进气径向畸变对燃烧室性能影响研究与预测

针对燃气轮机在实际运行过程中燃烧室进口速度分布不均匀问题,采用数值模拟方法对直流环形燃烧室开展数值模拟计算,分析了不同进气速度畸变位置与畸变强度下燃烧室的流场与温度分布特性,并给出了一种畸变条件下燃烧室性能预测模型。结果表明：不同进气速度径向畸变位置与畸变强度对扩压器内和机匣前段流场形态影响较大,燃烧室空气分配比例改变,温度分布有所差异。燃烧室工况改变对空气分配比例、燃烧效率和总压损失的影响不大。进气速度畸变对燃烧效率影响不大,主要影响到总压损失的变化。随着畸变程度提高,空气分配比例变化明显,总压损失随之增大。进气畸变对燃烧室出口温度分布的影响规律较为复杂,影响程度与进气畸变的不均匀度、畸变形式和工况密切相关,变化范围为-30%～20%。在此基础上,给出了适用于进气径向畸变条件下的燃烧室部件特性预测模型,经验证预测模型的误差在3.5%以下。     

双旋流器燃烧室NOx生成研究

通过试验和数值模拟方法研究不同进口油气比与温度以及主燃孔布局变化对双旋流模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度丁以及污染物NO_x排放的影响.采用二维粒子图像测速仪(PIV)测量燃烧室内热态流场,用多点温度耙和取样管测量燃烧室出口温度T与NOx在非结构网格体系下,采用Fluent商业软件对燃烧室三维两相燃烧流场和NO_x分布进行计算.计算结果与试验数据符合较好,表明不同油气比、进气温度和主燃孔布局变化对模型燃烧室两相燃烧整体流场、出口温度T与NO_x排放都有一定的影响,并随着油气比与进气温度增加,燃烧室出口温度T与NO_x排放也相应地提高.      

主燃区出口特征影响出口温度场性能的数值研究

对不同航空发动机燃烧室主燃区出口特征下的速度分布和温度分布进行模拟,获得了不同主燃区出口特征下的出口温度场。结果表明:在均匀的主燃区出口速度分布下,燃烧室出口温度场更均匀;主燃区出口最高温度突升及温升幅度对出口温度分布系数To和径向温度分布系数Tr的影响很小;主燃区最高温度点向内、外涵靠近时,To和Tr都会迅速增大,靠近外涵时比靠近内涵时增大得快。     

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.      

吞水对回流燃烧室部件性能影响的试验

以全环回流燃烧室验件为平台,试验研究了吞水量对燃烧室进口温度、燃烧效率、燃烧室当量温升、燃烧室出口温度分布系数（OTDF）、燃烧室出口径向温度分布系数（RTDF）等燃烧室性能的影响。试验结果表明：发动机不同的工作状态,在吞水量为燃烧室进口空气流量5%的范围内,随着燃烧室吞水量的增加,燃烧室进口温度、燃烧效率、总压损失和当量温升均会降低,地面慢车燃烧效率从99.3%下降到97.2%;燃烧出口温度场品质变差,设计点状态的燃烧室出口温度分布系数值由0.23升高到0.28;地面慢车燃烧室熄火油气比由0.004 5升高到0.006 5,熄火边界缩小。     

头部及掺混孔对三级旋流器燃烧室出口温度分布影响的试验

对4种不同三级旋流器方案和两种不同掺混孔排布方案的燃烧室在不同进口速度、油气比参数下的出口温度分布进行了常压试验研究,研究结果表明:各方案的出口温度分布系数随进口速度和油气比有所变化,但变化范围不大;中间旋流器与外旋流器旋向相反时,出口温度分布更为均匀;对于两种不同的旋流数组合0.7-1-1.5和1.5-1-0.8,前者出口温度分布系数对外旋流器旋向的改变更为敏感;与方案B相比,方案A的掺混孔排布更加适合该三级旋流器燃烧室;掺混孔排布要与头部结构相匹配,这样才能优化出口温度分布.      

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%.      

某型燃烧室火焰筒的性能对比试验

为了检验某型航空发动机燃烧室国产化火焰筒的性能,在燃烧室试验台架上,采用连续气源和扇形段试验件,通过模拟燃烧室在最大工况下的工作参数,对该型燃烧室使用的原型火焰筒和国产火焰筒进行了燃烧效率特性、出口温度分布、壁温分布和贫油熄火特性对比试验.试验结果表明:两种火焰筒的燃烧效率特性相同,同一工况下的燃烧效率值接近,相差大约0.5%,国产火焰筒优于原型火焰筒;出口温度场类似,质量指标接近,出口温度分布系数和径向温度分布系数分别相差1%和1.3%,且均在合理范围之内;壁温分布相似,同一位置处最大温差为50K,国产火焰筒高于原型火焰筒;贫油熄火特性一致,在进气速度为150m/s以下,原型火焰筒优于国产火焰筒.      

回流环形燃烧室出口温度场的试验

以某涡轮风扇发动机回流环形燃烧室为研究对象,采用试验的方法,研究了不同工况下该燃烧室出口温度分布特性.部件试验结果得到了出口温度沿周向分布和径向分布特性,重点详细分析了温度沿涡轮导叶叶高的分布特性,并在此基础上提出了局部扇形区域径向温度沿叶高的分布特性这一概念来考核燃烧室出口温度品质,为燃烧室出口温度分布的评估和改进优化提供了有益的参考价值.      

燃油周向分级对贫油熄火油气比的影响

为降低贫油熄火油气比,对双头部燃烧室进行了燃油周向分级贫油熄火模拟实验研究。实验考虑了进气速度、进气温度对贫油熄火油气比的影响。采用了三种不同长度的隔板来研究减少两个头部之间相互影响。试验结果表明:与不分级燃烧相比,燃油周向分级燃烧能够显著降低贫油熄火油气比。当燃烧室进气温度低于400K,贫油熄火油气比随燃烧室进气空气流速的上升而明显下降,当进气温度大于400K,贫油熄火油气比对燃烧室进气温度和速度不敏感;采取加在头部之间插入隔板的措施来降低燃烧室贫油熄火比,效果并不显著。      

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.     

燃油脉动对温度场影响的数值研究

为了研究燃油脉动对燃烧室温度场的影响,分别对燃油脉动在均匀进口、径向速度畸变进口和周向速度畸变进口中进行了瞬态模拟,分析了燃油脉动在不同进口速度流场中对燃烧室温度场的影响。结果表明:燃烧室出口温度参数随燃油脉动变化呈现出相似的变化规律,但这种响应具有一定的滞后性;燃油脉动造成主燃孔区域燃烧不合理,使得主燃孔截面温度品质降低,出口径向温度分布系数FRTDF产生波动;燃油脉动和进口速度畸变不仅改变了燃烧室出口温度在径向和周向的分布,而且会使在叶尖和叶根处存在高温区,降低涡轮强度;燃油脉动在径向畸变进口中的影响程度最大。     

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。     

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.      

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。     

单涡/贫油驻涡燃烧室的出口温度分布试验

采用试验方法对单涡贫油驻涡燃烧室的出口温度分布的影响因素进行了研究,通过分析试验数据得到如下结论:①凹腔气量对出口温度分布影响较大.随着凹腔气量的增加,出口温度分布系数(OTDF)先增加后减小,与掺混射流的穿透深度有关.②燃油掺混温度对出口温度分布的影响也较大.当燃油掺混温度较小时,出口温度分布系数较低.随着燃油掺混温度增加,出口温度分布系数随之先增加后减小.③燃油供油量对出口温度分布也有重要影响.当燃油量增加时,出口温度分布系数随之先增加后减小.      

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.      

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.