旋向组合对小尺度三级旋流燃烧室性能的影响

为了研究小尺度三级旋流燃烧室的燃烧性能,对头部为同旋向组合和反旋向组合的四种三级旋流器的燃烧室在不同进口速度和油气比参数下的燃烧性能开展了常压试验研究。研究结果表明:从燃烧室的主要燃烧性能来看,内旋流器旋向与燃油喷嘴旋向相反时的点火性能最佳,点火油气比为0.009;三级旋流器同旋向时贫油熄火性能最好,贫油熄火油气比约为0.0033;中间旋流器反旋向时燃烧效率最高,旋向组合对出口温度分布系数的影响相对较小。     

双级径向旋流器对燃烧性能的影响

为保证航空发动机燃烧室具有良好的气动雾化性能并实现稳定、高效地燃烧,设计6种带有旋向相反的双级径向旋流器方案的单头部燃烧室,通过双级径向旋流器设计参数对燃烧性能影响的数值计算,得到不同主、副旋流器旋流数对燃烧室性能的影响规律,并进行试验验证。结果表明:数值计算与试验结果基本吻合。双级径向旋流燃烧室的燃烧效率超过99.9%,双级径向旋流器存在最佳的匹配方案,该方案使得燃烧室形成合适的回流区,并得到均匀的出口温度场。     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

旋流器结构参数对燃烧室燃烧性能影响的数值分析

采用数值分析方法研究旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室燃烧性能的影响规律,从回流区特性、燃烧室温度场、出口温度特性、NOx排放等几个方面分析了燃烧室燃烧性能。研究结果表明:旋流器值班级第一、第二级以及主燃级叶片安装角和旋向对燃烧室燃烧性能有着重要影响;最佳叶片角度方案为值班级第一级叶片45°、第二级叶片45°、主燃级叶片安装角60°;最优旋向组合为值班级第一级叶片与第二级叶片反向,第二级叶片与主燃级叶片同向。     

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.     

旋流数组合对三级旋流流场的影响

采用2D-PIV流场测试技术,试验研究了旋流数组合方案对流场特性的影响。试验针对旋向组合为“顺时针-逆时针-逆时针”的三级旋流器,测量了内级、中间级和外级旋流器旋流数分别为0.6,1.0,1.4(方案A)和1.4,1.0,0.6(方案B)两旋流数方案旋流流场。同时测试了不同来流雷诺数条件下两方案三级旋流器总压损失。试验结果表明:两旋流数组合方案均能形成较明显的中心回流区,方案B中心回流区较方案A“饱满”,方案B中心回流区回流速度大;进口雷诺数对旋流器流场中心回流区长度、尺寸有一定的影响;不同进口雷诺数条件下,方案A总压损失系数较方案B约大10%。     

旋流器旋向组合对中心分级燃烧室性能的影响

针对四种不同旋向组合的旋流器,进行了常压下中心分级燃烧室在不同进气参数条件下的试验研究,获得了在试验条件下的燃烧规律。试验结果表明:值班级旋向对燃烧性能有明显的影响,主燃级旋向对燃烧有一定作用;当旋向组合为顺-逆-逆时,燃烧室贫油熄火性能比其他方案较好,贫油熄火时油气比为6.6×10-3,同时,CO,UHC排放性能及燃烧效率较优,CO排放最低达到98mg/m3,UHC排放最低达到650mg/m3,效率最高达到97.1%;但旋向为顺-逆-顺时,其出口温度分布系数(OTDF)最低为0.21,出口温度特性较好。     

双环预混旋流燃烧室点熄火性能试验研究

为了通过试验方法获得贫油点熄火边界,以双环预混旋流低污染燃烧室为研究对象,分析主燃级径向旋流器的叶片角 度、旋转方向及多斜孔壁火焰筒的冷却孔偏转角等参数对燃烧室点熄火性能的影响。结果表明：主燃级旋流器叶片角度对燃烧室的 点火性能影响不大;火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于旋向相反时的点火性能;预燃级旋 流器与主燃级旋流器旋向相反时,火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于无偏转角时的点火性 能,旋向相同时,则无明显影响;火焰筒冷却孔无偏转角时,预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反的贫油熄火性能优于旋向相同 时的贫油熄火性能。     

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.      

双旋流驻涡燃烧室湍流燃烧流动的数值分析

提出了带导流片的双旋流驻涡燃烧室以进一步发展低排放、高效燃烧技术。改变旋流器的结构参数以及旋向,对双旋流驻涡燃烧室内部燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:增大旋流器内外径比对燃烧效率有一定影响,NO_x排放降低了约8%。旋流器中心间距对燃烧性能的影响不如内外径比的大。不同旋向下燃烧室均可获得良好的双涡结构,但反旋时下游火焰筒的高温度梯度场会对筒壁造成强烈热冲击,同旋时NO_x排放降低了约22%,因此同向旋转结构总体上要优于反向旋转结构。     

双级轴向旋流器性能评估方法（一）——综合旋流强度的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。发展建立了一种多级旋流器性能评估方法,提出了综合旋流强度和能量利用率两个准则数来对旋流器性能进行评估,研究发现,旋流强度和流阻系数是影响旋流器能量利用率的主要因素。采用数值方法研究了双级旋流之间的相互作用机理,结果表明:双级旋流器之间,一级旋流强度对回流区宽度影响较大;综合旋流强度是影响燃烧室整体性能的直接因素;当综合旋流强度小于0.43时,为弱旋流;综合旋流强度介于0.43～0.6之间时,为中等旋流,有十分弱小的回流区;当综合旋流强度大于0.6时,呈强旋流,一定会有回流区出现;当综合旋流强度大于1.03时,为非常强的旋流;综合旋流强度一定时,双级旋流能够增加收益,能量利用较好。通过与实验及数值结果比较发现,该多级旋流器性能评估方法能够对旋流器性能进行准确评估,为未来多级旋流器的设计与性能评估提供了一种实用有效的方法。      

试验研究双旋流器头部燃烧室几何参数对燃烧性能影响

试验研究不同油气比下双级旋流器的几何参数以及主燃孔布局变化,对单头部试验燃烧室出口温度分布、燃烧效率、贫油熄火极限以及污染物排放等燃烧性能的影响规律.试验结果表明:双级旋流器的几何参数(如:叶片安装角、旋流器流通面积和喉道距文氏管出口距离等)与主燃孔布局变化对燃烧室性能都有较大的影响,但随着油气比的下降,影响程度相应地减弱.      

单环腔中心分级燃烧室流场数值模拟

采用标准k-ε模型对旋流器几何参数改变给单环腔中心分级(SACS)燃烧室冷态流场带来的影响进行了数值模拟.计算结果表明,值班级旋流器旋向对SACS燃烧室流场的影响很小;分别调整三级旋流器旋流角时,外旋流器旋流角变化给SACS燃烧室流场带来的影响最大.因此,外旋流器是决定SACS燃烧室气流结构的关键因素.      

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。     

三旋流器燃烧室出口温度分布的初步试验研究

针对高温升燃烧室对出口温度分布系数降低的需求, 采用三头部矩形燃烧室, 对三种不同的三旋流器头部组合方案进行了出口温度分布的试验, 重点研究了三旋流器旋向和头部当量比对燃烧室出口温度分布的影响.出口温度的测试方法采用了燃气分析法.试验结果表明外旋流器与中间旋流器旋向相反时, 出口温度分布均匀;头部当量比小, 出口温度分布均匀.头部当量比应与旋流器旋向共同考虑, 才能优化燃烧室出口温度分布系数.      

双旋流器单头部模型燃烧室冷态流场试验

利用PIV(Particle image velocimetry)技术对双轴向反旋旋流器、单头部、矩形模型燃烧室内的冷态流场进行了试验研究.分析了燃烧室的纵向截面、横向截面上的流场结构以及旋流器参数对回流区尺寸的影响.研究结果表明:双旋流燃烧室的流场为不规则的结构,中心轴上下两个涡不对称,各主燃孔气流穿透深度也不相同,流场中存在流向涡;减小一级旋流器流通面积、旋流数,或增大二级旋流器的旋流数,可增大回流区的尺寸,而增大二级旋流器流通面积,回流区的尺寸会减小.      

双级轴向旋流器性能评估方法（二）——旋流器下游几何结构的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。通过数值模拟研究了旋流强度与旋流器下游（套筒）几何结构对于燃烧室反应流场与燃烧性能的影响规律。结果表明:当旋流强度低时,旋转气流倾向脱离套筒喉部附近的壁面,形成类似喷射的流动;套筒扩张角越大,旋流强度增幅越大;当扩张半角为30°～70°时,气流扩张角随套筒扩张半角增加而增大。研究发现:存在临界套筒扩张半角为73°,大于该临界角时,气流与套筒发生“脱体”现象。通过理论推导与数值仿真相结合的方法,发展建立了套筒出口气流扩张角估算公式。通过与实验及数值结果比较发现,该公式能够对旋流器出口近场气流发展进行准确预测,为未来旋流器的设计提供了一种实用有效的方法。      

双旋流模型燃烧室的燃烧特性

同轴双旋流进气能建立起有利于燃烧的流场,文献[1]的结果表明,同轴的内外两股旋流反向旋转时,边界层内的紊流强度和雷诺应力很高,对强化混合和燃烧有利。据文献[2]报导,用这种双旋流改装了JT-8D火焰筒,取消了火焰筒上的主燃孔与掺混孔,试验实测的慢车状态燃烧效率高达99%。表明这种燃烧室方案在燃气轮机和工业燃烧装置中有着广阔的应用前景。本文重点研究两个径向式叶片旋流器在同轴反向旋转条件下的燃烧特性,包括燃烧效率、熄火边界和出口温度场等。