基于涡轮导向器增燃技术的总体性能与燃烧组织

为了使航空发动机达到高推质比、低燃油消耗率、低污染以及拓宽稳定工作范围的目标,应使用涡轮导向器增燃技术在涡轮导向器叶片间喷油点火再次燃烧,提高涡轮内燃气温度,从而提高发动机的总体性能.阐述了涡轮导向器增燃技术具有提高航空发动机总体性能的潜在优势,分析研究了该技术中组织燃烧的关键技术、参数和机理问题,得出如下结论:①对于射流旋流方案,径向凹槽对燃烧室出口温度分布起决定性作用;降低燃烧凹环内当量比,可提高燃烧效率,从而降低CO,UHC(未燃碳氢化合物),NOx等污染物排放量.②当二次气流角为60°时,射流涡流方案各项燃烧性能较好.     

工况变化对涡轮燃烧射流涡流技术方案的影响

选取二次射流流量变化和环境压力变化的工况条件,对涡轮燃烧射流涡流方案的影响进行研究。其中,二次射流流量变化时,环境压力保持101 325 Pa不变;环境压力变化时,二次射流流量保持0.014 kg/s不变。采用基于压力的隐式稳态求解器模拟涡轮内增燃燃烧室的流动与燃烧过程,并在模拟过程中应用尺度适应模拟湍流模型(SAS)。研究表明:随着二次射流流量的增加,射流涡流燃烧室内温度分布均匀化、总压损失增加、燃烧效率提高、污染物降低;随着环境压力的增大,射流涡流燃烧室内温度分布不受影响,但总压损失降低、燃烧效率提高、污染物降低。     

应用射流涡流燃烧结构方案的高压涡轮导向器性能分析与研究

采用两大类模型,对应用射流涡流燃烧结构方案的高压涡轮导向器性能进行数值模拟研究。利用基于压力的隐式稳态求解器以及尺度适应模拟湍流模型(SAS),完成了涡轮内增燃燃烧室内的流动与燃烧过程的数值模拟。研究结果表明:无论是在高压涡轮导向器顶部还是在底部耦合驻涡凹腔,对导向器叶间流场形态、流体流动转折角、导向器叶间静压力场的形态以及分布、总压损失均无明显影响,维持了原有导向器的基本性能;高压涡轮导向器耦合射流涡流燃烧结构,增加了涡轮叶片叶间的平均温度以及涡轮导向器出口的平均温度。     

1种涡轮叶间补燃室的数值研究

为提高燃气涡轮发动机性能,将UCC技术应用在低压涡轮导向器上,建立低压涡轮导向叶片补燃室（TurbineInter-vaneBurners,TIB）模型。通过改变燃烧室结构,设计了3种涡轮叶间补燃室模型,利用计算流体力学软件FLUENT对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟,采用CFD的方法,分析燃烧室的燃烧和流动特性。结果表明：3种结构的涡轮叶间补燃室均提高了燃烧效率,选择的数学模型合理、计算方法可行,其结果可为涡轮叶间补燃室设计提供参考。     

带不同凹腔结构涡轮问燃烧室数值模拟

为了提高航空燃气涡轮发动机的推进效率和满足低排放的要求,提出了1种基于涡轮内补燃增推循环的超紧凑燃烧室──涡轮间燃烧室。建立了3种带不同轴向凹腔(AC)结构的TIB模型,比较了3种模型的流动性能和燃烧性能。计算结果表明:TIB的燃烧效率高达99.3%,AC结构的改变对燃烧效率影响较小,但对温度场分布影响较大。     

射流角度对M-TIB燃烧性能影响分析

为了研究主燃(MB)-涡轮叶间补燃(TIB)一体化燃烧室(M-TIB)中燃烧环二次射流角度对燃烧性能的影响,设计了3种燃烧环二次射流角度组合分别为40°&40°,45°&55°以及50°&50°的M-TIB模型.利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型和离散相模型对M-TIB的流动和燃烧进行数值模拟.研究结果表明:适当增大燃烧环二次射流角度,可以强化M-TIB内部气流的掺混,改善速度分布,提高出口速度,减少污染物排放.     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器,并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下,应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究,实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量,获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构,形成回流区;流场旋流作用强,横截面流场存在顺时针大涡;主燃孔射流和掺混孔射流作用明显,射流穿透深度较大,对流场结构影响显著;高温高压状态下,流场结构与常温中压状态类似.      

基于涡流发生器原理的先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了研究基于涡流发生器(VG)射流原理的先进旋涡燃烧室(AVC)燃烧及流动性能,对不同射流参数(射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比R)时燃烧流场进行了数值模拟。结果表明,基于涡流发生器射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β,可以提高燃气掺混率,增大凹腔中心湍流度,并使更多的热能转化为燃烧室出口动能,但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大,燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°,β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。     

二次气射流角对涡轮叶问燃烧室的影响研究

为研究二次气射流角对涡轮叶间燃烧室的影响,设计了3种带有不同二次气射流角的涡轮叶间燃烧室模型,利用FLUENT软件的Realizablek-8湍流模型、PDF燃烧模型、D0辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动和燃烧进行数值模拟。结果表明：涡轮叶间燃烧室具有高效率（99.2％）的特点,增大二次气射流角可使切向动量分量增加、油滴蒸发变慢、出口温度场分布不均匀、总压损失增加。     

富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(RQL)燃烧室燃烧中间组分及火焰结构特征研究

为了研究主燃孔结构对RQL燃烧室燃烧中间组分及火焰结构特征的影响,在常温、常压及总油气比为0.032的状态下,保持掺混孔结构、主燃孔轴向位置和总面积不变,利用CH基和OH基自发辐射成像技术对采用三种不同结构主燃孔的RQL燃烧室燃烧中间组分进行试验研究。研究结果表明:在燃烧室工作状态不变的条件下,主燃孔结构的改变不会影响火焰的初始扩张角度。OH*和CH*反应了不同的油气比区域,且OH*的起始边界和截止边界较CH*滞后约4～8mm。同时结合两者的分布特征、面积及其标准差可以从宏观上反应出燃烧室的油气比变化历程、气流快速混合效果及化学反应剧烈程度。采用三种主燃孔结构均实现了富油-淬熄-贫油的燃烧过程,但主燃孔结构及单孔射流动量对燃烧室内气流混合和油气分布具有很大的影响。主燃孔采用交错排列及增大部分单孔射流动量,能有效地促进燃烧室内气流的快速混合,并在快速混合的同时伴随着强烈的化学反应过程。采用主燃孔相对排列时,减小单孔面积同时增加孔数虽然略微提高了气流的混合效果,但会造成全局化学反应强度的降低。     

带旋流杯的模型回流燃烧室主燃孔射流研究

实验研究了带轴径向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型回流燃烧室在工作压力为300 kPa, 燃烧室压力损失为2.5%时主燃孔射流的特点以及其对燃烧室流场的影响.结果表明, 回流式燃烧室内外壁主燃孔射流进气方向与顺流式燃烧室不同, 即内壁主燃孔射流向流动方向下游倾斜, 外壁主燃孔射流向流动方向上游倾斜;主燃孔射流穿透深度很大, 几乎能穿透到对面火焰筒壁;中心回流区长度明显缩短, 其长度L与旋流杯出口直径D的比值(L/D)约为0.5, 而常规的顺流式燃烧室的L/D约为1.3.      

基于直扩流道构型的RBCC发动机亚燃模态高效燃烧组织研究

针对支板喷注煤油和一次火箭引导燃烧的RBCC发动机,在亚燃模态下的高效燃烧组织和性能开展了实验研究和数值分析.实验验证了在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭产生的高温射流作为引导火焰,可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和高效稳定燃烧.通过数值模拟获得了燃烧室的详细流场特征和燃烧组织细节,分析表明支板后方集中的燃料热释放可形成扩张燃烧室流道中的“热力壅塞”;通过热力喉道的控制,实现了在直扩流道内的高效燃烧.研究表明:发动机在亚燃模态下燃烧组织应尽可能地使热力喉道处于燃烧室较后位置,使燃料在燃烧室高压区内充分燃烧释热,从而提高其燃烧效率.论文还研究了燃料支板喷注位置的影响,进一步开展RBCC发动机亚燃模态性能的优化.     

双旋流燃烧室主燃区流动特性PIV测量和分析

针对采用斜切径向双级旋流器的环形燃烧室单头部矩形模型,利用非接触式测量方法粒子成像测速仪(PIV)测量了主燃区的300K冷态速度场。采用Realizableκ-?湍流模型和稳态层流火焰面燃烧模型对燃烧室的冷流和燃烧流场进行数值模拟,得到燃烧室流场的速度分布和流场结构,并与试验测量数据进行对比验证。结果表明:瞬态流场结构变化剧烈,旋流和主燃射流的边界形成大量小尺度漩涡结构,回流区具有强烈的搅拌作用,回流区下游滞止点位置是随机变化的;反向旋流器比同向旋流器产生的回流区尺寸更小,燃烧状态的回流区尺寸比冷流的小,但主要受火焰筒壁面和主燃射流的约束;外旋流在距离头部5mm距离内控制内旋流,保持旋向相同;燃烧增大主燃射流穿透深度,改变流场的对称性。     

基于气化煤油喷注的RBCC燃烧室亚燃模态燃烧组织研究

针对RBCC发动机亚燃模态进行主动冷却的情况下,煤油发生气化后喷入燃烧室的燃烧组织开展研究。在亚燃模态低来流总温条件下,使用小流量富燃一次火箭高温射流作为引导火焰可以实现支板喷注二次燃料的可靠点火和稳定燃烧,当煤油喷注前加热到气化/超临界态时,燃烧室最高压力相比于室温液态煤油提高约10%左右。当关闭一次火箭后,利用凹腔成功实现火焰稳定,而使用室温液态煤油喷注时,凹腔内无法实现火焰稳定。通过数值模拟获得了不同喷注方案的燃烧室燃烧流场特征和燃烧组织过程,为进一步优化燃烧室的性能提供依据。结果分析表明通过合理布置燃料支板喷注位置,由燃料支板下游集中的燃料热释放使得气流在扩张燃烧室构型中实现"热力壅塞",通过燃料分配实现燃烧室内合理的燃烧释热分布,使RBCC发动机亚燃模态完成高效燃烧组织。     

航空发动机新型补燃增推燃烧室的现状与发展

涡轮后框架一体化加力燃烧室（简称涡轮后框架燃烧室）和涡轮间燃烧室均是为了提高推进效率和降低耗油率而新近开发和验证的2种先进补燃增推燃烧室。综述了2种燃烧室的基本结构、研制背景、发展历程和目前研究进展,总结了从众多研究中获得的这2种燃烧室相对常规结构的性能特点,如涡轮后框架燃烧室结构紧凑,流体损失小,结构耐久性好;涡轮间燃烧室推进效率高,热效率高。还指示了这2种燃烧室的发展趋势。     

主燃孔位置对基于RQL高温升燃烧室流动与燃烧特性影响的数值模拟

为将富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）用于高温升燃烧室设计，以实现温升与排放的良好统一，对不同主燃孔位置下 的单头部矩形燃烧室流动、淬熄区气流混合、燃烧和排放特性进行数值模拟。结果表明：燃烧室中心回流区的长度和高度随着主 燃孔轴向距离的增大而增大。随着主燃孔轴向距离的增大，主燃孔射流深度增加，射流角度逐渐向下游偏转，导致淬熄区内气流 的混合效果减弱；随着主燃孔位置的后移，富油区内的当量比显著增大，导致CO和碳烟的生成量迅速增加，淬熄区内的沿程高温 区域面积逐渐缩小，燃烧效率逐渐降低。当X/H=0.7时，燃烧室沿程NO生成量始终处在较大值；而当X/H=0.9时，燃烧室沿程NO 生成量始终处于较小值，但CO的生成量增大。     

气体涡轮燃烧室流动与燃烧三维数值模拟

用三维湍流N -S方程和单步快速不可逆化学反应描述涡轮燃烧室内的流动与燃烧过程。采用非交错网格中的SIMPLE算法求解控制方程并对涡轮燃烧室内的流动与燃烧过程进行三维数值模拟 ,得到了有代表性的圆筒形燃烧室内燃气参数的详细分布情况。模拟结果表明 :对圆筒形涡轮燃烧室内的流动和燃烧而言 ,预计结果与测量结果趋势相同。本文是研究涡轮燃烧室的初步尝试     

超紧凑燃烧室的超重力旋转流动特性

航空燃气轮机超紧凑燃烧室所产生的超重力旋转流能极大强化传热传质和燃烧化学反应速率,而超重力旋转流特性对强化热质传递过程和燃烧稳定性有重要影响。以试验室 UCC 燃烧室的设计模型为研究对象,用 Realizable k -ε湍流模型模拟高速旋转湍流。改变周向布置的二次空气射流条件,采用数值仿真研究了超紧凑型燃烧室旋转流动的流速分布、超重力效应、湍流动能局部突变效应、轴向加速效应、和速度径向迁移效应等气动性能和雾化燃油颗粒行为。二次射流对UCC 凹腔内涡轮间通道内的气动性能影响较大,但不在同工况下有各自的相似性。二次射流对涡轮间径向速度影响不大。燃油液雾散布具有环带形的斜向高斯分布特性。研究结果与相关试验有相同规律,对 UCC 燃烧室的设计分析和应用有参考价值。     

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率,本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器,并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变,增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况;2）在内、外张角相同的条件下,通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率;3）相对于非反应流动,波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高,沿径向向外移动的速度也更快;4）带有波瓣结构的燃烧室内,因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小,80%以上的总压损失是由加热造成的。     

航空发动机环管燃烧室喷雾燃烧性能研究

为研究某型航空发动机环管燃烧室喷雾燃烧性能,建立了该燃烧室计算模型,并利用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)试验测得了不同供油压力下的喷嘴雾化粒度和喷雾锥角。根据试验结果,利用Fluent软件,对装有该喷嘴的环管燃烧室进行了数值模拟。结果表明:燃烧室内油气掺混均匀,雾化质量高,头部形成了良好的回流区;燃烧集中在主燃孔附近,火焰筒壁受热均匀,火焰较短;出口燃气温度分布合理、呈抛物线形,没有出现局部高温,满足涡轮进气要求,有利涡轮寿命。