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.     

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.      

双环预混旋流与单、双环腔燃烧室性能对比

将中心分级的双环预混旋流(TAPS)燃烧室、单环腔燃烧室(SAC)及双环腔燃烧室(DAC)采用相同的扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸,采用相同的数理模型,对TAPS燃烧室,SAC,DAC进行三维数值模拟.对比研究了TAPS燃烧室,SAC,DAC的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放等性能参数.研究结果表明:采用TAPS燃烧室,可获得比SAC和DAC更高的总压恢复系数及燃烧效率;比SAC和DAC更低的燃烧室出口温度分布系数及NO_x等污染的排放,尤其是设计工况下出口NO_x排放.从研究结果来看中心分级的TAPS燃烧室的技术优势十分明显,是一种很有发展前景的高温升、低污染燃烧室.      

空气分配对双旋流燃烧室性能影响的试验研究

为了研究燃气轮机燃烧室主燃区和掺混区空气分配比例对燃烧室性能的影响,在双旋流环形燃烧室上进行全温全压燃烧试验研究。结果表明,随运行工况的提高,燃烧室出口温度分布系数OTDF呈现总体降低的变化趋势,出口径向温度分布系数RTDF呈现先显著降低、后缓慢升高并最终平稳的变化趋势,总压恢复系数略有增加;随着主燃区空气比例的增加,OTDF呈现先增加再降低再增加的变化趋势,并在主燃区空气比例为0.343时达到最小值;随掺混区空气比例的增加,燃烧室RTDF持续降低;主燃区和掺混区的进气比例对燃烧室的总压恢复系数几乎没有影响。     

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。     

三旋流燃烧室的数值模拟与试验

为研究三旋流高温升燃烧组织技术,借助CFD技术对三旋流单头部燃烧室进行了数值模拟,采用结构化网格生成技术、realizable k ε湍流模型、PDF（概率密度）燃烧模型等对其进行模拟计算,获得了燃烧室内流场和燃烧场分布及各方面的燃烧性能参数,同时试验研究了三旋流单头部燃烧室的火焰筒壁温、出口温度分布、燃烧效率、排气冒烟数。结果表明:三旋流燃烧室的温升高达1130K,燃烧效率超过99％,火焰筒壁温分布较好,冒烟数不高于20;所采用的数学模型合理、计算方法可行,与试验数据基本吻合,其结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。      

仅值班供油时斜流驻涡燃烧室出口温度分布特性研究

为深入了解和掌握仅值班供油时斜流驻涡燃烧室出口温度分布特性,开展了不同进气速度和油气比下燃烧室出口温度径向分布、不均匀性及出口温度分布系数（OTDF）和出口径向温度分布系数（RTDF）的研究,并结合凹腔内火焰形态分析了出口温度分布特性的变化原因。结果表明,不同进气速度和油气比下出口温度径向分布都呈现为中间高、两端低,温度峰值在0.6倍燃烧室出口高度位置处;不同进气速度下,高温区整体偏向燃烧室出口中心上方;不同油气比下,高温区主要靠近燃烧室出口中心;随进气速度增加,不均匀性、OTDF增大,高温区从燃烧室出口中心上方往中心偏移;随油气比增加,不均性减小,OTDF和RTDF基本都是先减小后缓慢上升,高温区从燃烧室出口中心下方偏移到中心上方;这与凹腔内燃烧情况息息相关,取决于燃油分布、后进气掺混作用、凹腔当地油气比和高温产物位置。     

涡流冷壁旋流燃烧室的数值模拟

为了获得涡流冷壁旋流燃烧室的双旋涡结构对其燃烧流动性能的影响规律,改变切向入口的进口速度,对其内部流场进行了数值模拟。结果表明:在燃烧工况下,双旋涡结构较冷态时更难形成;随着切向入口的进口速度增加,涡流冷壁旋流燃烧室的燃烧效率较旋流燃烧室增大2%左右,壁面温度从1200K降低至600K,出口CO2的排放量降低;双旋涡结构会增加燃烧室的总压损失,但是增加的程度很小。     

3级旋流器各级气量变化对燃烧性能的影响

为了探究中心分级燃烧室各级旋流器叶片数量与相应旋流气量变化对燃烧室性能的影响,基于高推重比和高温升的技术需求,对设计模型进行了除旋流器外分块结构化网格划分,并在ICEM软件中实现混合网格周期性边界条件设置,进行3维数值模拟。结果表明：确定最优方案的3级旋流器叶片数量分别为8、10和15。中心分级燃烧室每级旋流器流通气量随其相应旋流器叶片数量改变呈负相关变化关系;设计油气比为0.045时,中心分级燃烧室最优方案即基准型方案的温升可达1300 K,出口温度分布系数OTDF达到0.13,在性能所要求的0.10～0.15之间,出口径向温度分布系数RTDF达到0.081,在性能所要求的0.08～0.12之间;中心分级燃烧室出口截面OTDF值随火焰筒头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是“V”形,RTDF值随头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是类“V”形。     

涡轮级间燃烧室燃烧性能试验

开展了进口空气马赫数、驻涡区余气系数影响涡轮级间燃烧室燃烧性能的试验研究,获得了燃烧室性能参数的变化规律:随着进口马赫数的增大,总压损失从1.5%增加到7%,流阻系数变化不大,出口温度分布系数OTDF(overall temperature distribution factor)也相应变大;对于不同的进口马赫数,燃烧效率、OTDF随驻涡区余气系数的增大分别为降低和基本不变;燃烧效率大多在70%~85%之间;试验中得到的在燃烧室进口温度为473K时的最大贫油熄火余气系数为9.7.      

LPP低污染燃烧室单头部燃烧性能试验

对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室单头部三级旋流器进行燃烧性能试验,研究不同的油气比、进口空气流量和进口空气温度以及值班级喷嘴安装位置对燃烧室出口截面燃烧性能的影响,获得了燃烧室出口截面温度分布、燃烧效率以及污染物排放的规律.试验结果表明:①油气比增加,NOx排放相应增加;头部A燃烧性能稍优于头部B;②同一油气比下进口空气温度越高,其燃烧污染物排放越多;进口空气流量越大,污染物排放越少;③值班级喷嘴安装位置对LPP低污染燃烧室燃烧性能有一定影响.      

进口流场畸变对回流燃烧室出口温度分布的影响

为研究回流燃烧室进口气流流场畸变对出口温度分布的影响,根据压气机出口速度分布对径向和周向畸变速度分布模拟器分别进行了设计,利用数值模拟方法验证了速度分布畸变符合设计要求,并且在三头部矩形回流模型燃烧室上进行出口温度分布试验验证.试验结果表明,进口气流径向畸变和周向畸变都会使出口温度分布不均匀,出口温度分布系数(OTDF)显著提高,且周向畸变时的影响更明显.从温度分布云图及平均径向温度分布系数(RTDF)曲线图可以看出,径向畸变和周向畸变均会使燃烧室出口截面上部产生锯齿状的温度波动并呈现周期性的变化趋势,更加不均匀.      

Influence of measure-density on combustor characteristics

The apparatus of scan measurement was used to gather the temperature pattern at the combustor outlet,where the average working temperature of gas was about 1700Kand the maximum temperature was about 1 950K.Consequently,the measurement part was cooled by water or air.Usually,for intermittent measurement devices,the interval of circle angel could be changed to get a high-density temperature distribution.A continuous measurement manner was adopted to get point in circle.The angle between two measurepoints was 1.286°.The annular combustor outlet was about 40to 50mm in height,where 5or 6measure points were usually arranged.In this device,10measure points were arranged in a range of 45.5mm.Four thermocouples were arranged in circle to obtain 2 800measure-points of the temperature field in a single experiment.Data were drawn from the whole datasheet at intervals.Each group of data whose number decreased in turn,included temperature points of 2 800,1 400,700,and 350,respectively.Several groups of temperature distributions with different densities were established.Subsequently,data processing was conducted to calculate the main combustor characteristics,including arithmetic or integral average temperature,OTDF(overall temperature distribution factor)and RTDF(radial temperature distribution factor).It is found that the data from different groups with different measuring densities result in significant difference on the combustor characteristics.The veracity of temperature characteristics increases with the growing measure-density.     

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。