主燃级基于旋流直射式喷嘴的超低排放燃烧室实验研究

为了实现航空发动机超低NO_x超低排放的目标，本文提出贫油预混预蒸发低排放燃烧室主燃级采用旋流直射式喷嘴技术，达到主燃级燃油和空气强化混合的效果，获得良好均匀性的油气混合物进行燃烧。在单头部燃烧室试验件上实验研究了LTO循环4个工况(慢车、进场、爬升和起飞)的燃烧性能和污染排放性能。研究结果表明：除慢车工况的燃烧效率接近0.99外，其余工况的燃烧效率均大于0.995；在LTO循环内，CO,UHC和NO_x排放均比CAEP/6排放标准降低50%以上，且NO_x比CAEP/6低72.5%，达到了超低排放的目标；同时与其他各型低排放燃烧室相比，起飞工况、爬升工况的NO_x排放在LTO循环中的占比均有较大幅度的降低。     

直混燃烧与LPP组合燃烧室数值研究

设计了直混燃烧与贫油预混预蒸发(LPP)组合的单管燃烧室.燃烧室头部采用同轴同旋向主模旋流器和副模旋流器结构,主、副油路分别采用直射式喷嘴和压力雾化喷嘴,可以在单管燃烧室上掌握和实现低污染燃烧排放控制技术,并采用Fluent软件对设计的单管燃烧室模型进行数值模拟.计算结果表明:主副模燃烧区相互独立;副模是直混燃烧,主要作用稳定火焰.主模是预混燃烧,燃烧区温度分布均匀,从而实现低NO_x排放.解决了大工况下低NO_x排放与慢车贫油熄火之间的矛盾.      

TeLESSⅡ低排放燃烧室预燃级设计对排放的影响

民用航空发动机需要满足国际民航组织（ICAO）发布的排放标准的要求,因此低排放燃烧室的研制是发动机成功研制的关键。TeLESSⅡ低排放燃烧室方案研究了在主燃级空气流动和燃油喷射模式不变情况下,成膜空气雾化和离心喷射空气雾化两类不同的预燃级空气流动和雾化组织模式在不同工况时对排放趋势变化的影响。结果表明小工况时不同预燃级的排放及燃烧效率变化趋势方向不同。大工况时两者的排放受燃油分级比影响变化趋势不同,而燃烧效率变化趋势是一致的。这说明预燃级和主燃级的组合设计改变了燃烧性能。      

预燃级对TeLESS Ⅱ燃烧室冒烟排放的影响

对不同预燃级结构的TeLESS Ⅱ燃烧室冒烟排放性能进行了研究。通过燃气分析试验方法分别考察了预膜空气雾化喷嘴和离心喷射空气雾化喷嘴在预燃级单独工作和主预燃级同时工作时的冒烟排放。结果表明在预燃级单独工作时,预燃级结构对冒烟排放性能影响较大,而在主预燃级同时工作时影响较小。通过数值模拟对两种预燃级结构在预燃级单独工作时的冒烟排放差异进行了分析,发现预燃级结构改变了燃油在主燃区内的分布,两种方案在主燃区内生成的碳烟前驱物乙炔质量分数和分布位置存在明显差异,最终导致燃烧室出口冒烟排放不同。      

贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定性试验研究

为研究贫油预混预蒸发燃烧室燃烧不稳定性及其与污染排放之间的相互影响关系,针对一种中心分级的贫油预混预蒸发圆形单头部燃烧室为研究对象,在巡航状态、85%工况和100%工况(模拟)开展了圆形单头部燃烧室沿程压力脉动和燃烧性能的测量,分析研究了燃烧不稳定性的变化规律和影响因素以及与NO_x排放的相互关系。试验结果表明,燃油分配比例、头部当量比、燃烧室进口参数(压力、温度、速度等)都对燃烧不稳定性有影响,且影响程度不同;燃烧室压力脉动和NO_x排放指数均与火焰筒头部当量比呈正相关关系,两者在一定程度上协同变化。     

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.      

中心分级燃烧室雾化特性试验研究

为了研究中心分级燃烧室雾化特性,设计中心分级燃烧室头部进行雾化特性试验研究。头部预燃级采用贫油直接喷射,主燃级采用预混预蒸发。试验采用了相位多普勒粒子分析仪测量液滴粒径及速度,用10μm以下的小液滴速度近似流场速度。实验结果表明:流场具有中心回流区(PRZ)、唇口回流区、角落回流区(CRZ)、预燃级高速射流区及主燃级高速射流区等结构;流场结构对称且受工况改变影响较小;大液滴集中在中心回流区及角落回流区。中心分级燃烧室不同于其他分级燃烧室,其具有特殊的流场结构及燃油雾化分布规律;在近场流场区域65μm～75μm液滴集中在PRZ区域和CRZ区域;近场区域内Case 4雾化D32是Case 3的60%。     

主燃级喷嘴和燃油分级后雾化特性实验研究(“两机”专刊)

为优化高温升主燃烧室燃烧性能,对三级旋流主燃烧室开展雾化特性试验研究。预燃级喷嘴采用离心喷嘴压力雾化和气动雾化相结合,主燃级采用预膜式气动雾化。试验采用相位多普勒粒子分析仪对主预燃级喷嘴和燃油分级后的雾化特性进行研究,对比分析了不同头部压降和燃油流量在不同轴向截面和径向位置的液滴粒径分布,并利用高速摄像对不同工况下的喷雾形态进行了记录。试验结果表明：主燃级油雾粒径为50~80μm,气液比达到3.5即可达到良好的雾化水平。随着轴向距离延长,喷雾粒径变大,喷雾浓度变得均匀。燃油分级比增加可降低整体粒径约10μm,且主要影响中心区域,对雾锥外侧粒径影响不大。     

中心分级燃烧室进场工况燃油分级方式试验研究

设计了一种贫头部中心分级燃烧室,在大推力发动机进场工况参数下,采用单头部矩形试验件,进行了污染排放测试试验,对比了预燃级单独供油、主预两级共同供油、全环主燃级周向分级三种方式的燃烧效率、氮氧化物(NO x)和冒烟(Smoke)排放。试验结果表明,进场工况下,设计的中心分级燃烧室采用预燃级单独供油方式时具有较高的燃烧效率,但NO x排放指数也较高,超过了指标要求;主预两级共同供油方式可获得较低的NO x排放,但燃烧效率难以达到指标;在合理的燃油分配比例下,全环主燃级周向分级方式燃烧效率和NO x排放能够同时满足指标要求;3种燃油分级方式下,冒烟数都远低于指标要求。     

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.      

Experimental Study on Emission Performance of an LPP/TVC

A key issue in the commercial aircraft engine design is environmental acceptability, and designers are continually challenged to reduce emissions. In this paper, an experimental investigation is performed to evaluate the emission performance of a liquid-fueled trapped vortex combustor (TVC) under lean premixed prevaporized (LPP) mode. When operating as an LPP system, a TVC is fueled both in the cavities and in the main stream. The correlations between the emission performance and the total excess air ratio, the positions (4 positions) of the fuel injectors in the main stream, and the inlet temperature are obtained. Experi- mental results show that both the volume concentrations of unburnt hydrocarbon (UHC) and NOx (NO, NO2 usually grouped together as NOx) increase with the increase of total excess air ratio from 1.5 to 3.0; the emission performance relies heavily on the position of the main stream injector, and the best performance is achieved at Position 4 in the experiments; the increase of the inlet temperature impacts on the emission performance positively; the smallest volume concentrations of UHC and NOx obtained in the experiment are 94×10 6 and 2.3×10 6 respectively. This paper validates the feasibility of low emissions for an LPP/TVC and provides a reference for further optimization of TVCs.     

贫油预混预蒸发低污染燃烧室流场特性试验

采用粒子图像测速(PIV)技术测量带双环旋流多点燃油直接喷射(TAMI)头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场特性,试验相同进口条件下冷态及喷雾燃烧时流场结构,通过分析平均流场涡量、湍流强度及切应变率等特性参数来详细说明喷雾燃烧对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室流场的影响,并且研究了不同进口参数对其燃烧流场的影响.试验结果表明:①装有此头部的LPP低污染燃烧室喷雾燃烧流场回流区比冷态流场要小,并且平均流场特性参数在燃烧前后变化比较大;②随着进口油气比增加,中心回流区变短变胖;③随着进口空气量增加,回流区变窄变长.本试验所获得的流场特性结果可为低污染燃烧室的设计提供了一定的参考.      

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.      

主燃级喷点数目对回流燃烧室的影响研究

为了研究主燃级周向燃油喷点数目对回流燃烧室NOx排放的影响,采用数值模拟方法对一种带有主燃级多点燃油直接喷射,贫油预混预蒸发头部的回流燃烧室流场进行研究,分析了回流燃烧室的冷态及热态流场特征和主燃级周向燃油喷点数目对NOx排放特性的影响。结果表明：（1）主燃级喷点数目对速度场的影响主要集中在主燃级出口下游,对预燃级出口速度场影响较小;（2）随周向喷点数目增加,油气掺混效果改善,高温区收缩,NOx排放量降低;（3）NOx质量分数分布受速度场和温度场耦合影响,主要集中于预燃级下游的高温低速回流区内。     

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。      

Experimental and numerical studies of a lean-burn internally-staged combustor

A lean-burn internally-staged combustor for low emissions that can be used in civil avi-ation gas turbines is introduced in this paper. The main stage is designed and optimized in terms of fuel evaporation ratio, fuel/air pre-mixture uniformity, and particle residence time using commer-cial computational fluid dynamics （CFD） software. A single-module rectangular combustor is adopted in performance tests including lean ignition, lean blowout, combustion efficiency, emis-sions, and combustion oscillation using aviation kerosene. Furthermore, nitrogen oxides （NOx） emission is also predicted using CFD simulation to compare with test results. Under normal inlet temperature, this combustor can be ignited easily with normal and negative inlet pressures. The lean blowout fuel/air ratio （LBO FAR） at the idle condition is 0.0049. The fuel split proportions between the pilot and main stages are determined through balancing emissions, combustion efficiency, and combustion oscillation. Within the landing and take-off （LTO） cycle, this combustor enables 42%NOx reduction of the standard set by the 6th Committee on Aviation Environmental Protection （CAEP/6） with high combustion efficiency. The maximum board-band pressure oscillations of inlet air and fuel are below 1%of total pressure during steady-state operations at the LTO cycle specific conditions.     

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.      

燃烧室贫油多旋流预混合预蒸发特性数值研究

对燃烧室多旋流器的贫油预混预蒸发（LPP）及形成可燃混合气特性进行了CFD数值研究。2级旋流器的第1级选用斜切入孔式旋流器,第2级选用径向旋流器。第2级旋流器的流量分配对预混预蒸发效果有重要影响。在2级旋流器气体总流量为0.035 kg/s不变时,第1、2级旋流器气体流量比小于1∶4时,预混预蒸发效果较好。计算结果与试验结果相符合。     

涡轮基组合循环发动机超级燃烧室燃烧性能试验

对涡轮基组合循环(turbine based combined cycle,TBCC)发动机超级燃烧室进行了试验研究.首先设计了超级燃烧室模型及相关的试验系统,并在此基础上开展了不同进口速度系数、温度和油气比下点火特性、贫油熄火特性和燃烧效率等燃烧室性能的试验研究.研究结果表明:随着内涵进口速度系数(0.10~0.25)的增加,点火当量比先减小后增加,熄火当量比逐渐增加,燃烧效率提高;随着内涵进口温度(573~873K)的增加,点火当量比和熄火当量比减小,燃烧效率提高;随外涵进口速度系数、温度的增加,燃烧效率提高.试验中获得最小点火当量比为0.984,最小熄火当量比为0.6.