中心分级低污染燃烧室贫油熄火模型

为了准确掌握中心分级燃烧室火焰稳定边界的影响因素,建立中心分级燃烧室贫油熄火边界预测模型,对中心分级燃烧室的熄火过程进行了试验与理论研究。研究获取了燃烧室结构、雾化和工况参数对燃烧室贫油熄火边界的影响规律,建立并验证了中心分级燃烧室熄火半经验预测模型。结果表明：相比反向涡流器,同向涡流器下游具有更大的回流区、更低的回流速度和更长的停留时间,从而减弱了主燃级与值班级之间的湍流交换,导致同向旋流火焰的贫油熄火性能明显优于反向旋流火焰的熄火性能。中心分级燃烧室熄火边界预测模型对单头部和全环燃烧室熄火性能预测的最大误差为20%,满足燃烧室工程设计需要。     

中心分级燃烧室预燃级贫油熄火性能试验

对一种单环腔的中心分级LESS（low emissions stirred swirl）燃烧室进行了常压状态下的贫油熄火性能试验研究.采用单头部试验件,研究了预燃级离心喷嘴流量数、进口温度及燃料类型对贫油熄火性能的影响.结果表明:预燃级采用小流量数的离心喷嘴能够降低贫油熄火当量比.进口温度低于150℃的范围内,随着进口温度的增加,贫油熄火当量比迅速降低;进口温度高于150℃时,温度对贫油熄火当量比的影响作用不明显.气态燃料与液态燃料的贫油熄火当量比随火焰筒压降的变化趋势是不同的,但都趋于相同的值,且在5%的火焰筒压降范围内,气态燃料的贫油熄火当量比低于液态燃料.      

台阶高度对LESS燃烧室的影响研究

一种单环腔中心分级低污染燃烧室,由中心的预燃级和外围的主燃级构成,在主预燃级之间存在一定的物理隔离(台阶高度),为了研究主预燃级之间不同台阶高度对氮氧化物(NOX)排放的影响,在慢车工况参数下,采用单头部矩形试验件进行了污染排放测试试验,并利用Fluent商用软件进行了冷态流场和热态燃烧性能的数值模拟分析。结果表明:台阶高度对NOX排放有很大影响,当台阶高度增大38%,中心回流区表面积增大6.7%,体积增大16.4%,轴向长度有所减小,NOX排放指数升高35.1%。     

中心分级燃烧室点火性能试验研究

对中心分级燃烧室常温常压和常温低压下的点火性能进行了试验研究。在进口压力分别为0.1,0.035,0.03MPa,进口温度为常温的条件下,试验研究了不同空气压降(0.5%～6%)下的贫油点火油气比,获得了其点火边界曲线。试验结果表明:随着压力降增加,在各种燃烧室进口压力下的贫油点火油气比具有一个最低值;随着进口压力减小,这个最低值所对应的压降不断降低,同时贫油点火油气比升高。通过分析进口空气条件、燃烧室参考速度和燃油SMD对点火性能的影响,得到了其点火模型。     

中心分级燃烧室变频变能点火性能试验

对中心分级燃烧室常温常压下变频变能点火性能进行了试验研究,点火能量为1~15J,点火频率为1~15Hz,燃烧室压降1.5%。结果表明:随着点火能量增大,贫油点火余气系数先迅速增大后缓慢增大,点火延迟时间先急剧缩短后缓慢缩短,随点火频率增大,贫油点火余气系数缓慢增大,点火延迟时间先迅速缩短后缓慢缩短,点火能量较低时该规律更为显著;当点火功率大于35W时提高点火功率对提高点火性能意义不大,点火能量对点火性能的影响较点火频率更为显著,相同功率下提高点火能量对点火更有利;基于Lefebvre、王延胜等人的点火模型,拟合了中心分级燃烧室关于燃烧室参考速度、索太尔平均直径、点火能量和点火频率的点火模型,模型预测误差在±10%以内。      

中心分级燃烧室耦合回流区贫油熄火机理

针对中心分级模型燃烧室开展了常压贫油熄火试验和慢车状态贫油熄火试验,并结合贫油熄火时的主/预燃级耦合回流区流场数值模拟分析了该燃烧室的贫油熄火机理.结果表明:与常规燃烧室的贫油熄火机理不同,中心分级燃烧室的贫油熄火油气比是由预燃级和主燃级共同形成的耦合回流区所决定的.耦合回流区的回流量主要由主燃级回流主导,在该研究的中心分级燃烧室结构下,回流区从主燃级卷吸的气量是预燃级本身气量的4.3倍,导致按预燃级气量计算的熄火当量比达到2~2.5,远高于常规燃烧室头部的熄火当量比0.4~0.5.      

中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.0038增大到0.0067;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.0061减小到0.0051.      

点火位置对中心分级燃烧室点火过程影响的研究

燃烧室点火可靠性关系到发动机的整体性能,而点火位置对点火结果具有较大的影响。本文首先对点火位置位于回流区边缘中游的点火过程进行实验研究,同时采用数值模拟的方法对冷态流场和燃烧过程进行研究并与实验结果对比,从而验证数值模拟的准确性,最后采用数值模拟的方法研究了不同点火位置的火焰传播过程。结果表明,点火初始时刻,在流场的作用下,火核首先在燃油浓度较高的周向进行传播,同时在流场的作用下沿轴向向燃烧室下游传播,最终在回流区的作用下运动至燃烧室头部。当点火位置位于回流区中上游时,点火成功的关键是火焰传播到靠近头部燃油浓度较高的区域,而点火位置位于回流区下游时,其点火成功的关键是火焰传播到燃烧室中心位置并具有较高的能量。最佳点火位置位于回流区边缘的中游位置。     

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.      

Influence of coupled characteristics on the internally-staged combustor under low-power operation

An ultra low emissions combustor, namely low emission stirred swirl (LESS) combustor was studied, based on a scheme of internally staged/lean premixed and prevaporized (LPP) combustion. The LESS combustor consists of central pilot stage and outer surrounded coaxially main stage, between which there exists a physical isolation, namely the step height. The existence of step height delayed the pilot and main jets mixing. Experimental and numerical studies were carried out to investigate the influence of the step height on the combustion performance. A single dome rectangular combustor was utilized to conduct the lean lightoff and blowout experiments, and pollutant emission experiments. The experimental results showed that with the increase of step height by 38%, the lean lightoff and blowout fuel air ratio decreased by 574% and 375%, the NOx emission increased by 35.1%, and the combustion efficiency increased by 1.78%; while the CO,unburned hydrocarbons (UHC) emissions decreased. Furthermore, the total pressure loss was kept nearly constant. Non reacting and reacting flow fields were numerically investigated to analyze the coupled characteristics of pilot and main jets with different step heights. A comparison of flow characteristics, spray structure, and combustion component as well as temperature field with different step heights was conducted. The numerical results showed that the increase of the step height shifted the peak velocity outwards. The enlargement of the primary recirculation zone (PRZ) resulted in the increase of the combustion efficiency and NOx emission, while the CO, UHC emissions decreeased.      

微型燃气轮机乙醇燃烧室点火与熄火试验

对应用于微型燃气轮机上的可再生生物质燃料乙醇燃烧室开展了试验研究,包括4种不同的供油方式,获得了常温常压进口条件下乙醇燃烧室的点火与熄火特性.研究结果表明:常温常压下采用旋流器的乙醇燃烧室的贫油点火和贫油熄火当量比的值均随空气流量的增加而减小,其点火与熄火性能优于预蒸发预混管燃烧室.      

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.      

驻涡加力燃烧室贫油熄火性能的影响

为了研究驻涡加力燃烧室的贫油熄火性能,设计了三种不同方案的凹腔结构,进行了贫油熄火（LBO）性能试验。采用航空煤油作为燃料,试验中的主要研究参数如下:外内涵进气压比在0.97~1.07之间变化;主流马赫数在0.13~0.20之间变化。研究结果表明:驻涡加力燃烧室贫油熄火油气比随着外内涵进气压比的增加而增加,随着主流马赫数的增大而增加,并且在马赫数较大时,变化幅度增大;在驻涡区上部分区域,轴向平均绝对速度越小,以及主涡涡心位置在一定范围内更贴近凹腔后壁面,驻涡加力燃烧室的贫油熄火性能更优。      

航空发动机燃烧室熄火特性的研究

在对熄火特性进行深入研究的基础上，运用三维、两相紊流燃烧理论进行了航空发动机燃烧室贫油熄火的数值模拟。采用FLUENT软件计算出不同飞行状态发动机燃烧室发生贫油熄火时的三维速度矢量场、温度场和液滴轨迹，给出贫油熄火的αp-λ分布曲线，并将此结果与试验结果对比，证明了该数值模拟的合理性和可行性。与二维计算相比，三维计算更清晰反映出流场特性。     

火焰筒压力损失对点火特性的影响

以3.0%火焰筒压力损失火焰筒作为基准,分别设计了2.5%和2.0%火焰筒压力损失的火焰筒,通过试验研究火焰筒压力损失对地面起动点火性能的影响,对火焰筒内部流场进行数值模拟.在火焰筒压力降3.0%以内的空气条件下,3种方案贫油点火边界基本一致,低压力损失火焰筒能够在更宽的压力降条件下点燃,2.5%方案的综合点火性能最好.结合数值模拟结果:压力损失降低至2.0%,流场结构与基准方案有较大的区别,对燃烧室的性能开始产生不利影响,2.5%方案与基准方案流场结构较为接近,定量的变化对燃烧室的性能影响是有益的.      

燃烧室贫油熄火极限数值预测

在任意曲线坐标系下分别对双级轴向涡流器矩形燃烧室及涡流杯回流环形燃烧室三维两相反应流场进行数值模拟,采用RNG(renormalization group)k-ε,SOM-EBU(second order moment-eddy break up model)及六通量辐射等模型考虑紊流流动、化学反应及辐射传热对燃烧过程的影响;采用SI MPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)算法求解流场,气液两相耦合采用颗粒源项法处理.采用提出的燃油稳态逐次逼近法对贫油熄火极限进行数值预测,所得计算值与实验数据较为相符,表明此数值预测方法可靠,可用于工程实践.