiency and NOx emission, while the CO, UHC emissions decreeased.      

双旋流燃烧室单头部油雾特性实验

为了获得双旋流燃烧室油雾特性,采用粒子图像测速仪（PIV）对其单头部油雾场进行测量.通过实验,获得了不同燃油流量分配、不同预燃级喷嘴位置对油雾特性的影响.在实验设计工况下所得结果表明:①直径约为80μm处的油珠体积分数最大,其他粒径的油珠体积分数都较小;②随着燃油流量增加,单开预燃级喷嘴时燃油雾化变差,单开主燃级喷嘴时雾化质量相差不大;③预燃级喷嘴位于旋流器出口处有助于改善燃油的雾化质量;④同时打开主燃级和预燃级喷嘴时,保持油气比不变,随着主燃级供油流量增加,雾化质量得到改善.      

中心分级燃烧室慢车工况油雾场特性

为获得中心分级燃烧室慢车工况下主副级油雾场特性，采用粒子图像测速仪（PIV）对单管燃烧室不同头部方案和不同喷嘴燃油比例的油雾场进行试验测量，开发了油雾场图像后处理软件，对油雾场图像进行后处理，获得了中心分级燃烧室油雾场空间分布。慢车工况下油雾场试验结果表明：大粒径油珠在燃烧室富油头部区域呈锥形分布，同时索太尔平均直径（SMD）沿径向呈V型分布，即中间小、两侧大。燃烧室头部折流板扩张角的减小，使得燃烧室富油头部区域油珠数目集中、同时平均SMD较大。保持来流条件和油气比一定时，改变燃油比例对燃烧室雾化效果影响不大。油雾场中油珠数目最多的粒径是25μm，而体积占比最大的粒径范围是30～50μm。     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

弱旋流喷嘴的污染排放和燃烧稳定性分析

基于弱旋流喷嘴(LSI)的弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力.分析了弱旋流燃烧的稳定燃烧和降低污染排放的原理,发现其特殊的流动形式及其与湍流火焰传播的匹配是决定其燃烧稳定性和污染排放的主要因素.而弱旋流喷嘴的旋流叶片角度、直径比和流量比等关键参数会影响LSI的下游流动特征,进而影响其燃烧性能.燃料对LSI燃烧稳定性和污染排放的影响主要是通过火焰传播速度和绝热火焰温度发挥作用.为了将液体燃料应用于LSI,目前主要采用了预混预蒸发的方式,试验结果表明:其NOx排放可比采用常规强旋流喷嘴的燃烧室降低10%~60%,但存在自燃和回火的风险.而LSI喷雾燃烧的方式,则需要针对弱旋流液雾燃烧开展更深入的基础研究.只有解决了液体燃料的LSI应用问题,才能发展出不同于传统强旋流燃烧的新一代航空发动机超低排放燃烧室.      

双级轴向涡流器气量分配对燃烧室点火特性的影响

为研究双级轴向涡流器一、二级气量分配对燃烧室点火特性的影响,对4种不同气量比的双级轴向涡流器进行了单头部燃烧室点火试验,同时结合燃烧室头部流场和喷嘴匹配涡流器雾化试验结果对点火试验结果进行了分析。结果表明：随着一、二级气量比由0.55增加至1.28,涡流器出口旋流数、涡流器下游回流区宽度、回流空气流量以及喷雾锥角逐渐减小;过小的一、二级气量比会导致点火状态下的燃油粒径变大;点火边界油气比随着一、二级气量比的增加呈现先减小后增加的趋势,气量比为0.85~1的方案兼顾了流场和喷雾特性,获得了相对较好的燃烧室点火性能。     

TeLESSⅡ低排放燃烧室预燃级设计对排放的影响

民用航空发动机需要满足国际民航组织（ICAO）发布的排放标准的要求,因此低排放燃烧室的研制是发动机成功研制的关键。TeLESSⅡ低排放燃烧室方案研究了在主燃级空气流动和燃油喷射模式不变情况下,成膜空气雾化和离心喷射空气雾化两类不同的预燃级空气流动和雾化组织模式在不同工况时对排放趋势变化的影响。结果表明小工况时不同预燃级的排放及燃烧效率变化趋势方向不同。大工况时两者的排放受燃油分级比影响变化趋势不同,而燃烧效率变化趋势是一致的。这说明预燃级和主燃级的组合设计改变了燃烧性能。      

航改燃气轮机环形燃烧室三维全流场数值模拟

采用数值模拟方法对燃用天然气的某型航改燃气轮机环形燃烧室进行三维流场分析。根据改型后燃气轮机的结构特点建立了真实的三维计算几何模型;计算中采用SIMPLE算法,可利用k-ε双方程湍流模型、六通量辐射模型、非绝热概率密度函数（PDF）燃烧模型及热力型NO模型对燃烧流动进行数值模拟,分析了燃气轮机环形燃烧室在3种状态下燃烧流场的性能。计算结果表明：在3种状态下的燃烧流场和燃烧性能均能达到设计状态。     

燃油喷雾对某小发环形回流燃烧室燃烧特性影响

为研究燃油喷雾特性对某小发环形回流燃烧室主燃区燃烧特性的影响,采用数值模拟的方法,对环涡形燃烧室内燃油喷嘴伸入火焰筒的深度和喷雾偏转角度对燃烧室内的三维两相喷雾、燃烧特性进行了研究。结果表明：喷嘴位置和角度的变化,会导致燃油雾化性能的变化,从而引起燃烧特性的变化;随着喷嘴伸入火焰筒的深度变短,会导致高温区变窄且靠近火焰筒外壁,深度变长则会导致主燃区高温区减小且燃烧不充分;喷雾偏转角度顺时针旋转可使燃油在主燃区燃烧得更加充分。