改进的预测气体燃料贫油熄火边界的半经验公式

为了进一步考察采用气体燃料时,火焰体积(FV)模型对贫油熄火边界预测的适用性,推导了气体燃料的FV模型。经过对7种典型的航空发动机燃烧室(即采用双径向旋流器和双轴向旋流器,分别改变一级旋流器、二级旋流器的进气面积和主燃孔的个数)进行验证实验,并与液体燃料FV模型和Lefebvre模型的预测结果进行比较。结果表明,上述三种模型虽然基本都可以用于气体燃料贫油熄火边界的预测,但各自的预测精度不同。在实验范围内,气体燃料FV模型、液体燃料FV模型、Lefebvre模型的预测精度依次为±5.6%,±6.9%,±7.1%。气体燃料FV模型在预测气体燃料的贫油熄火边界时有最好的预测精度。     

局部富油供油扩展燃烧室贫油点火熄火边界研究

介绍了燃烧室主燃区设计中熄火特性与综合性能间的折衷考虑,设计了火焰筒头部均匀供油和局部富油供油方案,并在全环试验燃烧室上进行了两种方案对燃烧室贫油点火熄火边界影响的对比试验,分析和总结了火焰筒头部局部富油设计方案的点火熄火规律。结果表明:局部富油设计可显著扩展燃烧室贫油点火熄火边界。      

中心分级低污染燃烧室贫油熄火模型

为了准确掌握中心分级燃烧室火焰稳定边界的影响因素,建立中心分级燃烧室贫油熄火边界预测模型,对中心分级燃烧室的熄火过程进行了试验与理论研究。研究获取了燃烧室结构、雾化和工况参数对燃烧室贫油熄火边界的影响规律,建立并验证了中心分级燃烧室熄火半经验预测模型。结果表明：相比反向涡流器,同向涡流器下游具有更大的回流区、更低的回流速度和更长的停留时间,从而减弱了主燃级与值班级之间的湍流交换,导致同向旋流火焰的贫油熄火性能明显优于反向旋流火焰的熄火性能。中心分级燃烧室熄火边界预测模型对单头部和全环燃烧室熄火性能预测的最大误差为20%,满足燃烧室工程设计需要。     

扇形段与全环燃烧室熄火性能换算研究

为研究不同类型燃烧室试验件熄火性能之间的关系,开展了扇形段和全环燃烧室的熄火性能试验.通过试验对比了二者熄火规律的相似性和差异性,并分析了造成差异的主要因素.以Lefebvre熄火模型为基础,结合雾化数据,拟合得到扇形段与全环燃烧室的贫油熄火经验关系式,并推算出二者熄火性能的定量换算公式.结果表明:扇形段与全环燃烧室的熄火边界变化规律类似,但在相同的工作状态条件下,全环燃烧室的贫油熄火油气比小于扇形段的相应值.     

不同台阶高度对中心分级燃烧室点火熄火性能的影响

设计了一种贫油燃烧中心分级燃烧室,采用单头部矩形试验件,试验研究了3种不同台阶高度对点火熄火性能的影响.试验中只有预燃级喷嘴供油工作,在常温常压、常温低压条件下进行了贫油点火试验,在常温常压、加温常压下进行了贫油熄火试验.结果表明:台阶高度越大,贫油点火边界越宽,同时贫油熄火边界越宽;进口温度的升高有助于改善贫油熄火性能,并缩小3种方案贫油熄火油气比的差距,在320~570K的进口温度范围内,贫油熄火油气比的最大差距由40%减小到13%;3种方案都具有较好的常温负压点火性能,且在0.5%~1.5%的火焰筒进出口总压降下,贫油点火油气比差异不大,最大相差不超过10%.     

替代燃料贫油熄火边界影响因素

为了研究燃油以及入口空气压力对于贫油熄火(LBO)边界的影响大小及规律,采用航空煤油(RP-3)、高沸点费托油(FT)和柴油进行了三种不同燃烧室入口压力工况下的贫油熄火实验并进行规律分析。分析结果表明:入口压力对贫油熄火边界的影响(19.17%)要大于燃油性质造成的影响(6.26%)。导致熄火油气比变化的主要因素包括入口空气压力,火焰体积,燃烧室温度,燃油雾化直径以及燃油的热值和密度,其中火焰体积和燃油雾化直径主要受燃油性质影响,而燃烧室温度则与入口压力有很大关系。入口压力影响的贫油熄火油气比变化会受其影响的火焰体积和燃烧室温度变化而削弱。碳数高支链烷烃含量少的燃油可能会提高火焰体积对熄火油气比的影响,使其在低入口压力下有更好的贫油熄火边界。      

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.     

基于驻涡燃烧室的贫油熄火经验关系式初探

 驻涡燃烧室（TVC）与传统旋流燃烧室相比采用不同稳焰方式。在前期试验研究的基础上对其贫油熄火(LBO)性能进行归纳总结,参考并与Lefebvre基于化学反应的贫油熄火经验关系式相比较,提出适用于采用煤油为燃料、蒸发管方式供油的驻涡燃烧室的贫油熄火经验关系式。针对驻涡燃烧室提出的贫油熄火经验关系式包含了蒸发管雾化性能、主流气流量和凹腔卷吸气流量等因素,对比经验关系式的预测结果与试验结果,最大误差在15%以内。     

中心分级燃烧室耦合回流区贫油熄火机理

针对中心分级模型燃烧室开展了常压贫油熄火试验和慢车状态贫油熄火试验,并结合贫油熄火时的主/预燃级耦合回流区流场数值模拟分析了该燃烧室的贫油熄火机理.结果表明:与常规燃烧室的贫油熄火机理不同,中心分级燃烧室的贫油熄火油气比是由预燃级和主燃级共同形成的耦合回流区所决定的.耦合回流区的回流量主要由主燃级回流主导,在该研究的中心分级燃烧室结构下,回流区从主燃级卷吸的气量是预燃级本身气量的4.3倍,导致按预燃级气量计算的熄火当量比达到2~2.5,远高于常规燃烧室头部的熄火当量比0.4~0.5.      

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。      

燃烧室贫油熄火极限数值预测

在任意曲线坐标系下分别对双级轴向涡流器矩形燃烧室及涡流杯回流环形燃烧室三维两相反应流场进行数值模拟,采用RNG(renormalization group)k-ε,SOM-EBU(second order moment-eddy break up model)及六通量辐射等模型考虑紊流流动、化学反应及辐射传热对燃烧过程的影响;采用SI MPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)算法求解流场,气液两相耦合采用颗粒源项法处理.采用提出的燃油稳态逐次逼近法对贫油熄火极限进行数值预测,所得计算值与实验数据较为相符,表明此数值预测方法可靠,可用于工程实践.      

基于冷态数值模拟的航空发动机燃烧室贫油熄火预测

在经典均匀搅拌反应器理论(Perfect Stirred Reactor)的基础上,对Lefebvre贫熄模型中的燃烧体积和燃烧空气量进行改进,建立起燃烧室冷态流场与热态贫熄性能的对应关系,进而达到从冷态流场预测热态贫熄性能的目的。采用商业软件Fluent对燃烧室的冷态速度场和燃料浓度场进行数值模拟,通过燃料的可燃边界定义出理论的可燃区体积(Vf)和进入可燃区的回流空气量(mr)两项关键参数组成燃烧负荷参数Vf.mr,并通过油量迭代逼近(Fuel Iterative Approximation)的方法达到对燃烧室贫熄边界的预测。通过与实验结果的对比表明:燃烧室的冷态流场与其热态贫熄性能是相互关联的,燃烧负荷参数与熄火油气比近似成线性关系;采用油量迭代逼近的方法对燃烧室的贫熄边界进行预测,预测精度控制在±8.4%。     

单头部/扇形/全环燃烧室贫油点火性能换算

通过单头部、扇形和全环燃烧室的点火性能试验,对比了3种试验件贫油点火边界结果的关联与差异,同时对差异原因进行了讨论分析。进一步地,基于Lefebvre点火模型,通过数据拟合处理方法获得了各试验件贫油点火边界的经验公式,并得到它们之间的换算方程。研究表明:不同类型燃烧室试验件的贫油点火边界变化规律相同;同一状态做对比,全环试验件的贫油点火油气比则明显低于单头部和扇形件的相应值。      

CFD predictions of LBO limits for aero-engine combustors using fuel iterative approximation

Lean blow-out (LBO) is critical to operational performance of combustion systems in propulsion and power generation. Current predictive tools for LBO limits are based on decadesold empirical correlations that have limited applicability for modern combustor designs. According to the Lefebvre’s model for LBO and classical perfect stirred reactor (PSR) concept, a load parameter (LP) is proposed for LBO analysis of aero-engine combustors in this paper. The parameters contained in load parameter are all estimated from the non-reacting flow field of a combustor that is obtained by numerical simulation. Additionally, based on the load parameter, a method of fuel iterative approximation (FIA) is proposed to predict the LBO limit of the combustor. Compared with experimental data for 19 combustors, it is found that load parameter can represent the actual combustion load of the combustor near LBO and have good relativity with LBO fuel/air ratio (FAR). The LBO FAR obtained by FIA shows good agreement with experimental data, the maximum prediction uncertainty of FIA is about ±17.5%. Because only the non-reacting flow is simulated, the time cost of the LBO limit prediction using FIA is relatively low (about 6 h for one combustor with computer equipment of CPU 2.66 GHz · 4 and 4 GB memory), showing that FIA is reliable and efficient to be used for practical applications.     

凹腔油气匹配对驻涡燃烧室点火性能影响试验

针对一种以煤油为燃料的驻涡燃烧室,在前期研究的基础上对其前体油气匹配进行几种结构改变,探讨驻涡燃烧室头部油气匹配及后体气量变化时对其点火熄火的影响。对仅采用凹腔供油的驻涡燃烧室的贫油点火及贫油熄火特性进行了试验研究表明,随后体气量增加,总的贫油点火油气比先下降后上升,绝大部分工况下,总的贫油点火油气比在0.04以下;贫熄总油气随主流气量的减小先增大后减小;各个方案熄火总油气比都在0.004以下;凹腔前体进气温度的提高有利于驻涡燃烧室的点火熄火性能。     

头部气量分配对旋流杯结构燃烧室贫熄性能的影响

针对采用双径向旋流器的某单头部矩形燃烧室,通过实验研究旋流器及主燃孔进气量变化对燃烧室贫油熄火特性的影响,发现旋流器的进气量减少会使熄火油气比减小.其中,一级旋流器进气量减小一半可拓宽熄火边界约18%左右,对熄火油气比的影响最大.而主燃孔的进气量减少一半则会使熄火油气比增大约13.1%.不过,主燃孔以及两级旋流器的进气量同时减少一半,可能使燃烧室的熄火油气比进一步降低,从而获得更大的稳定工作范围.      

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.      

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。