微涡喷发动机离心甩油盘环形折流燃烧室的设计与实验研究

微涡喷发动机是低成本的结构简单的燃气涡轮动力装置,特别适合于推动巡航导弹、(雷达)假目标、轻型直升机、无人侦察机和航空靶机。离心甩油盘环形折流燃烧室由于具有燃油雾化质量好,轴向长度短,高空性能好等优点,很适合作为微涡喷发动机动力装置的燃烧室。本文主要研究了离心甩油盘环形折流燃烧室的气动热力学参数和几何参数的设计,并通过实验研究验证参数设计的合理性。      

涡轮喷气式发动机整机环境下折流燃烧室性能试验

采用整机试验的方法,对某型涡轮喷气式发动机从低转速到高转速状态下的燃烧室出口温度进行了测量.结果表明:该折流燃烧室在发动机低转速下性能较差,但各项性能参数随着发动机转速的增加而上升.在发动机设计点状态下,该折流燃烧室各项指标基本符合设计要求,其出口温度分布系数小于0.31,燃烧效率可达98.1%.      

折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构，对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程，获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明：（1）冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分，主回流区冷态时呈现多涡结构，热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构；（2）燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成，涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换；（3）热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。     

某折流燃烧室火焰筒壁温试验

在发动机整机上,利用多变色不可逆示温漆测温法对采用全气膜发散冷却结构的某折流燃烧室火焰筒的壁温进行了试验,获得了火焰筒壁面温度分布规律,并将试验结果与流场计算结果进行了对比分析.研究表明:①该折流燃烧室火焰筒壁温分布较均匀,冷却方式合理;②火焰筒壁温梯度较小,最高壁温远低于所选材料的允许工作极限值,预计该火焰筒使用寿命较长.      

涡扇发动机燃烧室三维冷态流场的计算

论述了某型号涡扇发动机带甩油盘燃烧室从建模到流场计算的整个过程，对半折流式环形燃烧室进行了冷态流场三维流动数值模拟，运用先进的数值计算软件，模拟甩油盘旋转甩油的过程，数值计算得到了燃烧室的速度场、总压恢复系数的分布以及燃油分布情况。为燃烧室的热态流场计算和燃烧室的设计、反设计及改型奠定了基础。     

方腔折流燃烧室冷态流场研究

方腔折流燃烧室是针对小型燃气涡轮发动机所设计的新型燃烧室设计方案,其目的是为了克服常规回流燃烧室所存在的总压损失较大、出口温度分布控制困难等问题。通过对方腔折流燃烧室和回流燃烧室的冷态流场进行数值模拟,发现在相同的工况下,方腔折流燃烧室具有对称的头部流场,其回流区空间尺度是常规回流燃烧室的9.4倍,回流强度是常规回流燃烧室的1.8倍,而火焰筒壁面总面积仅为常规回流燃烧室的51%,进出口总压损失仅为常规回流燃烧室的69.4%。     

贫燃料湍流预混燃烧火焰稳定性的数值研究

对突扩燃烧室内甲烷-空气预混燃烧进行了数值模拟,时均控制方程组的封闭采用RNG 湍流输运模型和premixed combustion模型.通过模拟研究了不同当量比及进口速度对甲烷-空气预混燃烧效果的影响.CFD数值模拟结果给出了燃烧室内湍流预混反应流的速度场及温度场分布.模拟结果表明当量比为0.6、进口速度为30 m/s时燃烧室内产生稳定预混火焰.该结果对于航空燃气轮机低NOx排放燃烧技术的研究提供了一定的参考条件.     

折流燃烧室间接点火过程研究

为了研究某折流燃烧室的间接点火过程,对三种不同初始火核位置的燃烧室进行大涡模拟计算,并结合燃烧室点火试验和性能试验进行验证。研究结果表明：折流燃烧室的主燃区可分为三个区域,分别是主回流区、横跨气流区以及次回流区;燃烧室点火成功的关键在于初始火炬进入次回流区;通过大涡模拟计算得到的贫油点火边界油气比与点火试验结果的绝对误差在0.004以内。     

基于曲线坐标系浸没边界方法的折流燃烧室模拟

航空发动机折流燃烧室几何结构复杂,其高保真数值模拟需要高效的网格与边界条件处理方法。采用曲线坐标系隐式浸没边界方法结合大涡模拟-概率密度函数输运方程湍流燃烧模型开发自研软件,并实现WP11中折流燃烧室的高保真模拟。流动模拟中准确解析了该燃烧室中的三股主要气流,且三股气流分别约占进口流量的75%,12.5%和12.5%。两相燃烧模拟中针对拉格朗日框架下的液滴运动和欧拉框架下的湍流燃烧采用不同网格标记,模拟得到的出口径向温度分布规律与实验一致,平均相对误差为17.95%,表明基于本方法开发的自研软件能准确模拟折流燃烧室中的两相湍流燃烧现象。     

微型涡喷发动机燃烧室优化与试验研究

在微型涡喷发动机甩油盘式折流燃烧室自主设计的过程中,遇到由高转速向设计转速过渡时发动机骤熄的问题。通过对骤熄原因逐个排查并结合Fluent软件对不同转速下燃烧室流场的数值计算结果进行研究,最终查明问题缘由并开展针对性的优化。试验显示优化后的火焰筒成功解决燃烧室骤熄的问题,发动机各项性能达标。结果显示解决发动机骤熄的关键因素在于:维持头部多涡流场结构不变,主燃区进气量约32%,头部多采用密集并且直径小于2mm的小射流孔以及沿火焰筒轴向渐进式小气量供气。     

一种离心甩油盘雾化性能的试验

在离心甩油盘性能试验器上对一种离心甩油盘雾化性能进行了较详细的试验研究,用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了不同转速下甩油盘的燃油雾化粒度索太尔平均直径(SMD)、雾化锥角等性能参数.试验结果表明:在试验转速范围内,随甩油盘转速增大,甩油盘雾化锥角α逐渐减少; 随甩油盘转速增大,雾化粒度SMD值逐渐减少,当甩油盘转速大于25000r/min时,燃油的SMD值基本保持不变; 在同一甩油盘转速下,燃油的SMD值随离甩油盘喷油孔距离的增大而增大.      

折流燃烧室外环前端发散孔综合冷却效率模型实验

针对某型折流燃烧室外环壳体前端典型区域,设计了模拟主流局部流场的发散冷却模型.通过红外热像仪测量发散孔板表面的温度场,分析比较了吹风比、发散孔阵列方式、孔径及开孔率对综合冷却效率的影响.发散孔阵列方式有正菱形、长菱形和超长菱形3种,孔径变化范围为0.6~1.0mm,开孔率范围为3%~6%,吹风比变化范围为1~6.结果表明:由于壳体前端回流区的影响,发散孔板综合冷却效率沿主流方向整体呈现先升高后降低的趋势.吹风比为2时的综合冷却效率最高,发散孔阵列呈长菱形排布较优.在相同的开孔率下,孔径的减小有利于改善综合冷却效率.发散孔板开孔率从3%增加到4.8%可以显著提高综合冷却效率.      

某型涡轴发动机燃油雾化数值分析

建立了甩油盘内外流道模型,利用 VOF(Volume of Fluid)方法对发动机起动和稳态工作过程中 6种不同工况下燃油流动过程进行了非稳态计算,得到了燃油在高速旋转的甩油盘中随时间变化的流动状态以及离开甩油盘后与空气相互作用产生的雾化规律,分析了影响燃油出口速度和一次雾化效果的主要因素。计算结果表明:燃油在甩油盘内经过短暂累积后,以油膜的形态沿径向孔高速喷出,其累积过程和出口速度与甩油盘转速和供油量有关,发动机工况越高,燃油速度越高,其受到空气作用后产生的一次雾化效果越好。计算结果可以为不同工况下燃烧室仿真计算边界条件设置提供参考。     

超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究

利用西北工业大学电阻加热超声速燃烧室直连式实验设备,针对自行设计的超声速燃烧室模型,在燃烧室入口马赫数Ma=2.0、入口流量m=0.73～1.0kg/s、入口总压p_t≈(7～8)×105Pa、入口总温T_t为室温条件下,开展了不同燃烧室进口流量、隔离段长高比以及燃烧室出口堵塞比情况下的燃烧室冷流实验;采用CFD商用软件对燃烧室冷流流场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比和分析.研究结果表明,增加隔离段的长高比,可以提高燃烧室抗反压的能力,燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响,同时通过计算结果与实验数据的对比验证了计算方法的适用性.      

多点喷射扇形燃烧室出口温度场试验

在中国燃气涡轮研究院的环形燃烧室试验器的高压试验台上完成了多点喷射燃烧室出口温场试验与调试.试验结果表明:可以通过头部燃油喷射点的开关来控制多点喷射燃烧室的出口温度分布,这种控制方式对出口温度分布系数的影响增大,对径向温度分布系数的影响减小.多点喷射燃烧室效率和传统燃烧室效率相当一致,表明多点喷射燃烧室的应用是可行的.试验结果对相关燃烧室的设计具有指导和参考意义.      

贫油预混预蒸发低污染燃烧室头部流场研究

 通过数值与试验相结合的方法对一种带有多点燃油直接喷射/双环预混旋流(TAPS/MLDI) 燃烧室头部的贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室冷态流场进行研究。采用粒子图像测速仪(PIV)试验研究不同火焰筒头部结构参数(值班级旋流器叶片安装角) 对LPP低污染燃烧室气流结构的影响。同时利用FLUENT软件对该低污染燃烧室进行数值模拟,所得的计算结果与试验数据比较吻合,表明所研究的LPP低污染燃烧室头部都存在中心回流区(PRZ)、角落回流区(CRZ)以及唇口回流区(LRZ),而且随着值班级旋流器旋流角度的增大,所得的中心回流区径向与轴向尺寸也相应增加。     

某驻涡燃烧室性能数值模拟

设计了适用于某驻涡燃烧室模型的喷油杆,对该喷油杆进行了冷态雾化试验,在不同的气液比、不同的气体和液体压力下研究了喷油杆的雾化性能.通过计算流体动力学(CFD)方法对驻涡燃烧室进行了冷态和热态的数值模拟,得到了燃烧室内部的速度场、温度场和质量分数分布.计算结果表明:该燃烧室设计合理,结构紧凑,燃料燃烧充分,凹腔试验件的壁温分布较为理想.得到了总压损失和出口温度分布的变化规律:燃烧室的总压损失略偏大,出口温度分布较为均匀.并对出口温度分布的规律进行了试验验证,研究结果可以为驻涡燃烧室的工程应用提供参考.