微型超紧凑燃烧室切向进气气膜冷却数值研究

将切向气膜孔冷却结构应用于新一代微型超紧凑燃烧室壁面,通过分析切向冷却射流在微型超紧凑燃烧室工况下的流动和冷却特性,以及对燃烧室整体性能的影响,以探索切向气膜孔在超紧凑燃烧室壁面冷却上的可行性。采用热流固耦合方法并结合燃烧工况,进行了不同倾角和不同顺逆排布气膜孔的相关数值模拟研究。模拟结果显示,切向气膜孔表现出优异的冷却性能,后排绝热气膜冷却效率均超过82%。主流中的反向涡旋对与冷却射流的掺混燃烧是导致前排位置绝热气膜冷却效率低和分布均匀性差的主要原因。射流倾角对气膜冷却性能的影响较大,倾角越小,全覆盖气膜形成速度越快,绝热气膜冷却效率越高。当倾角从60°减小到30°时,形成全覆盖气膜所需的排数减少约4排,后排的绝热气膜冷却效率从82.8%增加到94.5%。引入气膜孔会对燃烧室内的流动产生影响,气膜孔的引入改善了出口截面高温气体贴近燃烧室壁面的问题,但对燃烧室出口温度分布均匀性改善作用不明显。

带TIB的涡扇发动机性能研究

基于双轴混合排气涡扇发动机热力学模型,采用气动热力循环参数分析方法,计算分析了带有涡轮通道内燃烧室(TIB)涡扇发动机设计点的热力性能,研究比较了TIB对发动机高度特性、速度特性以及转速特性的影响。计算结果表明,采用TIB方法,虽然耗油率(TSFC)有一定增大,但发动机单位推力(ST)明显增大,发动机性能得到改善。

TBCC用涡轮发动机技术的发展

涡轮基组合循环（TBCC）发动机，是高超声速巡航导弹、远程高速察打飞机和空天飞行器等未来航空武器系统的理想推进装置。TBCC只有匹配高速（Ma2~4）涡轮发动机技术，才能实现远程高速航空武器系统的技战术指标。高推重比、低耗油率、高温部件的长寿命和耐久性，是高速涡轮发动机的关键技术指标。从上世纪80年代末起，美欧在提高级负荷、减重、减少泄漏、提高温度、减少冷气量和延长高温部件寿命等技术领域，开展了广泛而深入的技术开发与验证。GOTChA技术开发流程是攻克这些技术难关的有效方法。

超紧凑燃烧室内流场水流模拟实验研究

为探究超紧凑燃烧室内流场结构和数值模拟结果的准确性,根据相似原理,搭建了超紧凑燃烧室内冷态流场水流模拟实验装置。用红墨水作示踪剂,显示超紧凑燃烧室周向环腔内不同位置的流场轨迹。在满足与水流模拟实验雷诺数相等的情况下,以空气为介质用Fluent软件对超紧凑燃烧室内冷态流场进行数值模拟。数值模拟与水流模拟实验结果对比表明,所得流动轨迹形状相似,运动趋势一致。利用水流代替空气流研究超紧凑燃烧室内冷态流场特性,能更直观地验证流场结构数值模拟结果的可靠性。

超紧凑燃烧室的超重力旋转流动特性

航空燃气轮机超紧凑燃烧室所产生的超重力旋转流能极大强化传热传质和燃烧化学反应速率,而超重力旋转流特性对强化热质传递过程和燃烧稳定性有重要影响。以试验室UCC燃烧室的设计模型为研究对象,用Realizable k-ε湍流模型模拟高速旋转湍流。改变周向布置的二次空气射流条件,采用数值仿真研究了超紧凑型燃烧室旋转流动的流速分布、超重力效应、湍流动能局部突变效应、轴向加速效应、和速度径向迁移效应等气动性能和雾化燃油颗粒行为。二次射流对UCC凹腔内涡轮间通道内的气动性能影响较大,但不在同工况下有各自的相似性。二次射流对涡轮间径向速度影响不大。燃油液雾散布具有环带形的斜向高斯分布特性。研究结果与相关试验有相同规律,对UCC燃烧室的设计分析和应用有参考价值。

涡轮叶片径向槽轴向长度对超紧凑燃烧室性能的影响

为探究涡轮叶片径向槽轴向长度对超紧凑燃烧室性能的影响,对3种不同轴向长度的径向槽分别在2种当量比条件下,用FLUENT软件对超紧凑燃烧室内流动及燃烧进行了数值模拟。结果表明:随着径向槽轴向长度的减小,燃烧环内未完全燃烧的微小燃油颗粒和燃气沿着槽的径向迁移量也减少,从而使燃油颗粒和燃油蒸气在燃烧环内的驻留时间增加;当叶片径向槽的轴向长度与燃烧环轴向长度之比等于0.75且燃烧环当量比为0.81时,燃烧室的燃烧性能较好。这对超紧凑燃烧室的优化设计有重要的参考价值。

超紧凑燃烧室燃烧组织方式影响燃烧性能的数值研究

以试验室的超紧凑燃烧室设计模型为研究对象,用Realizable k-ε湍流模型模拟高速旋转湍流,用非预混燃烧的混合分数/PDF模型模拟燃烧反应。通过超紧凑型燃烧室在贫油燃烧、化学当量比燃烧和富油燃烧等不同燃烧组织方式下的燃烧温场、出口温度场品质、燃烧效率以及污染物排放等燃烧性能的对比分析,研究了不同的燃烧组织方式对超紧凑燃烧室的燃烧性能影响。贫油燃烧组织方式对环形凹腔内燃烧影响较大,对于当量比增大的富油燃烧组织方式,火焰在凹腔底部连通,并通过叶片径向斜槽与一次空气流混合并实现完全燃烧;贫油燃烧方式的燃烧效率、出口温度品质和污染物排放等燃烧性能较好。计算结果与他人试验结果在燃烧室中央区域符合较好,对UCC燃烧室设计具有参考价值。

燃烧环长宽比对涡轮叶间燃烧室的影响

为研究燃烧环结构对涡轮叶间燃烧室的性能影响,通过改变燃烧环的径向长度,设计出6种不同长宽比的燃烧环模型,并利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型和离散相模型,对涡轮叶间燃烧室三维两相流场进行了数值模拟。结果表明:受高温燃气与主流掺混程度的影响,不同长宽比燃烧环内速度场及温度场差异明显,从而影响燃油液滴驻留时间和出口温度分布;合理选择燃烧环的长宽比,能有效改善涡轮叶间燃烧室的燃烧效率、总压损失和温度分布。本研究可为涡轮叶间燃烧室优化设计提供参考。

棘轮型超紧凑燃烧室全覆盖气膜冷却性能

针对新一代棘轮型超紧凑燃烧室壁面的高温问题,对全覆盖气膜冷却的方式进行了研究。在对KJ-66微型涡喷发动机实验与模拟的基础上,将原燃烧室替换为缩放优化后的棘轮型超紧凑燃烧室。在实际燃烧工况下,对突扩段斜坡和二次补燃区内环上的高温壁面进行全覆盖冷却研究,比较了不同排布方式、孔倾角和扩张型气膜孔对气膜冷却效果的影响。结果表明:突扩段斜坡上圆柱型气膜孔的气膜覆盖性不理想,综合气膜冷却效果欠佳,并且不同排布方式与孔倾角对气膜冷却效果的影响不大;扩张型气膜孔对斜坡的气膜贴壁性和冷却效果都有很大的改善,在45°孔倾角,出口直径0.6 mm的扩张孔模型中,由吹离高温火焰面与气膜叠加覆盖产生的综合冷却效果达到最优;在主流高离心力场的影响下,吹风比较大时二次补燃区下游也能获得较好的气膜贴壁效果;排布方式对二次补燃区气膜冷却效果的影响比孔倾角更明显。在实际燃烧工况下全覆盖气膜冷却对棘轮型超紧凑燃烧室壁面有很好的冷却作用,扩张型气膜孔能有效改善气膜冷却效果。

节流盘对超紧凑燃烧室性能影响的数值研究

为进一步理解节流盘对主次流轴向进气超紧凑燃烧室性能的影响,基于Cot t le超紧凑燃烧室原型结构,采用计算流体力学的方法探究了燃烧环内旋流涡流燃烧的组织原理以及节流盘对旋流涡流燃烧特性及出口温度特性的影响。结果表明:节流盘可提高燃烧环内混气的离心加速度,加快火焰传播速度;节流效应导致的低压区可增大高温燃气径向迁移速度,增强高温燃气与核心流的掺混,改善燃烧室出口温度分布特性;燃烧环内存在涡流燃烧,节流盘可扩展燃烧涡的尺寸,提高火焰稳定性。

高体积力场下火焰加速现象的数值研究

近现代航空燃气涡轮发动机的发展一直聚焦于提高推重比和降低耗油率,对燃烧室以及相关燃烧技术进行理论创新是关键内容之一。为了更好地在航空发动机燃烧室中利用新型超重力燃烧技术,以瑞利泰勒不稳定性为切入点对超重力燃烧进行了数值机理研究,针对旋转管内的超重力预混燃烧进行了二维非稳态数值模拟。研究表明,圆管旋转所带来的离心力场可以加快火焰传播速度,进一步分析表明离心力诱发了火焰面强烈的瑞利泰勒不稳定性,使得火焰面面积增加,并提高了火焰整体的反应强度和传播速度。结合数值模拟结果与理论公式分析,初步明确了超重力燃烧的不同阶段和各阶段的主导因素。研究结论可以支持超紧凑燃烧室的设计,指导从瑞利-泰勒不稳定性的角度对超紧凑燃烧室内的超重力燃烧进行分析及优化。

径向槽对涡轮叶间补燃室性能影响的数值研究

为探究径向槽对涡轮叶间补燃室的影响,设计了两种涡轮叶间补燃室模型.用计算流体动力学的方法对涡轮叶间补燃室内流动及燃烧进行数值模拟,数值模拟结果与实验数据基本吻合.涡轮叶间补燃室性能稳定,燃烧效率在97.5%以上,绝对压力损失为5.7%.叶背径向槽会引起气流在叶背发生分离,流场遭严重破坏,叶盆径向槽会减弱分离现象,改善出口径向平均速度分布.叶盆径向槽可提高燃烧效率,降低叶片表面温度,使叶间、出口温度更均匀.叶盆径向槽较叶背径向槽能降低CO、未燃碳氢化合物的排放量,但会引起NO排放量增加.

入口流量分配对超紧凑级间燃烧室性能的影响

对超紧凑级间燃烧室入口的流量分配进行了优化分析.首先基于化学反应模拟软件Chemkin,建立了航空煤油RP3/空气的小型级间燃烧室性能简化分析方法,并利用现有实验数据对其进行了验证.选取了入口主流流量/腔体流量分别为60/40,65/35,70/30,75/25,80/20五种分配方案,利用简化分析模型对各分流方案进行了对比研究,主要关注出口温度、燃烧效率和污染物排放的变化情况.结果表明:分流比为65/35时,燃烧效率相对于5种分流比中最高燃烧效率只下降0.249%,但NOx及CO排放均相对降低了50%以上.基于此研究方法得到的结论,可为超紧凑级间燃烧室设计初期的分流方案选取提供依据和性能简化分析方法.

混合叶片吸力面径向槽对燃烧室性能影响的数值研究

为了分析混合叶片吸力面上的径向槽对超紧凑燃烧室性能的影响，基于Wilson混合叶片的试验，设计了6种不同二次气流量的工况．利用FLUENT软件的Realizablek—ε湍流模型、混合分彬概率密度函数（PDF）燃烧模型、离散坐标（DO）辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟。结果表明：随着二次气流量的增加，燃烧环内压力和离心力逐渐增大；二次气流量的变化对燃烧效率影响较小，对出口燃气温度分布系数、压力损失和出口污染物排放量影响较大；叶片径向槽起到了迁移环内燃烧产物和进一步掺混燃油和空气的重要作用，改善了出口燃气径向平均温度分布，提高了出口燃气温度场品质。