主燃孔位置对于燃烧室气动力学及点火熄火性能的影响研究(英文稿)

在燃气轮机燃烧室内,通常采用头部旋流装置来稳定火焰,旋流与主燃孔横向射流的交互影响使得燃烧室内主燃区的气动特征非常复杂。本文的研究目的在于分析主燃孔位置变化对于燃烧室流场及点火熄火性能的影响规律。本文研究同一燃烧室中,三个不同主燃孔位置带来的影响。使用商用软件Fluent 13.0进行了本研究冷态流场的数值模拟,得到了旋流杯下游流场的信息。在本研究尺度内,随着主燃孔向燃烧室下游移动,回流流量增加。试验研究了三种方案的点火熄火性能。分别进行了常温常压点火熄火性能试验,常温低压点火性能试验和加温常压熄火性能试验。试验结果表明,随着主燃孔位置向下游移动,燃烧室的贫油点火、熄火边界都变宽,点火熄火性能得到改善。对于常温常压且压降在3%这一典型燃烧室工况而言,[Lp/Hd]=0.9的方案比[Lp/Hd]=0.5的方案贫油点火性能提高了35%。本研究表明主燃孔位置对燃烧室内气动热力及点火熄火性能影响显著。     

三旋流器头部燃烧室拓宽燃烧稳定工作范围的研究

对有三旋流器的单头部燃烧室进行了燃烧性能的实验研究,进行了慢车工况的贫油熄火过程及大工况的冒烟性能的研究。研究的因素考虑了不同的头部油气比(余气系数)及喷嘴形式(单或双油路)。研究结果表明:头部余气系数小时改善了贫油熄火油气比;同时,三旋流器与双油路离心喷嘴组合方案的试验表明,这种方案基本上能满足拓宽燃烧稳定工作范围的要求,但其冒烟与要求相比,其性能已与要求值相接近,在这方面尚需进一步改善。      

固体火箭发动机熄火与再启动实验

本文介绍了采用激光点燃固体小发动机的实验设备及小发动机的熄火装置.并且给出了丁羟推进剂小发动机一次熄火与熄火后再点火的试验初步结果.     

带U型槽射流缝隙式稳定器燃烧性能的试验研究

对提出的带U型槽射流缝隙式稳定器(简称U型)进行了热态燃烧性能的试验研究,并与V型和双V型稳定器进行了对比。燃烧试验表明:在特定供油方式下,V型和U型稳定器的点火性能好,双V型最差;U型稳定器的燃烧效率最高,双V型次之,V型最差。这些结果说明了本文提出的U型稳定器能够很好地改进双V型稳定器在上游用雾化槽供油时点火困难和火焰稳定性差的不足,兼具蒸发式稳定器和双V型稳定器的优点。冷态流场测量结果表明:U型稳定器在稳焰槽内的流动具有三元结构,在稳定器下游形成较双V型稳定器更强的回流区和低速区,从而使其具有较双V型稳定器更好的点火性能和火焰稳定性。      

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.      

三级旋流器旋流角匹配影响双环预混旋流燃烧室燃烧性能试验

为研究地面用燃气轮机以0号柴油为燃料时的燃烧特性,对装有值班级直射式喷嘴和5种旋流器组合方案的双环预混旋流(Twins Annular Premixing Swirler,TAPS)燃烧室的特性进行了实验测试,获得了5种旋流器组合方式下燃烧室的流阻性能和燃烧性能。研究结果表明:双环预混旋流燃烧室的总压恢复系数都在0.97以上,高于经典的单环腔燃烧室;值班级采用直射式喷嘴会导致燃烧室的点火和CO排放性能下降,点火油气比在0.04以上,CO排放高于36g/kg;随值班级旋流角增大,可改善点火性能,最低点火油气比可达到0.04左右,加宽贫油熄火边界,慢车贫油熄火边界可低至0.0058;燃烧室入口温度升高可以使燃烧室点火油气比下降30%,贫油熄火油气比下降35%;5种旋流器组合方式下,NO_x和UHC的排放最低达到了1.1g/kg和3.85g/kg,满足低排放燃烧室的要求,冒烟指数达到了无烟燃烧室的标准,CO排放最高达到了51.84g/kg远高于要求值,燃烧效率最高为0.987,低于先进燃气轮机对燃烧效率的要求。     

采用火焰面/反应进度变量方法模拟湍流燃烧

在自主开发的软件平台上添加了火焰面/反应进度变量方法,选取了两种反应进度变量分别对甲烷/空气的同轴射流燃烧室进行了数值模拟.将计算结果与稳态火焰面模型、文献参考值以及实验值进行了对比研究,结果表明:采用火焰面/反应进度变量方法能捕捉到稳态火焰面模型所不能预测到的火焰抬举等非稳态现象,得到的结果与文献参考值以及实验值出入很小,能准确反应真实的燃烧过程;另外不同反应进度变量的定义对计算结果有较大的影响,采用火焰面/反应进度变量方法对主要中间产物一氧化碳的预测比文献参考值更好,更接近于实验值.      

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.     

多孔介质结构参数对表面火焰熄火特性的影响

为优化基于多孔介质头部的微型燃烧室,以甲烷/空气预混气为燃料,针对多孔介质结构参数(当量孔径、孔隙率)在不同预混气初始温度下,对表面火焰熄火特性进行实验研究.研究表明:当量孔径为120μm的多孔介质表面火焰两侧同时发生脱火,当量孔径为80μm时先发生一侧脱火.随孔隙率或当量孔径的减小,熄火速度提升.当量孔径为80μm,孔隙率为0.55,0.50,0.45的多孔介质在当量比为1.0,预混气初始温度为300K时的熄火速度分别为1.11,1.22,1.31m/s.孔隙率为0.50,孔径为120,80μm的多孔介质在当量比为1.0,预混气温度为300K时的熄火速度分别为0.73,1.22m/s.预混气初始温度的升高对当量孔径为120μm或孔隙率为0.45的多孔介质影响更加明显,预混气初始温度从300K升至500K时,熄火速度分别增加了120%,76%.     

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.