燃料特性对燃气轮机燃烧室火焰辐射影响分析

采用数值方法研究了燃气轮机燃烧室燃料特性对火焰辐射换热的影响.在燃烧室确定油气比和进气温度时,取不同燃料特性对燃烧室的火焰辐射换热进行模拟计算.模拟结果表明:燃料物理特性影响燃油的雾化质量和蒸发效率,影响主燃区燃烧效率,引起燃气温度及分布改变;影响主燃区碳黑粒子的生成及浓度分布,引起燃气发光辐射对火焰筒壁辐射热流的变化,导致火焰筒壁温变化;燃油物理特性和H含量引起的燃气温度变化影响NO生成,主要受物理特性引起的燃烧效率的影响,H含量的影响相对较小.     

分级燃烧技术及其在同心分级燃烧室中的应用

为了解决军、民用航空发动机燃烧室火焰筒头部加入更多空气参与燃烧而导致在地面慢车状态下贫油熄火性能变差的 问题,广泛采用分级燃烧技术。分级燃烧相对常规燃烧室而言,其燃油或空气分别从不同位置进入燃烧室,在火焰筒内形成局部富 油区,以提供足够的稳定边界。同心分级的值班级位于正中心,起到点燃与在发动机小功率状态下稳定火焰的作用。主燃级环绕于 值班级外侧,油气混合物与值班级的油气混合物呈同心分布。根据其技术特点,油气匹配技术、燃油喷嘴热防护、燃烧室出口温度场 控制、燃油系统供油控制等是研制中需要密切关注的关键技术。     

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。     

进气温度对航空发动机燃烧室辐射换热的影响

为了解燃烧室内火焰辐射换热特性,建立了某型航空发动机燃烧室计算模型,利用数值模拟方法,研究了不同进气温度下燃烧室内燃气温度、碳黑粒子生成及分布变化对燃烧室辐射热流量和火焰筒壁温的影响。研究结果表明：随着进气温度的升高,燃气温度升高,碳黑粒子质量分数增大,且高温区和碳黑粒子生成区均往前移;火焰筒壁温急剧升高,高温区集中在燃烧室中间段和掺混段,主燃区火焰筒壁温相对较低;辐射热流量不断增加,由3245 W增加到8674 W,辐射热流量主要受燃气辐射特性影响     

喷嘴匹配方案及火焰筒开孔对燃烧室性能影响的试验研究

基于航空发动机主燃烧室扇形试验,针对点火喷嘴特性以及火焰筒大孔射流的改变对主燃烧室性能的改善情况进行了研究。试验中进行了点火用喷嘴匹配方案对燃烧室熄火性能,以及火焰筒大孔面积变化对燃烧室贫油熄火、燃烧效率和出口温度场性能影响的研究。研究结果表明：在供油系统设计中采用放大型点火喷嘴可改善主燃烧室贫油熄火性能;增大火焰筒主燃孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,而贫油熄火特性将变差;增大掺混孔的面积可提高燃烧室的燃烧效率,改善出口温度场分布,拓宽燃烧室的熄火动界．     

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。     

航空发动机环管燃烧室喷雾燃烧性能研究

为研究某型航空发动机环管燃烧室喷雾燃烧性能,建立了该燃烧室计算模型,并利用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)试验测得了不同供油压力下的喷嘴雾化粒度和喷雾锥角。根据试验结果,利用Fluent软件,对装有该喷嘴的环管燃烧室进行了数值模拟。结果表明:燃烧室内油气掺混均匀,雾化质量高,头部形成了良好的回流区;燃烧集中在主燃孔附近,火焰筒壁受热均匀,火焰较短;出口燃气温度分布合理、呈抛物线形,没有出现局部高温,满足涡轮进气要求,有利涡轮寿命。     

雾化特性对喷雾燃烧点火过程的影响

为了研究雾化特性对喷雾燃烧点火过程的影响,用马尔文激光粒度分析仪等雾化测量系统,对离心喷嘴流量、喷雾锥角、周向不均匀度、液滴索太尔平均直径(SMD)、液滴尺寸分布指数(N)等雾化特性进行了测量;采用高速摄影机和热电偶测温系统,记录了燃烧室内点火过程和燃烧室出口温度变化历程,揭示了初始火焰形成及火焰传播过程,探讨了喷嘴雾化特性对燃烧室初始火焰形成、火焰发展、出口温升开始时间、最大温升时间以及温升率等点火过程和点火性能的影响规律。研究结果表明:随着供油压力的提高,离心喷嘴的燃油流量呈现二次曲线增加,SMD逐渐减小,N值呈现先下降后上升的趋势。在点火油气比为0.0078~0.0125时,随着供油压力的提高,初始火焰变长,火焰的发展先沿着靠近燃烧室上壁面部分向下游发展,再向燃烧室中下部分发展,火焰亮度增强,燃烧室出口温升开始时间缩短,最高温升时间增大,温升率提高,最大温度值上升。在相同的点火油气比下,距离燃烧室上壁面1/4燃烧室高度处热电偶(TC-1)温升值和温升率最高,温升开始时间最低;距离燃烧室上壁面3/4燃烧室高度处热电偶(TC-3)温升值和温升率最低,温升开始时间最高。     

主燃级喷嘴和燃油分级后雾化特性实验研究(“两机”专刊)

为优化高温升主燃烧室燃烧性能,对三级旋流主燃烧室开展雾化特性试验研究。预燃级喷嘴采用离心喷嘴压力雾化和气动雾化相结合,主燃级采用预膜式气动雾化。试验采用相位多普勒粒子分析仪对主预燃级喷嘴和燃油分级后的雾化特性进行研究,对比分析了不同头部压降和燃油流量在不同轴向截面和径向位置的液滴粒径分布,并利用高速摄像对不同工况下的喷雾形态进行了记录。试验结果表明：主燃级油雾粒径为50~80μm,气液比达到3.5即可达到良好的雾化水平。随着轴向距离延长,喷雾粒径变大,喷雾浓度变得均匀。燃油分级比增加可降低整体粒径约10μm,且主要影响中心区域,对雾锥外侧粒径影响不大。     

双环预混旋流燃烧室点熄火性能试验研究

为了通过试验方法获得贫油点熄火边界,以双环预混旋流低污染燃烧室为研究对象,分析主燃级径向旋流器的叶片角 度、旋转方向及多斜孔壁火焰筒的冷却孔偏转角等参数对燃烧室点熄火性能的影响。结果表明：主燃级旋流器叶片角度对燃烧室的 点火性能影响不大;火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于旋向相反时的点火性能;预燃级旋 流器与主燃级旋流器旋向相反时,火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于无偏转角时的点火性 能,旋向相同时,则无明显影响;火焰筒冷却孔无偏转角时,预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反的贫油熄火性能优于旋向相同 时的贫油熄火性能。     

喷嘴损伤对环形回流燃烧室性能的影响

利用Fluent商用软件对模型环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场进行了数值模拟，研究了喷嘴损伤引起雾化效果变化对燃烧室性能的影响，采用可实现的k-ε模型模拟湍流黏性、离散相模型（DPM）通过添加UDF(user defined function)程序追踪燃油运动轨迹、正庚烷作替代燃料及层流小火焰模型.计算结果表明:采用的数值模拟方法可以预估实际燃烧室燃烧流场以及喷嘴损伤对其性能的影响，雾化性能变化导致燃烧室出口温度分布不均匀度升高，品质降低，并导致燃烧室燃烧效率降低；当燃油流量降低约19%时，燃烧室性能已不符合运行要求.      

燃用低热值燃料燃烧室试验

对采用低热值气体燃料燃烧的某型发动机燃烧室进行试验研究,并对该燃烧室进行改进设计.通过降低主燃区燃气速度和对燃料气进行预热以提高燃烧效率,通过对火焰筒头部及喷嘴进行改进以提高燃烧室出口温度,通过在火焰筒掺混段加掺混管来优化温度场.试验研究表明:改进后的燃烧室其燃烧效率和出口温度优于原型燃烧室.      

弱旋流喷嘴的污染排放和燃烧稳定性分析

基于弱旋流喷嘴(LSI)的弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力.分析了弱旋流燃烧的稳定燃烧和降低污染排放的原理,发现其特殊的流动形式及其与湍流火焰传播的匹配是决定其燃烧稳定性和污染排放的主要因素.而弱旋流喷嘴的旋流叶片角度、直径比和流量比等关键参数会影响LSI的下游流动特征,进而影响其燃烧性能.燃料对LSI燃烧稳定性和污染排放的影响主要是通过火焰传播速度和绝热火焰温度发挥作用.为了将液体燃料应用于LSI,目前主要采用了预混预蒸发的方式,试验结果表明:其NOx排放可比采用常规强旋流喷嘴的燃烧室降低10%~60%,但存在自燃和回火的风险.而LSI喷雾燃烧的方式,则需要针对弱旋流液雾燃烧开展更深入的基础研究.只有解决了液体燃料的LSI应用问题,才能发展出不同于传统强旋流燃烧的新一代航空发动机超低排放燃烧室.      

LPP低污染燃烧室两相喷雾燃烧性能数值研究

采用Fluent软件对贫油预混预蒸发(LPP)低污染燃烧室两相喷雾燃烧流场、温度场和污染排放性能进行数值计算.在副模结构保持不变时,LPP低污染燃烧室头部在相同工况下,数值研究不同的主模旋流角度对燃烧流场、温度场以及污染排放的影响.采用标准的k-ε模型对湍流黏性进行模拟,采用离散相模型对油珠颗粒的运动轨迹进行追踪,采用非预混平衡化学反应模型来模拟化学反应速率.数值计算结果表明:①在LPP低污染燃烧室头部存在明显的中心回流区、角回流区和唇口回流区;②中心回流区外形呈橄榄形状,并且回流区长度都较长,随着主模旋流角度的增大,中心回流区逐渐变胖且变短,角回流区则逐渐变小;③随着主模旋流角度增大,压力损失也随之增大;④热力型NOx生成的速率与燃烧温度超过1950K区域的面积大小和最高的燃气温度有直接的关系,在副模和主模火焰锋面附近,由于燃烧温度高,是热力型NOx的集中分布区域;⑤出口温度分布系数随着主模旋流角度的增加呈现出先减少后增加的趋势,且主模旋流角度为45°(C方案)时出口温度分布系数最小,即C方案的出口温度分布最均匀;⑥在相同的工况下,C方案燃烧性能相对最优.      

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)。     

RBCC发动机燃料喷注位置变化对混合燃烧模式燃烧的影响

为了研究混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧的影响,通过数值模拟的方法,研究了喷注位置变化时,流道组分质量分数分布、高温放热区域及流道压强分布的变化规律.结果表明,混合燃烧模式中,喷注位置变化对燃烧流场影响很大.在燃烧室中,燃料喷注位置靠前能给燃烧带来帮助,提高燃料与二次来流的掺混能力,并且由于燃料与一次火箭高温羽流相互掺混等影响提前,加快燃料的雾化蒸发,促进燃烧流场的火焰传播,减少煤油点火延迟时间,提高了燃烧效率.因此为了提高混合燃烧模式下的燃烧性能,应尽可能选择燃烧室前端位置进行燃料喷注.      

喷嘴特性对燃烧室内烟粒浓度和火焰辐射的影响

在一个小模型燃气轮机燃烧室上,试验研究了在燃烧室工作压力为０．５ＭＰａ情况下,简单离心式喷嘴与空气雾化喷嘴、空气雾化喷嘴的不同喷雾锥角等对燃烧室燃烧状况、烟粒浓度和火焰辐射的影响。实验表明：在正常燃烧情况下,简单离心式喷嘴产生较高的烟粒浓度和火焰辐射,并且随着头部油气比增加变得更加明显;而喷雾锥角与头部的良好匹配,则是保证燃烧室正常工作,并使烟粒浓度、火焰辐射降低的重要因素。     

某型先进发动机燃油喷嘴雾化特性的试验研究及火焰筒头部数值模拟

使用相位多普勒粒子分析仪和激光多普勒粒子测速仪系统(PDPA/LDV)等设备测量了某型航空发动机喷嘴的雾化特性,主要包括:喷嘴流量特性,雾化粒度(SMD)和喷雾锥角。应用Fluent软件,对装用该喷嘴的燃烧室火焰筒进行了数值模拟。试验和计算结果得出了一些有价值的结论,对该发动机的燃油喷嘴和火焰筒头部温度场、速度场有深入了解,对其改进提供了重要依据。     

一种新颖的燃烧室出口温度场调试方法

以某小型回流燃烧室为基础验证平台, 试验研究改变燃油喷嘴插入火焰筒涡流器组件深度对燃烧室出口温度场的影响, 并对试验结果进行了比较和分析.结果表明:对同一燃烧室, 燃油喷嘴与火焰筒涡流器组件之间有一个最佳的轴向位置, 此时的燃烧室的出口温度分布系数最小;在相同的燃烧室工作状态, 采用不同喷雾锥角的燃油喷嘴, 这个最佳位置不同.该研究为燃烧室出口温度场的调试及燃烧室的研制提供了一条有效的技术途径.      

中心分级燃烧室预燃级贫油熄火性能试验

对一种单环腔的中心分级LESS（low emissions stirred swirl）燃烧室进行了常压状态下的贫油熄火性能试验研究.采用单头部试验件,研究了预燃级离心喷嘴流量数、进口温度及燃料类型对贫油熄火性能的影响.结果表明:预燃级采用小流量数的离心喷嘴能够降低贫油熄火当量比.进口温度低于150℃的范围内,随着进口温度的增加,贫油熄火当量比迅速降低;进口温度高于150℃时,温度对贫油熄火当量比的影响作用不明显.气态燃料与液态燃料的贫油熄火当量比随火焰筒压降的变化趋势是不同的,但都趋于相同的值,且在5%的火焰筒压降范围内,气态燃料的贫油熄火当量比低于液态燃料.