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。     

中心分级燃烧室主燃级设计参数的试验研究

为研究中心分级燃烧室的主燃级设计,本文设计了多个主燃级方案,并在单头部燃烧室试验件上开展试验研究。试验结果表明：燃油飞行时间对燃烧效率影响最大,喷点个数和旋流数对燃烧效率也有一定的影响,级间距对燃烧效率的影响主要体现在小状态;级间距、喷点个数对NOx排放影响最大。在本次研究的试验方案中级间距变化对燃烧稳定性的表现有明显的影响。     

双级旋流多点喷射燃烧室试验研究

为解决高温升燃烧室点火、慢车工况的燃烧稳定性与起飞、巡航工况下高效率低冒烟燃烧之间的矛盾,对采用中心分级技术的双级旋流多点喷射直接混合(TAMDIM)组织燃烧技术的单头部燃烧室进行了试验,试验状态为慢车、起飞、亚声速巡航。通过试验获取了各个工况下燃烧室的燃烧效率、火焰筒壁温分布及冒烟值。TAMDIM燃烧室除慢车工况的燃烧效率小于0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995,采用燃油分级对燃烧室效率影响很小。多斜孔发散冷却有良好的冷却能力,使得火焰筒壁温在燃烧室温升1157K下仅1005K。燃烧室在高油气比状态下冒烟数小于10,满足ICAO规定的要求。     

低压条件下复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率研究

对低压(常压或低于常压)条件下航空发动机燃烧室的燃烧效率作了初步的研究,主要目的是研究复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率的改进。复合式多级旋流杯组织方案由离心雾化和旋流杯空气雾化组成,采用双油路,副油路为小流量离心喷嘴,主油路为直射式喷嘴匹配空气雾化,头部采用三级涡流器组织燃烧。燃油采用RP-3航空煤油。使用单头部燃烧室为试验件,在常压和低压状态下,模拟燃烧室进口速度和总油气比。燃烧效率采用燃气分析法,用效率分析仪进行测量。研究结果表明,复合式多级漩流杯燃烧组织方案能改善低压下的燃烧,提高燃烧效率。      

同心圆式主副模分区燃烧组织燃烧室数值研究

针对新一代高温升燃烧室燃烧组织问题,提出了一种满足高温升燃烧室要求的方案,设计了先进的发散小孔冷却结构和同心圆式主副模分区的头部燃烧组织,采用稳态的压力求解器结合非预混PDF模型,对慢车和设计两个工况进行数值研究。通过数值计算获得了燃烧室速度场和温度场分布特性,结果显示了良好的分区供油分区燃烧组织特性。     

1 种新型燃油分配方案设计

针对航空发动机分级燃烧燃油分配的高精度、变比例需求，提出了1 种基于主、副油路分路计量的新型燃油分配设计方 案，并对该方案进行了理论分析以及仿真和试验验证。结果表明：该方案的燃油分配精度高，燃油分配比例调节灵活，可以满足发动 机日益复杂的低污染设计和控制的需求；在主、副油路同时供油时，燃油分配最小比例与泵后压力负相关，与副油路喷嘴节流特性 正相关。     

油气匹配对燃烧室不稳定性的影响

为抑制全环燃烧室在加温加压条件下的高幅度脉动,研究了燃烧室高幅脉动产生机理和油气匹配对燃烧不稳定的影响,结果表明：实验捕捉到了脉动增大的过程,主频为40 Hz的低频脉动,并产生了倍频,压力脉动引起火焰筒壁温发生了2%的波动,造成了燃烧不稳定;仿真计算发现随着燃烧室进口参数的提高及主油路开启导致的雾化变差会使得压力脉动的频率降低,脉动量升高44%;燃烧室进口压力、温度相对基准工况分别降低15%和30%（工况1）或者提高10%和26%（工况6）时可抑制脉动;增加主油路开始工作附近工况的主油路燃油占比后,脉动量总体有较大的减小;抑制脉动的最佳主副油路分配方案为Case3,相对基准方案提高工况2~工况6主油路燃油占比4%时可消除不稳定燃烧;主油路占比在超过一定值,又会使得脉动量升高。     

低排放燃烧室单头部和全环试验及排放预测研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性,在单头部和全环燃烧室试验件上测量了一种低排放头部方案的排放性能,研究了排放预测方法。试验结果表明：单头部和全环的UHC和NOx接近,而CO差异较大,原因是CO受边界影响较大;CO和UHC主要与最高燃烧温度相关;当仅预燃级供油时,NOx主要受最高燃烧温度控制,而当预燃级和主燃级同时供油时,NOx主要受燃烧区平均温度和分级比控制。采用经验方法研究了排放预测方法,结果表明：单头部和全环预测结果与试验结果均符合较好;采用单头部预测公式预测全环排放时,CO和NOx预测偏差较大,而UHC预测效果较好,CO偏差大是边界的影响导致,NOx偏差大是全环试验油气比和分级比范围超出单头部试验范围导致。     

航空发动机高温升燃烧室贫油熄火及冒烟性能研究

高温升燃烧室头部燃烧组织方案设计,以改善高温升燃烧室的贫油熄火边界及冒烟性能。该方案的特点是采用了三旋流器以及双油路复合式喷嘴,设计的主燃区油气分布相当均匀,而回流区内的油气分布是局部富油的。以常规双旋流器+双油路压力雾化喷嘴(旋流杯)燃烧室作为一个基准方案,在相同的进口实验条件下与本研究方案进行了贫油熄火和出口冒烟性能的比较。实验表明,本研究方案与常规的双旋流杯设计方案相比燃烧稳定性好及出口冒烟改善。      

低排放燃烧室NO_x排放试验及预测方法研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性和排放预测方法,针对一个低排放头部方案,在单头部燃烧室试验件上,在不同的温度、压力、油气比、供油模式和分级比条件下,测量其排放性能。以Lefebvre排放经验预测公式为基础,采用经验分析方法拟合排放试验数据,归纳出适用于本头部方案的排放预测公式。表征预测好坏的判定系数R2在小工况下和大工况下分别为0.95和0.93,表明预测结果与试验结果符合度较好。小工况和大工况排放特性不同,对仅预燃级喷油的小工况工作模式,NO_x排放主要受化学恰当燃烧温度和预燃级局部当量比的影响;对预燃级和主燃级同时喷油的大工况工作模式,NO_x排放主要受燃烧区温度和主燃级燃油比例的影响。     

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 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.     

高温升三旋流燃烧室与双旋流燃烧室的性能对比

采用参数化建模的方法,保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸与单环腔燃烧室(SAC)一致,将燃烧室头部旋流器从双旋流结构设计为三旋流结构,采用三维数值模拟的方法对双旋流燃烧室(DSC)和三旋流燃烧室(TSC)的流动和燃烧过程进行数值模拟.对比研究了两种燃烧室在高温升条件下的性能.结果表明:传统的DSC已不能满足油气比为0.037的高温升燃烧室的燃烧效率等性能需求,TSC可获得比DSC更高的总压恢复系数、燃烧效率以及温升,更低的出口温度分布系数(OTDF)和径向出口温度分布系数(RTDF);在油气比为0.037情况下,设计的高温升TSC总压降在5%以内;OTDF为0.162,RTDF为0.106;燃烧效率大于99%.      

航改型双环燃烧室燃烧反应特性试验

针对地面运输用燃气轮机低排放的要求,试验研究了一种双环预混旋流(TAPS)燃烧室在以0号柴油为燃料时的反应特性。结果表明:采用TAPS燃烧室由于空气分配方式的改变,总压恢复系数在0.97以上,高于经典单环燃烧室。由于柴油黏度和燃点的影响,使用柴油为燃料时最低常压点火油气比高于0.05,要比相同结构采用航空煤油为燃料时的点火油气比高,但慢车贫油熄火极限没有明显的变化,维持在0.006~0.008之间。采用压力雾化的预燃级存在燃料混合不均匀的问题,导致燃烧效率只能达到0.99,为要求值的下限,但燃烧室出口温度分布系数小于0.25,达到了所要求的性能指标。由于采用了预混预蒸发燃烧,污染物排放中NOx的干基体积分数为1.76×10-5,明显低于所要求的性能指标,但CO的干基体积分数较高达到了5.02×10-4。综合比较各项性能指标,该燃烧室在点火、贫油熄火、燃烧室出口温度分布和NOx排放上表现出了一定的优势,但燃烧效率低和CO排放高还是需要解决的问题。      

火焰筒压力损失对贫油熄火特性和燃烧效率的影响

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贫油熄火性能及燃烧效率的影响.在模拟慢车状态下,低压力损失方案均比基准方案的贫油熄火油气比低,2.5%方案的贫油熄火油气比最低;在模拟高温高压状态,3种方案火焰筒燃烧效率对火焰筒压力损失不敏感.综合比较地面起动点火试验结果,在该基准上将火焰筒压力损失降低至2.5%不会对燃烧室综合燃烧性能造成不利影响.      

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.      

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)。     

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。      

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。