RQL模型燃烧室流动场的数值研究

研究低污染燃烧富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）技术,根据其技术关键点设计初步的模型燃烧室。并对孔位置和淬熄段的流动面积对流场影响进行数值模拟,同时根据模拟结果对燃烧室进行了优化设计;得出孔位置在z=100mm到120mm处较好,缩颈结构有利于NOx减低。计算中入口边界参数采用质量流量入口,考虑了湍流化学反应、热辐射等模型。     

主燃孔位置对基于RQL高温升燃烧室流动与燃烧特性影响的数值模拟

为将富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧（RQL）用于高温升燃烧室设计，以实现温升与排放的良好统一，对不同主燃孔位置下 的单头部矩形燃烧室流动、淬熄区气流混合、燃烧和排放特性进行数值模拟。结果表明：燃烧室中心回流区的长度和高度随着主 燃孔轴向距离的增大而增大。随着主燃孔轴向距离的增大，主燃孔射流深度增加，射流角度逐渐向下游偏转，导致淬熄区内气流 的混合效果减弱；随着主燃孔位置的后移，富油区内的当量比显著增大，导致CO和碳烟的生成量迅速增加，淬熄区内的沿程高温 区域面积逐渐缩小，燃烧效率逐渐降低。当X/H=0.7时，燃烧室沿程NO生成量始终处在较大值；而当X/H=0.9时，燃烧室沿程NO 生成量始终处于较小值，但CO的生成量增大。     

采用钝体式孔板淬熄的富油-淬熄-贫油驻涡燃烧室排放性能试验研究

设计研制了采用钝体式孔板淬熄装置进行淬熄作用的富油-淬熄-贫油(Rich-quenchlean,RQL)驻涡燃烧室(Trapped-vortex Combustor,TVC)模型和试验系统,实现了富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧的分级燃烧。在常压状态下采用RP3航空煤油作为燃料开展了排放试验研究,分析并总结了当量比(包含总当量比和富油区当量比)、进口速度(马赫数)和进口温度等参数对采用钝体式孔板淬熄的RQL-TVC排放性能的影响。研究结果表明:不同进口温度或进口马赫数条件下,随着当量比的增大,氮氧化物(NOx)的排放指数(Emission Index,EI)呈现出先急剧升高,然后急剧下降并趋于平缓的趋势,在富油燃烧区当量比为1.1左右达到峰值,一氧化碳(CO)的EI值先保持平稳而后急剧下降,未燃碳氢化合物(UHC)的EI值呈现连续降低的趋势,燃烧效率持续增大,燃烧效率均高于95%,最大值达99%以上;进口温度较高或进口马赫数较小时,UHC和CO的EI值均较小,燃烧效率较高,而NOx的EI值较大,反之亦然。     

大发动机双环腔燃烧室设计及性能分析

对双环腔燃烧室进行优化设计,研究双环腔燃烧室的性能及其污染物排放规律.参考国外某双环腔燃烧室的结构,将其火焰简结构设计为并联式双环腔结构.改变主燃区、预燃区旋流器的结构,优化主燃孔、掺混孔的位置及孔径大小,进行流动、燃烧及排放数值模拟.获得了不同结构双环腔燃烧室的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放等性能参数.对比分析不同结构双环腔燃烧室的计算结果.结果表明:经过优化后的双环腔燃烧室出口具有更高的总压恢复系数和燃烧效率,更好的温度分布,更低的CO和NOx排放.     

不同淬熄结构下RQL燃烧室流场特性的数值研究

采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法对不同淬熄结构的富油/淬熄/贫油(RQL)燃烧室内定常掺混流动过程进行了数值模拟,分析了不同截面的流场结构,研究了动量通量比及淬熄孔排布方式的影响。结果表明:射流进入RQL燃烧室后发生偏转且偏转方向和旋流方向有关,回流区长度、穿透深度和高湍动能区随着动量通量比的增大而增加;当J≥80时,淬熄射流下游出现高湍动能区,逐渐与上游融为一体;当J≥120时,回流区的长度基本不再发生明显变化。此外,非中心对冲结构C3具有更大的高湍动能区,掺混更均匀。      

LTO循环中RQL-TVC排放性能数值模拟

为了掌握采用富油-淬熄-贫油低排放燃烧技术的驻涡燃烧室(RQL-TVC)在起飞-着陆(LTO)循环各状态中的排放特性,采用数值模拟的方法开展了研究。数值模拟结果表明:在LTO循环中,RQL驻涡燃烧室的氮氧化物(NOx)与未燃碳氢化合物(UHC)的排放指数EI均低于传统燃烧室的;但一氧化碳(CO)的EI偏大。RQL-TVC的NOx的LTO排放数少,是国际民航组织颁布的航空发动机排放标准CAEP6的29.1%;UHC的LTO排放数接近于0;CO的LTO排放数在慢车状态下的数值明显高于其它状态下的。RQL-TVC具有良好的低排放潜力。     

RQL燃烧室燃烧特性数值研究

对富油燃烧─淬熄─贫油燃烧(Rich-burn,Quench,Lean-burn,RQL)模型燃烧室在7种不同当量比下的燃烧过程进行了数值模拟。对各种当量比下燃烧室的温度场进行了详细地分析,并给出当量比的优化值。在此当量比下,研究了流量分配对温度场的影响,分析了燃烧室的淬熄性能;最终,确定了燃烧室淬熄结构的修改方案。     

试验研究双旋流器头部燃烧室几何参数对燃烧性能影响

试验研究不同油气比下双级旋流器的几何参数以及主燃孔布局变化,对单头部试验燃烧室出口温度分布、燃烧效率、贫油熄火极限以及污染物排放等燃烧性能的影响规律.试验结果表明:双级旋流器的几何参数(如:叶片安装角、旋流器流通面积和喉道距文氏管出口距离等)与主燃孔布局变化对燃烧室性能都有较大的影响,但随着油气比的下降,影响程度相应地减弱.      

起飞-着陆循环中富油-淬熄-贫油驻涡燃烧室排放性能数值模拟研究

为了掌握采用富油-淬熄-贫油低排放燃烧技术的驻涡燃烧室（RQL-TVC）在起飞-着陆（LTO）循环各状态中的排放特性,采用数值模拟的方法开展了研究。数值模拟结果表明：在LTO循环中,RQL驻涡燃烧室的氮氧化物（NOX）与未燃碳氢化合物（UHC）的排放指数EI均低于传统燃烧室的;但一氧化碳（CO）的排放指数(Emission Indext, EI)偏大。RQL驻涡燃烧室NOX的LTO排放数少,是国际民航组织颁布的航空发动机排放标准CAEP6的29.1%;UHC的LTO排放数接近于0;CO的LTO排放数在慢车状态下的数值明显高于其它状态下的。RQL-TVC具有良好的低排放潜力。     

主燃孔射流对模型燃烧室流动及燃烧影响的数值研究

数值研究不同主燃孔射流对模型燃烧室内湍流流动与液雾燃烧全流程流场的影响,采用微分方程和分区相结合方法生成包括突扩扩压器、帽罩、双级轴向旋流器、火焰筒及内外环通道的模型燃烧室三维结构化网格;在任意曲线坐标系下采用多区域耦合法计算模型燃烧室的流场.采用RNG(re-normalization group)k-ε湍流模型,旋涡破碎湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程;颗粒轨道模型模拟两相流动.计算结果与试验数据的比较表明:本计算方法与数学模型适用于预测模型燃烧室湍流冷、热态流场;主燃孔结构参数变化对气流温度分布的影响比对回流区尺寸与速度分布的影响更为明显,其中主燃孔Ⅱ的出口温度分布要比其他主燃孔的出口温度分布更为合理.     

双级旋流器燃烧室的数值模拟

针对所研究的双旋流器的结构特点,采用四面体非结构网格划分方法,生成单、双旋流器头部燃烧室的网格计算模型,对单、双旋流器燃烧室的流场、温场进行了计算,较为详细地分析了双旋流器头部燃烧室的优点.双旋流器燃烧室能改善雾化效果,提高燃烧效率.其计算结果为双旋流器头部燃烧室的设计提供了理论依据.     

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

燃料分配方式对微燃机燃烧室燃烧性能影响

提出了一种喷口位置可变采用燃料多点喷射的干式低排放(DLE)微型燃气轮机燃烧室,为了获得值班级与主燃级之间燃料分配方式对燃烧性能的影响,对该燃烧室在不同分配方式下的燃烧性能进行了实验测试与数值模拟。结果表明:燃料喷口位置改变对污染物排放影响不显著;燃料分配方式的改变对温度场和污染物的生成特性有影响,随着两级燃料分配比例的增大,NOx排放量呈现先减少后增加的趋势,存在一个最佳的燃料分配比例使NOx排放最低;燃烧室内存在明显的中心回流区(PRZ),便于点火及火焰传播;热力型NOx的生成量与温度高于1 950 K的区域大小和最高燃气温度有直接关系。所设计的燃烧室在以天然气为燃料的所有工况下NOx排放都可降低到50 mg/m3以下,达到了低污染燃烧室排放标准(小于50 mg/m3)。     

受限空间内三级旋流流场和燃烧性能研究

为研究受限空间内三级旋流器流场特征和对应的燃烧性能,对不同方案三级旋流器开展了试验和仿真研究,分析了2种典型流场（贴壁流场和锥形流场）特性及其对火焰形态、燃烧室性能指标的影响。结果表明,通过控制三级孔特征可实现三级旋流器下游贴壁流场和锥形流场之间的转变。三级孔为30°时,旋流器的高湍动能有利于强化燃油雾化,同时形成贴壁的大尺寸回流区有利于燃油在主燃区的空间扩散和均匀分布,能够改善燃烧室点熄火性能,但会导致主燃区火焰筒壁温较高。     

多点喷射模型燃烧室性能CFD分析

采用Fluent的雷诺应力模型、非预混燃烧和非预混平衡化学反应PDF模型、压力-旋流雾化喷嘴模型、P1辐射模型,对多点喷射模型燃烧室的燃烧性能进行了计算。分析了不同余气系数的影响及旋流器下游各截面的温度分布,结果表明,数值计算能够模拟大部分流场结构,余气系数对回流区几乎没有影响,但对主燃区的峰值温度位置有明显作用;对NOx分布规律进行了研究,结果表明,NO的分布与温度分布类似,高温区对应高NO质量分数区;随着流动向下游发展,NO分布趋于均匀。     

多旋流器阵列贫油直喷燃烧室流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(RSM)对于同旋向多旋流器阵列贫油直喷(LDI)燃烧室流场进行了数值模拟.计算结果表明,9个旋流器产生的回流区迅速变形衰减,在远离旋流器阵列的下游,形成了一个大的总体旋流.流场中存在的多个回流区及强湍流表明该燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能.通过将RSM的模拟结果与激光多普勒测速仪(LDV)测量值进行比较发现,RSM准确描述了绝大部分流动特性,较好地求解了回流区和高速度梯度问题.      

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。     

Low-NOx Combustor Development pursued within the scope of the Engine 3E German national research program in a cooperative effort among engine Manufacturer MTU,University of Karlsruhe and DLR German Aerospace Research Center

MTU Aero Engines, the University of Karlsruhe and the DLR Aerospace Research Centre co-operated within the scope of the German national aeronautical research program Engine 3E. The program was focused on improving high-bypass turbofan engines. As a part of this program, a low-emission single-annular combustor was developed. The NOx emissions of this combustor are significantly reduced by using the rich-lean combustion concept.The basic idea of this concept is to avoid stoichiometric combustion conditions by splitting the combustion domain into a fuel-rich zone (low-oxygen zone) and a fuel-lean (low temperature zone). The NOx reduction capability of a combustor of this type scales with the homogeneity of the mixture in the rich zone and the time interval needed for the transition from the rich to the lean zone.Based on the insights gained from this cooperative research, an annular combustor was developed and tested at pressures up to 20 bar and inlet temperatures up to 800 K. The tested annular combustor was found to have NOx emissions of about 40% of the ICAO 96 standard. The carbon monoxide and unburned hydrocarbon emissions of the combustor are of about the same levels as present state of the art combustors.     

R0110重型燃气轮机分级燃烧室NOx排放试验研究

R0110重型燃气轮机是中国第1台具有自主知识产权的重型燃气轮机,其燃烧室按照干式低排放（Dry Low NOx,DLN）原理设计,采用燃料径向分级的燃烧技术.燃烧室设计包括2种分级燃烧模式,第Ⅰ模式为常规燃烧模式,第Ⅱ模式主要是针对NOx排放问题而设计的.2种燃烧模式试验研究结果表明：第Ⅱ模式较第Ⅰ模式在污染物排放方面有显著降低,但2种模式均未满足设计要求.通过对试验结果做简要的阐述及分析,提出可采取调整各燃烧区的燃料分配比例、改进燃烧室结构等措施和建议,以进一步改善燃烧室NOx排放特性.