内燃波转子热射流点火装置射流特性研究

为了将热射流点火更好地应用于内燃波转子,采用数值模拟的方法,针对所设计的热射流点火装置进行射流特性研究,分别研究了流量变化与喷管结构对热射流特性的影响。研究结果表明随着进口流量的增加,射流核心长度增加,而喷管出口面积减小并不能增加射流核心长度,如在进口流量为1.23g/s时,喷管直径小于7mm后射流核心长度急剧下降,但是喷管出口面积减小大幅度增加了射流动量。在相同位置特征截面上,核心区射流能量随质量变化呈线性分布,动量呈二次分布。     

当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响

为了研究当量油气比对内燃波转子燃烧特性的影响规律,采用控制变量法,保持内燃波转子转速、混气填充速度不变,通过调节燃料喷射体积流量改变混气的当量油气比。在不同的当量油气比下开展内燃波转子燃烧特性试验。试验结果表明:当量油气比对于内燃波转子燃烧过程影响很大,随着当量油气比的增加,内燃波转子获得的燃烧压力增益增大,在内燃波转子转速为900r/min、混气填充速度为6.741m/s、当量油气比为1.442时,6个工作循环内平均燃烧压力增益达到246.29％,火焰平均传播速度随当量油气比呈类似正态分布,在化学恰当比附近达到最大10.8m/s。当量油气比小于1时,两组工况下火焰锋面呈向下倾斜状传播,当量油气比大于1时,两组工况下火焰锋面呈向上倾斜状传播。      

内燃波转子燃料填充方案研究

为获得内燃波转子进气端口内可靠的燃料填充方案,研究混气形成规律,采用数值模拟与实验相结合的方法,从燃料分布不均匀度及涡轮径向温度分布要求方面考虑,比较了壁面单孔喷射、单孔逆喷、双孔逆喷以及多孔侧喷四种燃料喷注方案下混气的掺混情况。研究结果表明,单孔逆喷方案实现了与典型涡轮进口温度要求一致的燃料分布,且燃料分布不均匀度适中,距进口150mm以后混气分布不均匀度趋于恒定,确定为最佳方案;主流与喷孔射流以燃料进口压力等于0.3MPa为界,分别主导混气的掺混。     

内燃波转子发动机循环分析

为研究内燃波转子发动机性能变化规律,建立内燃波转子发动机的气动热力循环分析模型,开展了内燃波转子对燃气轮机总体性能的影响研究,并进行影响内燃波转子发动机总体性能的参数分析,且针对现役涡轴发动机,结合波转子技术,给出5种组合方式。结果表明内燃波转子能够显著地提高燃气轮机的总体性能,循环功最大提高39%,耗油率最大降低28%。提高涡轮进口温度可以提高内燃波转子发动机的总体性能;存在使循环功达到最大值的最佳压气机压比,且涡轮进口温度越高,最佳压气机压比越大。在基准燃气轮机与内燃波转子的组合方式中,保证压气机部件以及涡轮进口温度不变,能最大限度地提高燃机轮机的性能。     

内燃波转子影响涡轴发动机性能研究

内燃波转子涡轴发动机是一种集波转子增压技术、等容燃烧技术和涡轴发动机技术为一体的新概念发动机。介绍了内燃波转子的结构和工作原理,建立内燃波转子涡轴发动机热力循环分析数学模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数变化对涡轴发动机性能的影响研究,探讨内燃波转子涡轴发动机热力循环状态参数变化规律,验证了内燃波转子技术能够显著提高涡轴发动机性能,内燃波转子涡轴发动机比功率和热循环效率最大提高了35.79%,耗油率SFC最大减少了26.37%。     

内燃波转子复杂波系及火焰传播特性实验研究

为了探究内燃波转子工作过程中复杂波系及火焰的传播特性,采用乙烯为燃料进行了内燃波转子多循环工作过程实验研究。依据实验中采集到的离子探针信号、压力传感器信号和高速摄影照片来分析波转子通道内的复杂波和火焰的传播特性,同时更换波转子通道内的不同扰流片结构来探究其对复杂波系和火焰传播特性的影响。研究结果表明:波转子通道内波与火焰存在一个动态过程,且火焰与波峰的间距越来越小,加入扰流片后火焰速度与压力波的强度明显增加。堵塞比为38.91%时,PT2处压力峰值可以达到1.56MPa。堵塞比为31.13%时,平均火焰传播速度能达到36.95m/s。     

内燃波转子泄漏及密封问题分析

为了说明泄漏对内燃波转子的影响,并探索有效的密封措施,建立了单通道简化内燃波转子模型,利用丙烷为燃料,空气为氧化剂,采用多步详细化学反应机理,数值模拟了泄漏问题对内燃波转子点火及燃烧过程的影响。计算结果表明泄漏的存在严重影响内燃波转子性能,甚至会导致点火失败,当波转子通道端面与定子之间间隙到达0.7mm时,波转子通道内不能形成稳定传播的火焰。冷态密封试验结果表明,采用胀圈密封之后,波转子密封问题得到明显改善,且在进口总压分别为0.01MPa和0.02MPa时,实现了内燃波转子冷态增压效果。     

内燃波转子技术对燃气涡轮发动机性能影响

为研究内燃波转子技术提高燃气涡轮发动机性能变化规律,建立内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环分析模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数、压气机压比等参数变化对燃气涡轮发动机性能的影响研究,探讨了内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环状态参数变化规律.研究结果表明:当压气机压比等于3.6时,发动机比推力和热循环总效率最大提高23.709%,耗油率最大减少19.165%;当通道出口气流马赫数等于0.6时,发动机比推力最大增幅达23.736%,此时压气机压比为4.4、发动机热循环总效率32.216%和耗油率减少24.366%,熵增减少7.864%,验证了内燃波转子技术能够提高燃气涡轮发动机总体性能.研究结果为深入开展内燃波转子燃气涡轮发动机基础理论和关键技术研究奠定基础.      

波转子增压循环发动机技术

首先介绍了波转子和波转子增压循环发动机的基本概念,然后回顾了波转子技术的发展历史,最后介绍了国外波转子增压循环发动机的研究和发展现状。     

基于功比例因子的径向流内燃波转子发动机热力循环分析

为研究径向流内燃波转子嵌入基准机性能变化规律,提出不同波转子输出功状态点的性能计算方法,建立了基于功比例因子的径向流内燃波转子热力循环分析模型,在理想和考虑损失的状态下开展了不同热力循环对比研究,并探讨了压气机压比和波转子功比例因子对发动机热力循环性能参数影响规律.结果表明,基准机压比为3.6时,在相同涡轮入口状态下,考虑损失时的径向流内燃波转子循环相较于基准机可以实现净功输出增加53.9%,热循环效率提高44.9%,耗油率降低30.9%.波转子完全作为功率输出部件时,可以实现热循环效率达到0.32左右,纯功输出的径向流内燃波转子更适用于较低压气机压比的基准机.     

先进燃烧室分级燃烧空气流量分配的探讨

参加燃烧的空气流量分配将大于60%的特点使常规燃烧室无法满足高温升和低污染燃烧室的基本要求.从燃烧的基本特性以及燃烧室的基本性能要求出发,重点分析了常规燃烧室中设计的燃烧空气分配的极限,讨论了高燃烧气量分配下燃烧室关键技术问题和软分级概念.通过比较现有燃烧室分级方式的特点,指出从稳定性角度出发RPP(rich premix prevaporized)中心分级是解决超高温升燃烧室的较佳方法,而LPP(lean premix prevaporized)中心分级是解决低污染燃烧室的较佳方法.      

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.      

煤基喷气燃料在地面单管燃烧室内燃烧和排放特性研究

为研究煤基喷气燃料的燃烧和排放特性,通过改造的单管燃烧室评估了煤基喷气燃料和石油基RP-3喷气燃料的燃烧和排放特性差异.试验结果表明:煤基喷气燃料具有更加优异的贫油点火和贫油熄火性能,两种喷气燃料的燃烧和排放特性随燃油流量和燃烧室出口温度的改变呈现出一致的变化趋势,在相同质量流量下,煤基喷气燃料的燃烧和排放性能要低于RP-3,在相同燃烧室出口温度时,煤基喷气燃料燃烧时的壁温要低于RP-3.      

三种燃料在亚燃冲压燃烧室中的高空点火特性

为评估三种液体燃料(航空煤油(RP-3)、高热氧化安定性燃油(RP-3+100)以及煤基合成油(LUAN))的点火特性,在一种小型亚燃冲压燃烧室中开展了高空点火试验。研究表明:三种燃料在所选的试验条件下,均可以实现可靠点火。随着入口气流温度、压力的增加,三种燃料的点火当量比范围增加;随着入口气流速度的增加,三种燃料的点火当量比范围减小。RP-3+100在不同条件下均具有最高的点火当量比范围,RP-3与LUAN的点火当量比范围较为接近。当入口气流温度、压力和速度发生改变时,RP-3+100点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最低,RP-3点火当量比范围随外界参数改变的变化程度最高。     

双模态冲压发动机燃烧性能初步研究

通过数值模拟和地面试验研究了当量比和注油分布对双模态冲压发动机燃烧性能的影响,结果表明：在隔离段入口马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1MPa的来流条件下,总当量比为0.6时,燃烧模态为双模态亚燃,热力喉道位置位于凹槽出口处;总当量比大于0.6时,发动机燃烧模态为亚燃,热力喉道位置相同,流场结构稳定.通过选取压力参考点的方法,发展了发动机推力快速分析方法,误差较小.     

驻涡区进口结构参数影响TVC燃烧性能的试验

驻涡区的空气、燃油供给位置和两者之间的匹配关系是影响驻涡燃烧室性能最重要的参数之一.研究中把4种驻涡区油气进入位置和3种掺混空气孔位置组合成7组油气参数,在不同进口温度和进口流量下开展了相应的燃烧性能试验,获得了点火性能、贫油熄火特性和燃烧效率与7组油气参数之间的关系,并分析得出了第7组组合参数是综合性能最好的驻涡区油气进口参数.      

使用特征参数准则预测航空发动机燃烧室贫油熄火极限

阐述了特征参数准则的核心原理和预测流程,使用计算流体力学软件FLUENT数值模拟分析了某型航空发动机环形燃烧室的贫油熄火过程,提出了判断熄火的征兆——\"M\"型火焰及其产生原因.运用特征参数准则研究了不同进口气流速度、气流温度等关键参数对航空发动机燃烧室贫油熄火极限的作用规律.结果表明:贫油熄火油气比随进口气流速度的增加逐渐下降;当进口气流温度小于395K时,贫油熄火油气比随进口气流温度的增加逐渐降低;当进口气流温度超过395K后,贫油熄火极限基本不随进口气流温度的变化而改变.     

燃油分级比对LESS燃烧室压力振荡频率的影响

实验研究了燃油分级比对low emissions with stirred swirls(LESS)燃烧室压力振荡频率的影响,在燃烧室进口压力为1.14~2.77MPa,燃烧室进口温度为645~808K,总油气比为0.0242~0.0303,燃烧室压降为3.14%~3.64%范围内,随着燃油分级比减小(32.7%降到5.21%),压力振荡频率下降.采用了简单均匀介质直管道模型和CFD数值方法分析燃油分级比对压力振荡频率的影响.结果表明:燃油分级比引起火焰区的起始位置、轴向长度和平均温度的变化是导致压力振荡频率变化的主要原因.      

改进堵孔法在主燃烧室上的试验研究

航空发动机燃烧室火焰筒内不同气流中参与燃烧化学反应的空气（简称为“燃烧空气”）占比在燃烧室设计中具有重要影响。目前该比例参数仅来源于经验,缺乏有效的评估手段。针对新型航空发动机燃烧组织技术和设计方法的发展需求,推导了火焰筒内不同空气流对应的混合分数和氧气质量分数的时空输运方程,并耦合基于火焰面生成流形（flamelet generated manifold, FGM）模型的航空发动机燃烧室雾化燃烧大涡模拟计算程序,建立了一种针对火焰筒内不同空气流中参与燃烧空气占比的定量评估分析方法,实现了对火焰筒内参与燃烧空气的溯源分析。选取某典型旋流燃烧室对上述方法进行了演示验证,结果表明：该方法能够对火焰筒内不同流束空气混合分数和氧气质量分数进行有效追踪。通过对仿真结果的统计,获得了火焰筒不同空气流的质量流量和参与燃烧的空气占比等参数。分析表明,当前燃烧室内参与燃烧空气的分布特性与经典旋流燃烧室设计理论一致,验证了当前评估方法的合理性。