主燃孔方案对回流燃烧室流动影响的数值研究

为探究主燃孔开孔方案对辅助动力装置回流燃烧室流动特性的影响,开展5种主燃孔开孔方案的矩形回流燃烧室冷态流场数值模拟研究,数值模拟方法通过粒子图像测速试验数据进行了有效性验证。结果表明:燃烧室主燃区流场形成了大尺度双涡流动结构,有利于火焰稳定。外环主燃孔射流穿透深度明显大于内环主燃孔射流,因此对流场影响更大。外环主燃孔数目越多,孔径越小,主燃区沿轴向和展向的尺寸都变大。主燃孔排列方式对主燃区流场结构影响很小,但对中间区流场影响显著。

主燃孔位置对燃烧室性能影响研究

针对燃烧室的结构设计与性能优化,基于三维数值模拟方法研究了不同主燃孔位置下的燃烧室空气分配特性、多物理场分布以及性能参数的变化规律。结果表明,主燃孔位置改变对空气分配比例、燃烧效率以及总压损失的影响较小,而对回流区结构、高温区以及出口温度场分布的影响较大;随着内侧主燃孔向上游移动,燃烧室的回流区和出口温度场分布得到有效改善;当内侧主燃孔与喷嘴之间的距离由65.3mm减小到63.3mm时,燃烧室出口温度分布系数(outlet temperature distribution factor,OTDF)可降低0.043。

主燃孔对旋流杯下游流场的影响

采用PDA(Phase Dopp ler Analyzer)测量系统对带双轴向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型燃烧室的主燃区流场(以下简称真实结构)进行了实验研究,测量了燃烧室内流场的特性,并与不带主燃孔和冷却气流的头部旋流杯(以下简称纯头部结构)的气流场进行了对比。发现真实结构燃烧室内的回流区不再是轴对称,主燃孔和二次气流的存在使回流区明显被压扁(最扁处的长轴约为短轴的1.6倍);真实结构的回流区长度明显缩短,其长度L与旋流杯出口直径D的比值(L/D)约为1.3,而纯头部结构的L/D约为2.5。

主燃孔对双旋流燃烧室流场的影响

通过试验和数值模拟的方法研究了主燃孔几何参数与布局对双旋流燃烧室内三维冷热态流场的影响。用粒子图像测速仪(PIV)对不同工况的冷热态流场进行测量,用多点温度耙对燃烧室出口温度分布进行测量,用多点取样管和气体分析仪对燃烧室出口气体成分进行分析。用商业软件Fluent对不同主燃孔时的燃烧室冷热态流场进行数值模拟。计算结果与试验数据相当吻合,表明在相同的进口条件下,燃烧室主燃孔的几何参数和布局变化对燃烧室的冷热态流场、出口温度及燃气成分分布有较大的影响。

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）

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。

带旋流杯的模型回流燃烧室主燃孔射流研究

实验研究了带轴径向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型回流燃烧室在工作压力为300 kPa,燃烧室压力损失为2.5%时主燃孔射流的特点以及其对燃烧室流场的影响.结果表明,回流式燃烧室内外壁主燃孔射流进气方向与顺流式燃烧室不同,即内壁主燃孔射流向流动方向下游倾斜,外壁主燃孔射流向流动方向上游倾斜;主燃孔射流穿透深度很大,几乎能穿透到对面火焰筒壁;中心回流区长度明显缩短,其长度L与旋流杯出口直径D的比值(L/D)约为0.5,而常规的顺流式燃烧室的L/D约为1.3.

主燃孔射流对燃烧室燃烧性能影响的数值研究

以简化的主燃烧室模型为研究对象,采用数值模拟方法对燃烧室内主燃孔射流与回流区之间的相互作用机理开展研究。对比分析了主燃孔的射流位置,主燃孔进气结构对燃烧室主燃区的流场形态和燃烧性能(OTDF、NOx排放)的影响。计算结果表明:主燃孔射流有助于缩短燃烧室回流区的长度,强化燃油掺混,改善燃烧室的燃烧特性。但射流强度过大,射流位置距离头部回流区的距离过近或过远,都将对燃烧室的流场特性和燃烧性能产生不利的影响。

主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响

对回流燃烧室设计了两种主燃孔结构(交错射流和对齐射流),在不同压力条件下对不同主燃孔方案的回流燃烧室的点火性能进行了试验研究.试验结果表明:随着回流燃烧室进口空气压力的降低,点火边界的油气比先减小后升高,而对齐主燃孔的火焰筒方案的低压点火性能优于交错主燃孔.结合火焰筒冷态流场数值模拟和试验中观察到的点火现象进行对比分析,对齐主燃孔方案存在更大范围的回流区,其火焰筒头部参考速度较低.此方案有利于减弱火焰核心的淬熄概率,同时增强头部火焰燃烧的稳定性,从而改善了回流燃烧室的点火性能.

主燃孔射流对模型燃烧室流动及燃烧影响的数值研究

数值研究不同主燃孔射流对模型燃烧室内湍流流动与液雾燃烧全流程流场的影响,采用微分方程和分区相结合方法生成包括突扩扩压器、帽罩、双级轴向旋流器、火焰筒及内外环通道的模型燃烧室三维结构化网格;在任意曲线坐标系下采用多区域耦合法计算模型燃烧室的流场.采用RNG(re-normalization group)k-ε湍流模型,旋涡破碎湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程;颗粒轨道模型模拟两相流动.计算结果与试验数据的比较表明:本计算方法与数学模型适用于预测模型燃烧室湍流冷、热态流场;主燃孔结构参数变化对气流温度分布的影响比对回流区尺寸与速度分布的影响更为明显,其中主燃孔Ⅱ的出口温度分布要比其他主燃孔的出口温度分布更为合理.

主燃孔对某小型发动机燃烧室流动及燃烧特性影响

以头部涡流片加主燃孔形式的小型发动机环形回流燃烧室为研究对象,采用Fluent软件进行了数值研究,对比分析了有无主燃孔、主燃孔相对位置以及主燃孔轴向位置对该类型燃烧室主燃区流场、温度场以及出口温度分布的影响。结果表明:该类型燃烧室主要通过火焰筒头部圆形结构、涡流片形成回流区,而内外环主燃孔的射流主要起到截断主流、促进回流区形成以及改变回流区形态的作用;主燃孔相互交错,有利于促进内外环主燃孔的射流相互对冲剪切,形成较为饱满的回流区;主燃孔轴向位置向燃烧室出口方向移动,主燃孔射流截断主流和挤压主流的效果减弱,出口温度分布系数急剧变大。

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,拓宽燃烧室的熄火边界。

富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(RQL)燃烧室燃烧中间组分及火焰结构特征研究

为了研究主燃孔结构对RQL燃烧室燃烧中间组分及火焰结构特征的影响,在常温、常压及总油气比为0.032的状态下,保持掺混孔结构、主燃孔轴向位置和总面积不变,利用CH基和OH基自发辐射成像技术对采用三种不同结构主燃孔的RQL燃烧室燃烧中间组分进行试验研究。研究结果表明:在燃烧室工作状态不变的条件下,主燃孔结构的改变不会影响火焰的初始扩张角度。OH*和CH*反应了不同的油气比区域,且OH*的起始边界和截止边界较CH*滞后约4～8mm。同时结合两者的分布特征、面积及其标准差可以从宏观上反应出燃烧室的油气比变化历程、气流快速混合效果及化学反应剧烈程度。采用三种主燃孔结构均实现了富油-淬熄-贫油的燃烧过程,但主燃孔结构及单孔射流动量对燃烧室内气流混合和油气分布具有很大的影响。主燃孔采用交错排列及增大部分单孔射流动量,能有效地促进燃烧室内气流的快速混合,并在快速混合的同时伴随着强烈的化学反应过程。采用主燃孔相对排列时,减小单孔面积同时增加孔数虽然略微提高了气流的混合效果,但会造成全局化学反应强度的降低。

高温升直流燃烧室燃烧特性数值研究

为了研究高温升直流燃烧室燃烧特性,建立了带三级涡流器的高温升直流燃烧室物理模型,采用稳态雷诺平均N-S方程的化学反应流数值模拟的方法,开展Ⅱ、Ⅲ级径向涡流器旋向、主燃孔和掺混孔特征参数对高温升直流燃烧室的流场及燃烧特性的影响研究。涡流器能够实现火焰筒头部回流区的产生,同时实现主油路燃油的气动雾化和掺混。主燃孔的射流影响回流区的结构,同时主燃孔射流部分进入主燃区,能够保证主燃区的油气比。掺混孔的射流轨迹影响掺混区的流场和出口温度分布。10种方案燃烧室的温升和总压损失系数均达到设计要求,Mode-1-tx、Mode-3、Mode-3-tx、Mode-4-tx四种方案燃烧室周向温度分布系数(Overall temperature distribution factor,OTDF)达标,而径向温度分布系数(Radial temperature distribution factor,RTDF)略高于设计指标,Mode-5-tx方案燃烧室出口温度系数OTDF=0.178和RTDF=0.061均达标,燃烧室出口温度分布品质较好。

某型燃气轮机燃烧室改进试验

针对燃气轮机低污染排放要求,对某型常规航空发动机燃烧室进行了增大主燃孔直径及掺混孔提前的改进,试验以0号柴油为燃料,进行了点火、熄火特性、出口温度场、污染物排放、燃烧效率研究。结果表明:主燃孔孔径由Φ9 mm增大到Φ11 mm,进气量由26.2%增大到39.1%,主燃区余气系数由0.95增大到1.10,常温常压贫油点火油气比由0.025 50~0.032 44变为0.024 46~0.036 25,但优于0.05的低污染燃烧室设计标准;出口温度分布系数由0.226 4降为0.207 1,提高了温度场品质;CO及未燃烃UHC排放指数有所提高,但NO_x排放指数由2.26 g/kg减小到1.34 g/kg,降低了40.7%;燃烧效率由0.984 2略有降低为0.982 3;在此基础上将掺混孔提前,但各项指标未见改善。研究结论为低污染燃气轮机的设计及常规燃烧室改型提供了参考。

气量分配对轴径向旋流杯燃烧室贫熄边界的影响

针对轴径向旋流杯燃烧室,研究了头部进气面积及主燃孔布局对此类燃烧室贫熄特性的影响.实验结果表明:减小一级轴向旋流器进气面积和增加主燃孔个数对燃烧室贫熄性能有较大影响.一级进气面积减小20%可拓宽贫熄边界9.7%;增加主燃孔为4个时,燃烧室贫熄边界变宽约7.6%.此外,增加一级进气面积20%,改变二级进气面积20%及改变主燃孔个数为2个等情况对燃烧室贫熄边界影响较小.

回流环形燃烧室反应流场数值模拟

采用自编计算程序,在任意曲线坐标系下对带扩压器、涡流杯、火焰筒、内外环冷却通道与弯管的回流环形燃烧室三维两相化学反应整体流场进行计算.数值预测火焰筒头部结构参数对燃烧流场的影响.所得计算结果与实验数据符合较好,结果表明:采用的数学模型和计算方法合理,该软件可供回流燃烧室优化设计与研制使用.