驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析

为研究驻涡燃烧室在前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能,采用3维数值仿真模拟方法,对驻涡燃烧室前钝体燃料喷射状况下的燃烧效率及燃烧室性能与无前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能进行了对比分析,并对驻涡燃烧室的冷流以及燃烧状态下的燃烧室性能进行了系统研究。燃烧室温度分布表明:前钝体顶部燃料喷射在0.2~0.7的喷射系数范围内,缩短了燃烧室火焰长度,提高了燃烧室在相同轴向长度下的燃烧效率,使燃烧室更加紧凑;驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射孔的孔径在一定范围内的变化对燃烧室的燃烧效率、出口温度分布系数以及总压损失影响较小。

驻涡燃烧室凹腔双涡结构研究

从1995年Hsu等提出驻涡燃烧室至今,在不到10年时间,驻涡燃烧室经过了4代的发展,也越来越接近实际应用。该文设计实验用轴对称三维驻涡燃烧室,利用testo360对燃烧室的出口温度场及污染物排放进行测量,实验结果显示:驻涡燃烧室凹腔后体吹气能够大幅度降低NOx排放;然后通过PIV(粒子成像测速仪)技术对驻涡燃烧室冷态流场进行测量,探讨驻涡燃烧室降低污染排放的机理,试验结果显示当驻涡燃烧室在低污染工况下凹腔内确会出现双涡结构,进一步证明双涡结构对降低燃烧室污染排放物的贡献。

凹腔油气匹配对驻涡燃烧室点火性能影响试验

针对一种以煤油为燃料的驻涡燃烧室,在前期研究的基础上对其前体油气匹配进行几种结构改变,探讨驻涡燃烧室头部油气匹配及后体气量变化时对其点火熄火的影响。对仅采用凹腔供油的驻涡燃烧室的贫油点火及贫油熄火特性进行了试验研究表明,随后体气量增加,总的贫油点火油气比先下降后上升,绝大部分工况下,总的贫油点火油气比在0.04以下;贫熄总油气随主流气量的减小先增大后减小;各个方案熄火总油气比都在0.004以下;凹腔前体进气温度的提高有利于驻涡燃烧室的点火熄火性能。

采用蒸发管供油的驻涡燃烧室点火及贫油熄火特性

为了研究驻涡燃烧室拓宽燃烧边界的能力,设计了一种驻涡燃烧室实验件,并对其点火性能和贫油熄火特性进行了实验研究.驻涡燃烧室采用汽化器和蒸发管的组合作为供油方式,以煤油为燃料,实验中改变燃烧室的进口条件,测试其点火极限和贫熄极限.实验结果表明,采用蒸发管供油驻涡燃烧室具有良好的点火特性和贫油熄火性能.

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。

驻涡燃烧室驻涡区三维冷态流动特性数值研究

驻涡燃烧室驻涡区内的流动是影响驻涡燃烧室性能的一个关键因素。首先将数值模拟结果进行与试验测量结果进行对比,确定了最佳的湍流模型,并在此基础上通过数值方法深入研究了驻涡燃烧室驻涡区冷态流动特性。结果发现:通过在驻涡区前壁进气缝中设置一定的矩形挡片可以在驻涡区一定范围内诱发以反向旋转的涡对形式存在的流向涡。对比研究了挡片阻塞比BR(挡片面积与前壁开缝面积之比)分别为0,0.2,0.4时驻涡区内的流动结构,分析了流向涡产生的原因。定量结果表明,当BR=0.2,0.4时,(1)流向涡涡量大小比BR=0时提高了将近100%,BR=0.2对应的流向涡涡量比BR=0.4对应的流向涡涡量略大;(2)在流向涡混合层内,流向涡涡量沿轴向呈先增大后减小的趋势;(3)燃烧室总压损失约比BR=0时大1%。

驻涡燃烧室凹腔流场结构实验

驻涡燃烧室采用凹腔结构稳定火焰,研究凹腔内不同燃料与空气喷射情况下的流场结构非常重要。采用粒子成像测速仪(PIV)测量了驻涡燃烧室凹腔在不同主流速度下的流场,并对比分析了凹腔进气结构分别为不开冷却缝及油气渗混孔、开冷却缝不开油气渗混孔、开冷却缝和后体油气渗混孔、开冷却缝和前体油气渗混孔时的流场结构。研究结果表明,不同主流速度下所设计的不同凹腔进气结构均能在腔内形成稳定的涡,冷却缝对流场的影响较小,凹腔油气掺混孔在开孔截面上对流场及涡核中心位置的影响较大。

采用钝体式孔板淬熄的富油-淬熄-贫油驻涡燃烧室排放性能试验研究

设计研制了采用钝体式孔板淬熄装置进行淬熄作用的富油-淬熄-贫油(Rich-quenchlean,RQL)驻涡燃烧室(Trapped-vortex Combustor,TVC)模型和试验系统,实现了富油燃烧-快速淬熄-贫油燃烧的分级燃烧。在常压状态下采用RP3航空煤油作为燃料开展了排放试验研究,分析并总结了当量比(包含总当量比和富油区当量比)、进口速度(马赫数)和进口温度等参数对采用钝体式孔板淬熄的RQL-TVC排放性能的影响。研究结果表明:不同进口温度或进口马赫数条件下,随着当量比的增大,氮氧化物(NOx)的排放指数(Emission Index,EI)呈现出先急剧升高,然后急剧下降并趋于平缓的趋势,在富油燃烧区当量比为1.1左右达到峰值,一氧化碳(CO)的EI值先保持平稳而后急剧下降,未燃碳氢化合物(UHC)的EI值呈现连续降低的趋势,燃烧效率持续增大,燃烧效率均高于95%,最大值达99%以上;进口温度较高或进口马赫数较小时,UHC和CO的EI值均较小,燃烧效率较高,而NOx的EI值较大,反之亦然。

流动和油气参数对驻涡燃烧室燃烧性能的影响

针对新型驻涡燃烧室开展了燃烧性能实验研究。研究首先设计研制了驻涡燃烧室模型和实验系统，然后在此基础上开展了不同油气比、进口温度和进口流量等参数影响驻涡燃烧室燃烧性能的实验研究。结果表明燃烧室可以在不同工况下顺利点火和稳定工作，同时研究表明随着进口流量的增加（0．45～0．7kg／s），点火性能基本不受影响，熄火特性变差；随着进口气流温度的上升（360～510K），点火和熄火性能改善，燃烧效率提高。

含导流片及钝体的驻涡燃烧室的结构优化

为了研究含导流片及钝体的驻涡燃烧室的最优结构,通过改变不同的导流片及钝体的尺寸和位置,对燃烧室的燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:钝体长度以及导流片与进口壁面的距离对燃烧室性能影响较大,其值越大,燃烧效率越高,最高可达到99.99%。在研究范围内,存在相对较优的钝体以及导流片结构,在该结构下,燃烧室的总压损失为6.66%,燃烧效率为99.79%。凹腔内形成稳定的双涡结构,钝体后方形成较好的回流区。

旋转流线涡技术对驻涡燃烧室性能的影响

基于凹腔驻涡燃烧室的基本结构,提出了一种新的燃烧流场组织技术———旋转流线涡技术,并通过数值模拟,对比分析了不同进气条件下该技术与传统驻涡燃烧技术对燃烧室涡及燃烧性能的影响。结果表明:与传统驻涡燃烧室相比,旋转流线涡技术燃烧室有更好的流场形式,其在凹腔内形成的涡更靠近凹腔顶端、范围更大,更不易脱落,空气与燃料的掺混更加充分。旋转流线涡燃烧室的燃烧效率高于传统驻涡燃烧室,且火焰长度更短,但总压损失比传统驻涡燃烧室大2%左右,损失了一定的经济效益。

蒸发管供油的单驻涡燃烧室贫油点火试验

针对一种采用蒸发管供油的矩形单驻涡燃烧室试验段,采用高能电嘴直接点火方式,通过改变电嘴位置,电嘴深入到凹腔深度和电嘴能量,在不同主流工况下进行点火试验,找出针对特定结构和进气方式驻涡燃烧室的最佳点火位置。试验结果表明:这种结构的单涡燃烧室在主流温度623～723K,马赫数0.3～0.55范围都可以点火成功;主流温度增高以及电嘴能量增大有利于点火;电嘴深入凹腔深度增加并不能一定有利于点火;不同的点火位置表现出了不同的点火规律。

双旋流驻涡燃烧室湍流燃烧流动的数值分析

提出了带导流片的双旋流驻涡燃烧室以进一步发展低排放、高效燃烧技术。改变旋流器的结构参数以及旋向,对双旋流驻涡燃烧室内部燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:增大旋流器内外径比对燃烧效率有一定影响,NO_x排放降低了约8%。旋流器中心间距对燃烧性能的影响不如内外径比的大。不同旋向下燃烧室均可获得良好的双涡结构,但反旋时下游火焰筒的高温度梯度场会对筒壁造成强烈热冲击,同旋时NO_x排放降低了约22%,因此同向旋转结构总体上要优于反向旋转结构。

入口燃气参数对驻涡燃烧室性能的影响

为了研究入口燃气参数对含导流片及钝体的驻涡燃烧室性能的影响,改变不同进口温度、进口速度以及当量比等,对驻涡燃烧室进行了数值模拟。结果表明：较高的进口温度以及较低的进口速度都能有效的降低燃烧室总压损失,当量比的改变对总压损失影响不大;燃烧室在贫油条件下的燃烧效率要比富油条件下的要高,当量比小于或等于1时,燃烧室的燃烧效率能达到99.8%;入口参数的改变对出口温度分布都有所影响,OTDF的值大体在0.06~0.1之间。

驻涡燃烧室后驻体喷射角度影响冷态数值研究

为深入了解配置于后驻体某确定位置的喷射孔对驻涡燃烧室整体性能特别是对驻涡腔内及附近区域流动的影响,对喷射孔以不同角度向流场喷射气体时,对燃烧室内流场进行了数值研究.研究发现驻涡腔内均形成双旋涡流动结构,驻涡腔上、下侧间相互独立,形成有利于值班火焰的流动条件,且当后驻体喷孔以向内约为70°角向流场喷射时,驻涡腔内形成有旋涡的流场平均流速低,旋涡稳定性强,驻涡燃烧室整体流动阻力较低,从而给出设置后驻体最佳喷射角度范围为向内70°到向外80°.

单旋流驻涡燃烧室流场结构的数值模拟

为进一步发展低排放、高效燃烧技术,提出了带导流片的单旋流驻涡燃烧室。改变旋流通道轴向长度及旋流器内外径比,数值分析了其内部燃烧湍流流场。结果表明:旋流通道结构参数及旋流器内外径比对总压损失影响较小,而对燃烧效率影响较大。在多种旋流通道结构参数匹配下均实现了低NO_x排放,最佳匹配结构参数为阻塞比BR=0.6,旋流通道长度与燃烧室长度比Z_s/L_c=0.093,旋流器外径R_o=16mm,内外径比R_i/R_o=0.888;当旋流器外径R_o较小或较大时,内外径比R_i/R_o对排放性能影响不大;当Ro适中时,R_i/R_o对排放性能影响很大,NO_x排放随R_i/R_o的增加呈指数型增加。

喷射孔径影响驻涡燃烧室性能冷态数值研究

驻涡燃烧室以优良的低流阻、高燃烧稳定及极低贫油极限等性能为国内外研究所瞩目。对配置于前驻体中心及后驻体外侧的喷射口以不同开口大小向流场喷射气体时对驻涡腔内部形成驻涡流场区及驻涡腔外部主流区的影响进行了冷态流场数值研究。计算结果表明当前喷射孔配置位置情况下,前驻体喷射孔开口径为后驻体喷射开口径的3倍时,驻涡腔内形成有旋涡的流场平均流速低,驻涡稳定性好,并且驻涡燃烧室整体流动阻力较低。

冲压转子发动机切向驻涡燃烧室

介绍了冲压转子发动机的工作原理,提出了适用于这种发动机的切向驻涡燃烧室新概念;讨论了切向驻涡燃烧室的基本气动热力学和结构特点,并用数值计算方法对其进行了初步研究,给出了初步试验结果。

驻涡燃烧室燃烧组织方式和设计思路分析

驻涡燃烧室是新型高效、结构紧凑的燃烧室。基于前期技术研究基础,对其燃烧组织方式和影响性能的关键技术作了分析:驻涡燃烧室采用驻涡火焰稳定技术,通过分级供油、分区燃烧技术满足发动机日益宽广的工作范围。驻涡燃烧室的主燃区主要功能是实现高效燃烧。驻涡燃烧室可以组合设计成 RQL 和 LPP 结合的高效低污染燃烧室。影响驻涡燃烧室性能的因素主要包括驻涡区的结构参数、油气方案,驻涡区和主流的联焰,主流供油方案,流量分配和内外环流道的结构参数上。

旋转冲压发动机驻涡燃烧技术研究现状分析

旋转冲压发动机是一种全新概念发动机,采用激波增压和驻涡燃烧技术,其显著的高效、低污染特性引起越来越多人关注。本文首先扼要介绍了旋转冲压发动机总体结构,然后介绍了驻涡燃烧技术的概念和研究现状,最后描述了旋转冲压发动机中驻涡燃烧室的结构特点。