燃烧室壁面鳞片型气膜孔流动与冷却机理分析

为了研究某型发动机燃烧室内的鳞片型气膜冷却孔流动及冷却机理,采用平板模型及燃烧室模型进行数值模拟研究,揭示鳞片型气膜冷却孔对燃烧室壁面冷却特性及燃烧特性的影响。结果表明:鳞片型气膜孔的鳞片结构有利于消除外卷对涡,增强气膜展向动量,具有较好的气膜冷却效率和展向覆盖特性;鳞片型气膜孔结构能有效降低冷气流量,提升冷却性能,应用鳞片气膜冷却孔的燃烧室壁面气膜冷却效果更优于应用平圆孔的;应用鳞片气膜冷却孔的燃烧室出口温度分布系数(Out let Temperat ure Di st r i but i on Fact or,OTDF)较低。     

弯曲壁上开孔倾角对气膜孔流量系数的影响

对弯曲壁上的多孔气膜冷却方式的流量系数进行了实验研究, 目的是确定在一定曲率的弯曲壁上不同开孔倾角冷却孔的平均流量系数随压力参数的变化规律, 并从流动损失方面进行深入分析.研究结果表明, 对于几何参数一定的多孔冷却方式, 影响其流量系数的气动因素用压力参数来表示是合理的, 但对于不同的开孔倾角, 压力参数对流量系数的影响效果有很大差别.      

多孔隔热壁温度场气动传热耦合计算方法

研究了燃烧室多孔隔热壁温度场气动传热藕合计算新方法。特点是综合应用工程热力学、空气动力学、传热学(包括导热、对流换热及辐射换热)的基础理论,结合数值传热学的理论和方法,考虑了压力(压差)、流速(流量)、温度(温差)及热量等诸多参数的相互耦合影响的关系,包括气膜孔内壁与冷气对流换热的影响。所发展程序在给出燃烧室进出口必要的气动参数后,即可直接计算出带环状缝隙及多个气膜冷却孔的燃烧室隔热壁温度场。      

开孔率对加力燃烧室隔热屏冷却特性的影响

为了分析开孔率对航空发动机加力燃烧室隔热屏流动和冷却特性的影响,建立了双层壁隔热屏结构。在给定冲击距、发散板与冲击板开孔面积比的条件下,对开孔率为0.6%和0.8%的冲击发散冷却结构进行数值模拟,获得了发动机真实工作状态下的气动参数、几何参数对流量系数和综合冷却效率的影响规律。结果表明：冲击孔、发散孔流量系数沿主流方向略微增大,随着开孔率由0.6%增大到0.8%,不同吹风比下冲击孔的流量系数均减小,而气膜孔的流量系数变化不明显,在吹风比由0.2增加到0.8时,0.6%开孔率结构的综合流量系数增幅明显高于0.8%的;在吹风比为0.2时,0.6%开孔率结构上游区综合冷效优于0.8%开孔率结构的,而在下游区则正好相反,在吹风比为0.3～0.8时,0.8%开孔率结构各区域的综合冷效均高于0.6%开孔率结构的。     

燃气轮机燃烧室网络式流量分配设计

采用一维网络式方法对某型燃烧室进行流量分配设计,并作三维数值模拟验证。网络式方法将燃烧室分割为若干个独立的单元,各单元互相关联构成整体网络。整体网络通过压力关系式求解,得到各元件压力损失、质量流量等性能参数。对某型燃烧室结构进行网络化建模并作优化设计,目标包括:1各排主燃孔及气膜冷却孔流量分配;2燃烧室进出口压降4.2%。对优化后的燃烧室结构作三维数值模拟并与一维网络优化结果对比验证。结果显示:二者吻合很好,各排孔的流量分配以及燃烧室总压损失目标均实现良好,显示一维网络方法在燃烧室复杂结构设计中的精确性和可靠性。     

驻涡燃烧室凹腔温度变化规律及气量分配

通过对单双涡燃烧室进行热态试验研究,研究余气系数、进口气流参数对凹腔壁温分布的影响,并通过三维数值模拟对燃烧室及凹腔气流量进行计算,得到壁温分布规律,为燃烧室材料选择以及气量分配的后续优化做好铺垫.试验结果表明,单涡试验件的最高壁温出现在凹腔后壁面;燃烧室余气系数变化改变了双涡试验件最高壁温的位置;数值模拟结果比较准确的得到了驻涡燃烧室的气流量分布.     

气膜孔倾角对层板隔热屏冷却性能影响

为了获得气膜孔倾角对层板隔热屏(冲击/发散复合冷却隔热屏)冷却性能的影响规律,基于加力燃烧室真实工况,对0°到90°范围内的十种不同气膜孔倾角的层板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,得到了层板隔热屏冲击壁面Nu数、层板隔热屏气膜冷却表面的冷却效果、层板隔热屏冷流体热负荷及气膜孔流量系数的变化规律。结果表明,气膜孔倾角的变化对冲击壁面Nu数的影响较小;气膜冷却表面的综合冷却效果随气膜孔倾角的增大而减小,15°倾角模型比10°倾角模型的平均综合冷却效果降低2.8%;单位面积冷流体热负荷随气膜孔倾角的增大而增大,最小值比最大值低30.7%;气膜孔倾角对层板隔热屏平均流量系数的影响不大,但上游气膜孔的出流会对下游气膜孔的流量系数产生影响。     

克努森数对气膜冷却流动换热相似特性的影响

数值模拟研究克努森数Kn对不同尺度气膜冷却流动换热相似特性的影响,选取孔径为0.3,3,10mm平板单排圆柱形气膜孔模型,计算得到模型在Kn不同与相同条件下冷却效率和孔流量系数.结果表明:Kn相同时,小孔与大孔模型流动换热特性相似,冷却效率及流量系数均吻合很好;Kn不同时,两模型流动换热特性存在一定差异,冷却效率及流量系数吻合较差.因此为在气膜冷却相似放大研究中得到准确的相似结果,需要保证小孔及大孔模型的Kn相同.      

弯曲段壁面冲击发散冷却结构流量系数与冷却效率的实验

为了研究回流燃烧室弯曲段采用冲击发散冷却结构时的流量系数和冷却效率,设计了多种不同几何尺寸的实验件模型,分别对其流量系数和冷却效率进行了实验研究,得出如下结论:①弯曲段冲击发散冷却结构的流量系数较小,一般不会超过0.7.发散孔倾角为40°的流量系数要小于倾角为20°和30°的流量系数,流量系数随着发散孔纵向间距比的增大而减小.②弯曲段冲击发散冷却结构的冷却效率均随着吹风比的增大而增大,其冷却效率要明显高于直板冲击发散冷却结构,且这种差异随着吹风比的增大而逐渐减弱.      

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

掺混压力损失的实验分析

一、试验装置和基本关系式 试验装置的进排气系统均由三根并列管道组成。第Ⅰ、Ⅲ管道作为外流,第Ⅱ管道作为主流,在试验段前6m处装加温器,加温后的气体温度最高可达600℃。试验件为三股通道的矩形件,其尺寸为800×256×240mm,主流通道高为140mm,外流通道高为50mm。试验孔板将主流通道与外流通道隔开。外流通道中气流经小孔射入主流,与主流掺混,引起主流掺混压力损失(图1)。     

地面燃气轮机单管燃烧室流量分配试验

对设计的100kW地面燃气轮机单管燃烧室空气流量分配进行了试验研究。在常压环境下采用堵孔法分别得到了旋流器、主燃孔和掺混孔的流量特性曲线,分析得到燃烧室不同结构的流量系数;试验研究了不同进口流量条件下燃烧室的流量分配,测量得到了燃烧室总压损失。研究发现:随着进口空气流量的增加,燃烧室的流量分配比例基本保持稳定,并且与燃烧室的设计空气比例基本吻合;随着燃烧室进口流量（雷诺数）的增加,旋流器、主燃孔和掺混孔的流量系数呈线性降低;随着进口流量（雷诺数）的增加,燃烧室总压损失逐渐增大;对主燃孔和掺混孔的流量特性测量中,两种测量方法得到的试验结果稍有差别,总体上看两种测量方法的试验结果较为接近。通过对比分析证明两种试验测量方法真实可靠,该研究结果可为100kW地面燃气轮机燃烧室的设计与优化提供依据。      

发散孔纵向波纹隔热屏气膜冷却特性

对燃烧室内开有发散孔的纵向波纹隔热屏进行了数值模拟.研究隔热屏的四种结构参数开孔率、波纹板高度、孔径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果的影响.研究表明:在气膜孔出流总量相同的情况下,3%开孔率比6%开孔率的隔热屏平均冷却效率较高;波纹板高度对隔热屏冷却效果影响较大,波纹板无量纲高度为1%比波纹板无量纲高度为2%和3.33%的隔热屏平均冷却效率高;孔径和冷却通道高度的改变对隔热屏冷却效果几乎没有影响.      

燃烧室流量分配计算方法适用性研究

为考察有效面积法、流阻法在燃烧室流量分配设计中的适用性,分别采用2种方法完成了某环形燃烧室流量分配计算,并采用数值模拟的方法进行了对比分析,以试验手段验证了其可靠性。结果表明:有效面积法及流阻法理论计算简化条件基本可以得到满足,计算精度相当。采用有效面积法得到主燃孔进气量为32.54%,低于实际值3.12%,得到掺混孔进气量为20.43%,高于实际值0.3%;采用流阻法得到主燃孔进气量为35.11%,低于实际值0.55%,得到掺混孔进气量为17.32%,低于实际值2.81%。2种方法大孔总进气量均低于实际值约3%。数值模拟结果与试验结果吻合较好,可用于燃烧室流量分配的精确计算。     

旋转对带斜肋和双排孔通道孔流量系数影响

为了获得工作叶片内部通道布置斜肋情况下的气膜孔流量系数,利用商业软件对带60°肋和双排气膜孔出流的旋转矩形通道内的流场进行了数值模拟.通道入口雷诺为数60 000,罗斯贝数为0,0.11,0.22,气膜孔总出流比0.22.通道静止时,计算结果与实验数据符合较好,左侧孔和右侧孔的流量系数差别不大.通道顺时针旋转时,两个孔的平均流量系数增加90%左右,左侧孔流量系数是右侧孔流量系数的4～5倍.通道逆时针旋转时,两个孔的平均流量系数减小10%左右,左侧孔和右侧孔流量系数基本相同.      

燃烧室空气流量分配试验方法模拟分析与优化

为了明确当前燃烧室流量分配试验采用的堵孔法的合理性,按照某单管燃烧室流量分配试验的实际流程进行数值模拟,分析了试验本身存在的方法误差和根源,据此提出了采用堵孔法和单侧积累式堵孔法相结合的优化试验方法,并进行了数值模拟验证。结果表明:采用堵孔法进行流量分配的测定存在一定的方法误差,该方法对火焰筒头部的测定影响较小,而对主燃孔、掺混孔和气膜冷却孔的测定影响相对较大,主要原因在于未同时考虑被测孔排及其下游孔排的过流条件;采用堵孔法和单侧积累式堵孔法相结合的方式进行流量分配测量,能够大幅度降火焰筒上主燃孔、掺混孔和气膜冷却孔的测量误差,降低幅度分别达到约6%、12%和9%,效果明显;试验方法优化前后,火焰筒上各孔排进出口截面的静压差的改变是试验方法误差一直存在的根本原因,但方法优化后这个压差的变化量及对测量结果的影响较优化前都更小。      

主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响

对回流燃烧室设计了两种主燃孔结构(交错射流和对齐射流),在不同压力条件下对不同主燃孔方案的回流燃烧室的点火性能进行了试验研究.试验结果表明:随着回流燃烧室进口空气压力的降低,点火边界的油气比先减小后升高,而对齐主燃孔的火焰筒方案的低压点火性能优于交错主燃孔.结合火焰筒冷态流场数值模拟和试验中观察到的点火现象进行对比分析,对齐主燃孔方案存在更大范围的回流区,其火焰筒头部参考速度较低.此方案有利于减弱火焰核心的淬熄概率,同时增强头部火焰燃烧的稳定性,从而改善了回流燃烧室的点火性能.      

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。     

环管型燃烧室火焰筒壁温气热耦合数值模拟

针对某型燃气轮机运行时回流式环管型燃烧室的火焰筒常发生烧蚀和裂纹,需获取其火焰筒壁温分布特点,进行分析以提出改进措施.全面考虑固体导热和辐射传热、气体与固体间的对流换热以及火焰和燃气的辐射,对燃烧室进行三维气热耦合数值模拟计算,获取流场、温度场以及壁温分布信息,并结合实验验证了三维气热耦合数值模拟能够较有效预测火焰筒壁温分布.由模拟结果知该型火焰筒壁温未超过设计值1 223K,但在联焰管与筒体连接处以及多个主燃孔处的温度较高、温度梯度较大,需要对这些部位的冷却方案进行改进.