一种蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动与点火性能研究

为进一步拓宽凹腔驻涡值班稳定器在低温、高速来流条件下的点熄火边界,提出了一种利用高温燃气预热、预混供油的蒸发式凹腔驻涡值班稳定器。研究了蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动特性、燃油分布特性及点火性能。研究结果表明:蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的掺混腔和凹腔内部形成的涡系结构为低温、高速来流下的点火和燃烧提供了有利条件。凹腔驻涡区的气相油雾沿流向分布均匀,沿周向从稳定器对称子午面最富递减到相邻稳定器中间面最贫。在相同来流温度下,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的贫油点火和熄火当量比均随着来流速度的增大而增大。在低温(600K)、高速(100~200m/s)来流条件下,相比于蒸发式Z形值班火焰稳定器和常规薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器贫油点火当量比能分别降低5.5%和30%;其贫油熄火当量比能分别降低37.4%和48.8%。

采用离心喷嘴的单凹腔驻涡燃烧室点火与贫熄特性

为了研究单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火特性，设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室矩形试验件，采用试验研究和半经验分析相结合的方法对其点火和贫油熄火进行了研究。试验在常压状态下进行，采用RP3航空煤油作为燃料，所用供油喷嘴为空心锥离心喷嘴，试验中的进口空气温度在287-487K变化，进口空气流量在0.2109-0.4219kg/s变化，对应进口马赫数从0.15变化到0.31。结果表明：单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火油气比均随着燃烧室进口温度和进口流量的增加而减小，单凹腔驻涡燃烧室的点火油气比比贫油熄火油气比约大50%。经过半经验分析，得到了影响单凹腔点火和熄火的综合参数A，该参数能够较好地解释和评价各种因素对贫油熄火的影响。

可变几何单凹腔驻涡燃烧室的贫油熄火性能试验

为了研究可变几何单凹腔驻涡燃烧室的贫油熄火性能,设计了一个可变几何单凹腔驻涡燃烧室,通过改变凹腔前进气槽的开度,实现对凹腔当量比的控制,并在此基础上进行了贫油熄火性能试验。试验在常压状态下进行,采用航空煤油作为燃料。试验中的主要研究参数如下:进口温度在287~487K变化;进口马赫数在0.2~0.3变化。研究结果表明:可变几何单凹腔驻涡燃烧室的贫油熄火油气比随着进口温度的增加而减小,随着进口马赫数的增加而增加;保持进口马赫数为0.25不变,当进口温度为287K时,贫油熄火油气比随着凹腔前进气开度的减小先增加后减小,而当进口温度逐渐升高到487K时,这一趋势逐渐转变为单调减小;保持进口温度为487K不变,贫油熄火油气比随着凹腔前进气开度的减小而减小。

单凹腔驻涡燃烧室值班油气匹配研究

为开展单凹腔驻涡燃烧室值班油气匹配思路研究,采用试验研究方法,在燃烧室进口压力、温度以及马赫数分别为0.101MPa,487K,0.25,燃料为航空煤油的条件下开展试验。试验中主要研究了4种不同总油气比0.0093,0.0124,0.0155,0.0186,以及对应相同总油气比下不同凹腔油气匹配思路,即通过更改凹腔进气结构,在总油气比一定的情况下,调节凹腔当量比Φca。研究结果表明:凹腔内的油气匹配对燃烧效率影响显著。当总油气比<0.0155时,不同凹腔当量比的燃烧效率均随总油气比增大而提高;总油气比>0.0155后,不同凹腔当量比的燃烧效率随油气比的变化规律有所差异,当凹腔富油时,燃烧效率降低;当凹腔由贫转富时,燃烧效率缓慢上升;进一步研究发现,凹腔当量比<1.4时,不同当量比的燃烧效率随总油气比增大均有所增长,在凹腔当量比>1.4后,效率有下降的趋势。因此,在总油气比相同,仅凹腔供油的工作状态,凹腔局部富油时的燃烧效率高于当量比为1时的燃烧效率。凹腔当量比1.4为仅凹腔供油燃烧的最佳当量比。

联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室冷态流场特性影响的试验研究

为了研究联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室冷态流场特性的影响,设计了一个带扩压器和机匣的单凹腔驻涡燃烧室,并在此基础上通过改变联焰板宽度进行了冷态流场试验。试验在常温常压状态下进行,试验中的主要研究参数如下:在保持联焰板数目不变时,联焰板宽度分别为40mm,30mm,20mm;在改变联焰板数目时,联焰板数目分别为1,3。研究结果表明:在主流中心(PM)截面上,凹腔内存在双涡流动结构,主涡位于凹腔的中间位置,约占凹腔区域面积的80%;副涡位于主涡与主流之间,约占凹腔区域面积的20%。在联焰板中心(PA)截面上,不同的联焰板宽度会形成两种不同的流线形态,当联焰板宽度较宽时,凹腔内为单涡流动结构,仅存在主涡结构,主涡回流气流沿联焰板向火焰筒下壁面流动;当联焰板宽度较窄时,凹腔内为双涡流动结构,主流气流卷入联焰板后。联焰板宽度对流场特性的影响可以总结为:当联焰板宽度减小时,在PM截面上,凹腔副涡涡心位置在轴向上向上游移动,在径向上向主流移动,主流气流向凹腔扩张程度变小;在PA截面上,联焰板后出现主流和旋涡结构。

凹腔驻涡加力燃烧室联焰特性研究

为了研究凹腔驻涡加力燃烧室的联焰特性,设计了一种凹腔驻涡加力燃烧室试验件,并采用试验和数值仿真的方法对其联焰特性进行了研究。试验采用航空煤油作为燃料,燃油喷嘴采用离心式喷嘴。试验中,外内涵进气压比在0.97~1.07之间变化,稳定器前马赫数在0.17~0.25之间变化。研究结果表明,稳定器前马赫数在0.17~0.23之间时凹腔的联焰性能变化不明显,稳定器前马赫数超过此范围后凹腔的联焰性能变差;外内涵进气压比超过1.04后,凹腔壁温能达到的最大值降低,凹腔的联焰性能变差。

带驻涡凹腔的径向钝体稳定器燃烧特性研究

针对燃烧室高速气流中低压组织燃烧需求,本文分析驻涡稳定器-径向稳定器组合结构的燃烧性能,对驻涡燃烧室传焰和稳焰结构的优化设计提供支撑。研究采用实验和数值模拟相结合的方法,在0.06~0.08MPa的负压条件下,获得了组合稳定器结构的燃烧效率、出口温度分布和热态流场。结果表明,径向稳定器的存在使得燃烧室出口产生了明显的温度不均匀现象;降低燃烧室总压将导致燃烧效率明显恶化,总压每下降0.01MPa,对应的燃烧效率将下降约5%。燃烧区的位置与流场息息相关,在热态燃烧过程中,高温区集中在凹腔侧边和径向稳定器外侧,燃烧室中央部分存在来源于凹腔值班级、并沿径向稳定器传播的火焰。余气系数的提升将增加主流供油的穿透深度,导致燃烧区进一步集中在燃烧室两侧,出口温度不均匀程度将由此上升,当余气系数下降到2以下时,燃烧室两侧燃油的富集将导致燃烧效率下降。

联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室流线形态的影响

为了研究联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室流线形态的影响,设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室,并在此基础上进行了常温、常压状态下的冷态流场试验,试验中设置联焰板宽度分别为40、30、20 mm。研究结果表明:在主流中心截面(PM)上,凹腔内存在双涡流动结构,主涡位于凹腔的中间位置,副涡位于主涡与主流之间;在联焰板中心截面(PA)上,不同的联焰板宽度会形成两种不同的流线形态,当联焰板宽度较宽时,凹腔内为单涡流动结构,仅存在主涡结构,主涡回流气流沿联焰板向火焰筒下壁面流动;当联焰板宽度较窄时,凹腔内为双涡流动结构,主流气流卷入联焰板后方。

基于驻涡稳定的无焰燃烧室实验研究

本文通过将凹腔驻涡技术和无焰燃烧技术相结合,设计了一种基于凹腔驻涡的燃油无焰燃烧室,并对其进行了实验研究。重点关注了空气温度、空气流量、凹腔当量比和主当量比对无焰燃烧的形成和燃烧室污染物排放特性的影响。在实验基础上总结了航空发动机凹腔驻涡燃烧室形成无焰燃烧的条件,为该种燃烧室的设计提供依据。

径向稳定器冷却方式对壁温和流场影响的数值模拟

为探寻一种良好的径向稳定器冷却方式,采用数值模拟的方法比较并分析了冲击冷却、冲击-发散冷却及其发散孔倾角和发散孔开孔数目对径向稳定器冷却和径向稳定器后方流场的影响。结果表明:在设计冷却气量下,冲击冷却基本能满足使用要求;冲击-发散冷却的冷却效果要比冲击冷却的好,但该冷却方式对径向稳定器后方流场的影响较大;可通过适当减小发散孔倾角和发散孔开孔数目可有效削弱冲击-发散冷却对径向稳定器后方流场的影响。