航空发动机高温升燃烧室贫油熄火及冒烟性能研究

高温升燃烧室头部燃烧组织方案设计,以改善高温升燃烧室的贫油熄火边界及冒烟性能。该方案的特点是采用了三旋流器以及双油路复合式喷嘴,设计的主燃区油气分布相当均匀,而回流区内的油气分布是局部富油的。以常规双旋流器+双油路压力雾化喷嘴(旋流杯)燃烧室作为一个基准方案,在相同的进口实验条件下与本研究方案进行了贫油熄火和出口冒烟性能的比较。实验表明,本研究方案与常规的双旋流杯设计方案相比燃烧稳定性好及出口冒烟改善。      

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.      

中心分级贫油直喷燃烧室冷态流场特性

为了研究中心分级贫油直喷燃烧室冷态流场特性及头部结构参数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对不同结构参数下的冷态流场开展对比研究,并对基准方案进行了试验验证。结果表明：副模收敛角度以及喷嘴轴向位置对回流区影响较小,副模旋流叶片角度以及主副模头部径向间距对回流区影响较大。随着副模旋流叶片角度增大,副模出口旋流加强,引起出口气流张角增大,使得中心回流区体积扩大;随着主副模头部径向间距增加,削弱了主副模出口气流在切向方向上的相互影响,主模出口气流得以充分发展,中心回流区体积扩大。     

预燃级旋流数对双环腔燃烧室流场的影响

采用数值仿真方法,研究了双环腔燃烧室预燃级不同旋流数下的冷态流场和油雾场。结果表明：在旋流器出口会形成2个旋涡,在离旋流器出口较远处受主燃孔射流和中心隔离环射流影响也会形成1个旋涡。随着旋流数增大,流量系数减小,气流的回流速度及回流量增大,燃油雾化质量改善,从而改善点火性能和小工况燃烧性能;回流区长度基本一致,但回流区径向尺寸增大,旋流器出口燃油质量分数增大,但离旋流器出口60 mm处的燃油质量分数减小。受冷态流场3涡结构影响,存在1个最佳旋流数使得点火电嘴位置处油气比最佳。     

弱旋流对LPP燃烧室下游流场影响的数值研究

为了解弱旋流燃烧下游的流场特性及其对贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的影响,采用数值模拟方法,对6种不同旋流器流道特征的弱旋流燃烧室三维冷态流场进行数值模拟。结果表明,旋流器流道特征对下游流场特性产生较大影响,不同叶片通道的旋流器下游中心回流区的形状、尺度、速度梯度和全流场速度分布均呈现出不同特征。主模旋流器旋流数低于0.51时,中心回流区基本相同且尺度较小,主要由副模旋流控制;主模旋流器旋流数增至0.59时,旋流器下游形成了由主模旋流控制的更大的中心回流区。     

高温升燃烧室流动与贫油熄火过程的影响规律

为了研究高温升燃烧室在冷态和燃烧状态下的流动差异及其对贫油熄火过程的影响规律,采用粒子图像测速法（PIV）和高速相机对2种状态下流场结构及贫油熄火过程进行测量。结果表明：主燃孔和掺混孔射流与头部旋流存在相互作用,使得燃烧室流动处于自模化状态,其流场结构不随压损的改变而变化,但速度值随着压损的增大而提高;当量比的变化不会影响在燃烧状态下的流场结构,但影响速度值,且燃油喷射对头部流场存在一定影响;在冷态和燃烧状态下流场结构的差异最主要体现在局部回流区和气流速度上,燃烧状态下的轴向正速度约为冷态时的5～7倍,径向速度约为10倍;气流的流动方式对贫油熄火过程影响显著,在局部漩涡和垂直气流作用的区域火焰首先熄灭。     

采用flamelet模型分析旋流杯燃烧室近贫油熄火点

针对进口温度388 K不变,不同进气速度下对旋流杯燃烧室常压模化实验得到的贫油熄火油气比数据,采用带有详细化学机理的非预混flamelet燃烧模型进行数值模拟,对近贫油熄火点的局部热态流场进行了分析.结果表明:近贫油熄火点时刻,随着油气比的下降,回流涡旋中心和高温度区分离,回流区内气流温度下降,着火点后移,点火距离增加;进气速度的增加和燃油流量的下降,使得回流区回流量增加,回流涡旋中心两侧温差加大,而着火点更靠后,增加了对这种变化的耐受性.      

贫油预混预蒸发低污染燃烧室头部流场研究

 通过数值与试验相结合的方法对一种带有多点燃油直接喷射/双环预混旋流(TAPS/MLDI) 燃烧室头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室冷态流场进行研究。采用粒子图像测速仪(PIV)试验研究不同火焰筒头部结构参数(值班级旋流器叶片安装角) 对LPP低污染燃烧室气流结构的影响。同时利用FLUENT软件对该低污染燃烧室进行数值模拟,所得的计算结果与试验数据比较吻合,表明所研究的LPP低污染燃烧室头部都存在中心回流区(PRZ)、角落回流区(CRZ)以及唇口回流区(LRZ),而且随着值班级旋流器旋流角度的增大,所得的中心回流区径向与轴向尺寸也相应增加。     

三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火性能试验

对三级轴向旋流器燃烧室进行了不同进口速度、进口温度、三级轴向旋流器旋向组合和空气流量分配下的贫油熄火性能试验.研究结果表明:随着进口速度、进口温度的增加,三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火油气比减小,进口温度的升高对贫油熄火性能的影响显著;相同进口速度下旋向组合为逆时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比比旋向组合为顺时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比约高50%;内旋流器空气流量的减小可使得贫油熄火油气比有所减小,但减小的幅度不大.      

基于PIV 技术的双旋流燃烧室冷态流场测量

为了掌握双旋流燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对双旋流、低排放燃烧室的冷态流场进行测量。并对流场在不同供气压降、不同测量截面上的分布特性进行试验研究。结果表明:随着进气速度的增大,回流区的面积及回流强度有所增加,回流区长度变长,燃烧室头部气流更稳定,燃烧效率更高。随着距旋流器出口距离的增加,截面上环形流场的强度有所减弱。研究结果为进一步研究利用多级旋流器实现燃烧室内稳定燃烧并降低排放提供了重要依据。     

三旋流器加装外套环对燃烧性能的影响

对带有两种不同头部结构（基准型为方案1,头部加装外套环为方案2）的三旋流单头部燃烧室进行了研究,对有两种头部结构的燃烧室进行了流场和燃烧场的数值模拟,在相同的进口试验条件下,用燃气分析法和15点测温耙分别测量了两种头部的燃烧效率、出口冒烟数和出口温度场.结果表明:三旋流器的燃烧效率超过了99.7%,加装外套环后其流场、温度场分布均较基准型有所改善,回流区更加饱满,油气混合和燃油雾化效果增强,出口温度分布系数（OTDF）和出口冒烟数分别降低了36%和25%.      

低旋流中心分级燃烧室流场特性研究

为了研究新设计的一种低旋流中心分级燃烧室流场特性,采用数值模拟和PIV试验结合的方法,针对其头部两级主副模旋流器的不同组合方案开展了研究。研究表明:低旋流下,单独副模旋流器工作时气流半角22.3°,无法形成回流区,同时,副模气流轴向速度在旋流器出口具有较大的速度衰减特性;回流区的形成是主副模旋流器相互作用的结果,流场呈径向分区特征,中心回流区在内,回流区最大径向尺寸小于主模旋流器外径,主模气流在回流区外,无回流区形成;不同副模旋流数下的流场结构基本一致,随着副模旋流数的增加,中心回流区的径向尺寸增大。     

Effect of boundary conditions on downstream vorticity from counter-rotating swirlers

Particle image velocimetry(PIV) is utilized to measure the non-reacting flow field in a reflow combustor with multiple and single swirlers. The velocity field, vortex structure and total vorticity levels are experimentally obtained using two different boundary conditions, representing a single confined swirler and multiple swirlers in an annular combustor. The influence of the boundary conditions on the flow field at several locations downstream of the swirlers is experimentally investigated, showing that the central vortex in the multi-swirler case is more concentrated than in the single-swirler case. The vorticity of the central vortex and average cross-sectional vorticity are relatively low at the swirler outlet in both cases. Both of these statistics gradually increase to the maximum values near 20 mm downstream of the swirler outlet, and subsequently decrease. It is also found that the central vortex in the multi-swirler case is consistently greater than the single-swirler case. These results demonstrate the critical influence of boundary conditions on flow characteristic of swirling flow, providing insight into the difference of the experiments on testbed combustor and the full-scale annular combustors.     

双级轴向涡流器文氏管长度对流场和喷雾特性影响

为了研究双级轴向涡流器文氏管长度对流场和喷雾特性的影响,通过数值计算和试验分别研究了4种文氏管长度的双级轴向涡流器方案的下游流场和匹配喷嘴的雾化特性。结果表明:随着文氏管无量纲长度由0.23增加至0.49,一级涡流器流量系数由0.98降至0.7,二级涡流器的流量系数保持0.75不变,涡流器出口旋流数由0.08增至0.48,旋流扩张角由闭合状态增至约90°,涡流器下游流场由反转回流区变为传统回流区。文氏管长度最短的方案的索太尔平均直径(SMD)和喷雾锥角受涡流器压降的影响较小,而其他方案的SMD和喷雾锥角受涡流器压降影响较大,且在相同涡流器压降和油压下,SMD和喷雾锥角随着文氏管长度增加而增大。      

双级轴向涡流器气量分配对燃烧室点火特性的影响

为研究双级轴向涡流器一、二级气量分配对燃烧室点火特性的影响,对4种不同气量比的双级轴向涡流器进行了单头部燃烧室点火试验,同时结合燃烧室头部流场和喷嘴匹配涡流器雾化试验结果对点火试验结果进行了分析。结果表明：随着一、二级气量比由0.55增加至1.28,涡流器出口旋流数、涡流器下游回流区宽度、回流空气流量以及喷雾锥角逐渐减小;过小的一、二级气量比会导致点火状态下的燃油粒径变大;点火边界油气比随着一、二级气量比的增加呈现先减小后增加的趋势,气量比为0.85~1的方案兼顾了流场和喷雾特性,获得了相对较好的燃烧室点火性能。     

RQL模型燃烧室数值研究

以截面积为矩形截面的RQL模型燃烧室为研究对象,采用数值模拟方法分别研究了旋流器各参数（如出口角θ、轮毂与流路外径比z和旋流器间距）和淬熄段射流孔参数（如孔数和射流孔截面积）对模型燃烧室流场、温度场以及NOx排放值的影响。在数值模拟中采用的模型包括Realizable κ-ε湍流模型、非预混燃烧模型、热力型NOx和瞬发型NOX等。通过对模拟结果进行比较分析得出结论：当模型燃烧室采用间距为69mm、θ=30°、z=0．68的旋流器和总面积为635．85mm。的12个淬熄射流孔的结构时,可以在满足燃烧室基本性能的前提下实现低污染排放。     

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。     

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.      

外旋流器旋流数对三级旋流流场特性的影响

采用二维粒子图像测速(2D-PIV)流场测试技术,试验研究了相同进口条件下多种旋流数组合旋流器出口冷态流场,分析比较了外级旋流器旋流数对流场结构的影响.研究结果表明:外级旋流器旋流强弱并不是回流区形成的主要决定因素;随着外级旋流器旋流数的增加,涡心有向前及向外移动的趋势,其回流区轴向长度逐渐变长,最大回流速度逐渐减小;回流区形状同时受外级旋流器旋流数及内级旋流器旋流数的影响,当外级旋流器旋流数相对内级旋流器旋流数足够大时,较易出现尾迹区;在旋流器出口附近,外级旋流器旋流数较小时旋流器组合流场的湍流强度峰值较大.