弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

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%.      

空气引射式燃烧室的无焰燃烧特性分析

进一步降低燃气轮机的污染物排放就必须采用新的燃烧技术.设计的空气引射式模型燃烧室内部具有新的燃烧组织方式.火焰筒头部用非旋流高速空气引射机匣内的预热空气进行助燃,机匣内的其余冷却空气经火焰筒壁面换热后由尾部稀释孔射出,实现出口的混合调温调质.用CFD数值方法研究了模型燃烧室的无焰燃烧特性.研究结果表明新型燃烧室的各项燃烧性能优良,NOx排放远低于常规燃烧室.对低污染燃烧室设计有工程应用价值.     

合成气旋流预混燃烧的大涡模拟

如何高效洁净地燃烧合成气是整体煤气化联合循环(IGcc)系统中面临的主要问题.利用旋流贫燃预混燃烧可以达到强化传热传质,提高燃烧反应效率,降低NOx等目的,但由于合成气中所含有的H2成分,同样面临燃烧不稳定问题.为了对合成气旋流预混燃烧室的燃烧不稳定性及污染物排放提供理论和数值上的指导,采用大涡模拟方法,对典型的旋流预混燃烧室中的合成气燃烧进行了模拟.结果显示,随着H2含量的增加,火焰缩短向上游发展,燃烧室下游涡破碎更加集中.较高的入口雷诺数,加剧了涡团破碎的程度和速度,同时影响中心回流区和几何回流区的大小及分布.随着当量比的减小,火焰褶皱程度加大,燃烧趋向不稳定.增大压力火焰长度会明显缩短,NOx排放量也会随之增大,但NOx的反应速率只有在较低压力下才会对压力变化比较敏感.     

中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.0038增大到0.0067;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.0061减小到0.0051.      

旋流器结构对贫油直喷燃烧室的性能影响

针对单元贫油直喷(LDI)喷嘴的旋流器设计问题,实验研究了旋流器结构变化(改变旋流器级数、双旋流器旋向及混合段收缩角等)对燃烧室总压损失、燃烧效率以及污染物排放等性能的影响规律.结果表明:旋流器结构变化对燃烧室性能有很大影响.同向双旋流燃烧室总压损失大于与之相同计算旋流数的单级旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室总压损失略低于同向双旋流燃烧室,燃烧室总压损失随收缩角增大而呈增大趋势.相较单级旋流燃烧室和同向双旋流燃烧室,反向双旋流燃烧室在不同贫油气比工况下均具有更高的燃烧效率和更低的污染物排放.另外,燃烧效率及污染物排放受收缩角的影响.最佳收缩角角度的选取需要综合权衡总压损失、燃烧效率及污染物排放水平.     

单头部模型燃烧室燃烧组织及NOx排放

采用光学诊断与三维数值模拟结合的方式,研究了中心分级贫油预混预蒸发模型燃烧室燃烧组织与NOx生成特征。试验测量了模型燃烧室流速、燃油、OH和NO组分浓度分布。通过与试验结果对比,采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的方法对流场的预测误差为13.9%,喷雾张角预测误差为6.0%,预测的OH和NO组分分布特征与试验测量结果基本一致。数值结果表明,在单头部模型燃烧室中,主、预燃级火焰以弱耦合的方式组织燃烧,且大部分NO在预燃级高温区域生成。燃油分级比的变化（0.15～0.30）不影响燃烧室流动与火焰分布特征,但对燃烧室出口NOx生成量有一定影响,NOx生成量随着分级比增大而减少。     

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。      

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.      

旋流杯设计参数对燃烧性能的影响

通过三维数值模拟和试验相结合的方法,针对航空发动机主燃烧室开展了火焰筒头部旋流杯设计参数对燃烧室性能影响的研究,其关键设计参数为副旋流器相对进气量和旋流数,关注的燃烧性能包括出口温度场分布、NOx排放量等.结果表明:数值计算获得的规律与试验的结论基本一致.随着副旋流器相对进气量的增加,主燃烧室出口温度场逐渐恶化,而NOx排放量略有降低;副旋流器旋流数偏离基准设计值时,出口温度场恶化,而NOx排放量随旋流数的增加而增加.     

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。     

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.      

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.     

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。     

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。     

超声波/离心组合喷嘴性能研究

采用试验研究方法初步探索了一种超声波/离心组合喷嘴应用于航空发动机燃烧室的可行性.对该组合喷嘴开展冷态试验,得到了其流量特性和雾化特性(包括油雾索太尔平均直径(SMD)和雾化锥角),设计加工了横截面尺寸为117mm×60mm的单头部矩形燃烧室模型,并在不同进口条件下开展了相关的燃烧性能试验.结果表明:在冷态情况下,喷嘴流量特性符合传统离心喷嘴的流量特性,流量与供油压差呈二次函数关系;喷嘴雾化细度较好,无气状态下,油雾SMD在38~45μm之间变化,在满足产生超声波要求的气压条件范围内油雾SMD在8~12μm之间变化;喷雾锥角主要受供气条件影响,供油压力对喷雾锥角基本无影响;装有该喷嘴的模型燃烧室在所有试验工况下均可以稳定燃烧,燃烧效率最高达到99%.      

超燃冲压发动机支板喷射燃料的燃烧过程试验

利用高速摄影和高速纹影对超燃冲压发动机支板喷注燃料的燃烧流动过程进行了试验研究,结果表明:燃料喷注器与火焰稳定器之间的相对位置,对流场的火焰结构和发动机性能有较大的影响,支板侧喷较尾喷方案具有更好的燃烧效果.燃烧与流动强烈耦合,燃烧放热使得燃烧室压力升高,改变了上游来流流场结构,流场结构的改变同时又影响到了燃料的喷注、扩散和混合过程.      

基于先锋氢点火和双凹腔火焰稳定的煤油超声速燃烧特性

采用先锋氢火焰点火方式和串联双凹腔火焰稳定机制,开展了模拟飞行马赫数4.0纯净空气条件下液态煤油燃料超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的试验研究。典型的燃烧室进口来流状态为马赫数2.0,总温约815K,总压700～800kPa。试验中上游凹腔采用喷油/点火一体化设计并几何结构保持恒定,分别研究了下游凹腔深度10mm,12.5mm和15mm时对煤油超声速点火、火焰稳定和燃烧特性的影响;此外,通过串联双凹腔沿轴向后移及间距拉大,研究了其对煤油超声速燃烧特性的影响。试验结果表明:(1)采用先锋氢辅以火花塞点火方式可以可靠实现煤油燃料超声速点火,并最终实现自持稳定燃烧。(2)下游凹腔起到了很好的火焰稳定器作用,增大凹腔深度可以有效地增强火焰稳定性能,同时扩展火焰稳定的油气比范围。(3)双凹腔后移使得主燃烧区向下游移动,在相同油气比条件下有效缓解燃烧诱导压升对上游隔离段的扰动。     

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。