超高温升中心分级燃烧室设计及计算分析

针对航空发动机高推重比、高温升的需求,提出1种中心分级旋流燃烧室的设计方案。在保证与现有单环腔燃烧室(SAC)进出口尺寸、机匣尺寸限制不变的情况下,对设计模型进行了3维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果及试验结果进行了对比分析。研究结果表明:设计油气比为0.045时,设计中心分级燃烧室温升可达1356 K,出口温度分布可达0.137,出口径向温度分布可达0.096;此外,与SAC相比,中心分级燃烧室可获得更低的总压损失,更低的出口温度分布系数以及高工况下可获得更高的燃烧效率;污染排放性能表明,中心分级燃烧室在慢车点CO排放比SAC的稍高,在设计点NOx排放按g/kg燃油计比SAC的低。     

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。     

基于中心分级的高温升燃烧室性能预估

针对高推质比航空发动机高温升燃烧室的需求,提出一种中心分级燃烧室的设计方案,在保证与现有单环腔燃烧室扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸相同的情况下,对设计模型进行了三维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果及试验结果进行了对比分析.研究结果表明:采用中心分级燃烧室,在获得更高温升的同时,可获得比单环腔燃烧室更高的总压恢复系数和比单环腔燃烧室更低的燃烧室出口温度分布系数(OTDF),其慢车工况下的CO排放和NO排放略高于单环腔燃烧室;在设计总油气比为0.045的情况下,温升可达1360K,总压恢复系数大于等于0.96,OTDF小于等于0.14,出口径向温度分布系数(RTDF)小于等于0.10,燃烧效率大于等于0.987.     

高温升三旋流燃烧室与双旋流燃烧室的性能对比

采用参数化建模的方法,保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸与单环腔燃烧室(SAC)一致,将燃烧室头部旋流器从双旋流结构设计为三旋流结构,采用三维数值模拟的方法对双旋流燃烧室(DSC)和三旋流燃烧室(TSC)的流动和燃烧过程进行数值模拟.对比研究了两种燃烧室在高温升条件下的性能.结果表明:传统的DSC已不能满足油气比为0.037的高温升燃烧室的燃烧效率等性能需求,TSC可获得比DSC更高的总压恢复系数、燃烧效率以及温升,更低的出口温度分布系数(OTDF)和径向出口温度分布系数(RTDF);在油气比为0.037情况下,设计的高温升TSC总压降在5%以内;OTDF为0.162,RTDF为0.106;燃烧效率大于99%.      

单扇区、扇形、全环燃烧室热声不稳定性试验和模拟研究

贫油分级燃烧室在单扇区、扇形、全环燃烧室试验台上均会发生自激周期性燃烧不稳定现象,但振荡模态和频率存在差异。为研究这一差异并建立三者之间的联系,同时验证热声不稳定性模拟方法,对三种试验台的燃烧不稳定性进行了试验和数值模拟研究,获得了不同试验台的振荡特性,并对数值模拟和试验结果进行了对比。结果表明:全环燃烧室存在两个失稳模态,扇形燃烧室只存在一个失稳模态,单扇区燃烧室也只存在一个失稳模态;单扇区、扇形燃烧室可以反映全环燃烧室中其中一个失稳模态,而无法反映全环燃烧室的另外一个失稳模态;三维有限元热声模拟方法准确预测了三种不同试验台的燃烧稳定性,预测的无量纲失稳频率与试验结果一致,误差在2%以内。      

高温升旋流燃烧室性能的数值分析

为了研究高温升燃烧室,采用数值研究的方法,对所设计的高温升多级旋流燃烧室和中心分级燃烧室与现有的单环腔燃烧室(SAC,原设计油气比为0.027)在设计油气比0.037条件下进行分析。研究结果表明:多旋流和中心分级的设计方案均可获得理想的燃烧性能参数,出口温度分布系数(OTDF)分别达到0.138和0.16,满足高温升燃烧室的设计指标,而SAC燃烧性能急剧恶化,不能满足设计指标。其中,中心分级燃烧室的技术优势十分明显,显示出作为高温升高热容燃烧室的发展前景;多旋流燃烧室则兼具高温升和低排放两方面优势。     

高温升多旋流燃烧室的数值分析

为了探索高推重比航空发动机可能用到的燃烧组织方式,基于燃烧室空气分级技术,对高温升多旋流燃烧室展开研究。在保证与某型单环腔燃烧室(SAC)扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸和边界条件等相同的基础上,对设计模型进行3维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果和试验结果进行对比分析。研究结果表明:在设计油气比为0.037的情况下,采用多旋流的设计方案,温升达到1153 K,出口温度分布系数达到0.170,同时可获得理想的性能参数,满足高温升燃烧室的设计指标。     

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%.      

基于单扇区燃烧室试验的热声模拟方法研究及验证

利用自主开发的热声网络模型研究了不同试验工况、出口边界条件、入口测量段长度对单扇区燃烧室试验台燃烧不稳定性的影响,并与试验结果进行了对比分析.结果表明:声学网络模型准确预测了不同试验工况的失稳频率.预测失稳频率与试验失稳频率相差±10 Hz以内,误差在2％以内.前期单扇区燃烧室试验表明,当入口测量段为0.4 m时,发生...     

低压模化对燃气轮机燃烧室工作特性影响的数值分析

为研究低压模化对于燃气轮机燃烧室工作特性的影响,采用ANSYS软件的FLUENT模块,对燃烧室在低压模化以及低压1/3尺寸模化条件下的燃气轮机燃烧室分别进行数值模拟研究,并与在全压条件下的燃烧室计算结果进行对比分析。计算结果表明:在低压模化条件下,燃烧室的流线形态与全压下基本相同;由于压力对于化学反应平衡的影响,在低压条件下燃烧室的壁温相比在全压下的平均降低70~100 K,其出口温度场指标比在全压下的更好;由于受燃烧室入口空气压力的影响,在低压条件下燃烧室的燃烧效率和流阻损失均比在全压下的低;另外,由燃烧室压力和尺寸的变化引起的燃烧室内温度分布变化,造成NO源分布的不同及燃烧室内NO的生成速率发生巨大变化,导致燃烧室NOx的排放水平不同,并验证了压力指数。其计算结果可为燃气轮机燃烧室的低压和常压模化试验提供参考。