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。

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。

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。

超紧凑燃烧室进口速度对燃气掺混的影响

在超紧凑燃烧室中,燃油在周向环腔中燃烧后,高温燃气进入叶间通道与主气流发生掺混作用后排出并对涡轮做功。本文利用FLUENT软件数值模拟了不同主气流进口速度和不同二次射流进口速度条件下,高温燃气稀释掺混效果,并指出二次射流进口速度增大,主气流进口速度减小有利于高温燃气充分稀释掺混,反之,则不利于高温燃气稀释掺混。

当量比对涡轮叶间燃烧性能影响的数值模拟

为探究涡轮叶间燃烧性能,设计了4种不同当量比的工况,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、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:燃烧室能在广泛的当量比(2.59～0.81)下保持性能稳定,燃烧效率保持在96%以上、总压损失低于2.4%,气体温度提高650,K左右;降低当量比,能够提高燃烧效率,降低CO、UHC、NOx等污染物排放,改善温度分布,但会造成更大的总压损失;最优当量比等于1.00,此时燃烧效率在99.95%以上,总压损失相对低(1.5%),出口径向温度呈抛物线型分布,最适合燃烧室设计.与文献对比发现,选取的工况合理,其结果对涡轮叶间燃烧室设计具有参考价值.

二次气射流角对涡轮叶间燃烧室的影响研究

为研究二次气射流角对涡轮叶间燃烧室的影响,设计了3种带有不同二次气射流角的涡轮叶间燃烧室模型,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、DO辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动和燃烧进行数值模拟。结果表明:涡轮叶间燃烧室具有高效率(99.2%)的特点,增大二次气射流角可使切向动量分量增加、油滴蒸发变慢、出口温度场分布不均匀、总压损失增加。

带不同凹腔结构涡轮间燃烧室数值模拟

为了提高航空燃气涡轮发动机的推进效率和满足低排放的要求,提出了1种基于涡轮内补燃增推循环的超紧凑燃烧室──涡轮间燃烧室。建立了3种带不同轴向凹腔(AC)结构的TIB模型,比较了3种模型的流动性能和燃烧性能。计算结果表明:TIB的燃烧效率高达99.3%,AC结构的改变对燃烧效率影响较小,但对温度场分布影响较大。

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。

射流角度对M-TIB燃烧性能影响分析

为了研究主燃(MB)-涡轮叶间补燃(TIB)一体化燃烧室(M-TIB)中燃烧环二次射流角度对燃烧性能的影响,设计了3种燃烧环二次射流角度组合分别为40°&40°,45°&55°以及50°&50°的M-TIB模型。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M-TIB的流动和燃烧进行数值模拟。研究结果表明:适当增大燃烧环二次射流角度,可以强化M-TIB内部气流的掺混,改善速度分布,提高出口速度,减少污染物排放。

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.

基于油冷叶片的涡轮叶间燃烧性能研究

为进一步提升航空燃气涡轮发动机性能,提出一种高压涡轮叶间燃烧的结构,采用叶片油冷后的高温燃油喷入叶间通道燃烧,利用径向槽(radial vane cavity,RVC)稳定火焰,以涡轮导向叶片C3X为叶间燃烧叶片模型,数值研究了径向槽尺寸(深长比为0.4~0.6)、油气比(0.007~0.0105)和燃油温度(300~500 K)对叶间燃烧性能的影响。结果表明:径向槽深长比为0.5时获得最佳燃烧效果,由燃烧引起的热阻损失在7%左右,可实现在叶间的近似等温燃烧;叶间燃烧性能随油气比增大而降低,油气比为0.007时距叶片出口20 mm处燃烧效率达到98.86%;高温燃油在叶间通道内燃烧性能要明显优于低温燃油的燃烧性能,在叶片出口处燃烧效率提升约13%。相关结论可为叶间燃烧技术的发展提供参考。

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。

1种涡轮叶间补燃室的数值研究

为提高燃气涡轮发动机性能,将UCC技术应用在低压涡轮导向器上,建立低压涡轮导向叶片补燃室(Turbine Inter-vane Burners,TIB)模型。通过改变燃烧室结构,设计了3种涡轮叶间补燃室模型,利用计算流体力学软件FLUENT对燃烧室的流动及燃烧进行数值模拟,采用CFD的方法,分析燃烧室的燃烧和流动特性。结果表明:3种结构的涡轮叶间补燃室均提高了燃烧效率,选择的数学模型合理、计算方法可行,其结果可为涡轮叶间补燃室设计提供参考。

一种新型涡轮叶间燃烧室的数值模拟

为提高燃气涡轮发动机性能,设计了涡轮叶间燃烧室模型,利用FLUENT软件的Realizable k-ε湍流模型、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:燃烧室燃烧效率高达98.4%,绝对压力损失低至4.2%,气体温度提高700K左右;出口径向温度随无量纲高度呈线性分布;速度、温度、组分分布受高温燃气与主流的掺混程度控制;径向槽(RVC)对促进掺混及改善出口温度场有着积极的影响,其结构值得深入研究.与文献实验数据对比发现:选择的数学模型合理,计算方法可行,其结果可为涡轮叶间燃烧室设计提供参考.

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。