Solution of idle LBO problem for high FAR aero combustor

The paper sheds light on the idle lean blow off(LBO)problem for high fuel air ratio(FAR)com⁃bustor,which is impossible to be addressed with traditional aero combustor design.A significant improvement in aero combustor design is required to resolve the idle LBO issue.The authors detailed a practical and efficient solu⁃tion,which not only solved the idle LBO issue but also defined the aero-thermal design for high-FAR combustor.The design will usher in a new era of aero combustor.

Swiss-roll型微燃烧器的燃烧数值模拟

建立了Swiss-roll型微燃烧器的燃烧模型,采用FLUENT软件对微燃烧器中甲烷/空气的燃烧特性进行了数值模拟,研究了甲烷/氧气的当量比为1时流速不同对微燃烧器内燃烧的影响。计算结果表明,Swiss-roll型微燃烧器有利于甲烷在微燃烧室内的充分燃烧。

甲烷/空气在微小型Swiss-roll燃烧器内燃烧的实验研究

为了解微小型Swiss-roll燃烧室的工作特点,进行了甲烷/空气预混气的燃烧实验,获得了燃烧器的可燃极限,研究了回热对燃烧器可燃极限的影响。结果表明,当甲烷流量在0.8-2.7mg/s之间时,所设计的微燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心。存在回热时,燃烧器的富氧极限减小,从没有回热时的0.7减小到0.5。但是可燃极限并不关于ER=1对称,富燃极限大,而富氧极限小。同时,对微燃烧器进行了数值模拟,结果表明,燃烧器中心的回流区使燃烧器能够在较大的可燃极限范围内稳定工作。

空气槽对微型Swiss-Roll燃烧器工作特性的影响

为了解空气槽对平板微型Swiss-roll燃烧器工作特性的影响,采用甲烷-空气预混气,在带有空气槽和没有空气槽的平板Swiss-roll燃烧器中进行燃烧实验,得到了不同甲烷流量时两种燃烧器的熄火极限和壁面温度.结果表明:甲烷-空气预混火焰能够稳定在两种燃烧器的中心;空气槽的存在有助于扩展微燃烧器的可燃极限,使燃烧器在更大的空气过量系数和更小的甲烷流量下工作;有空气槽的燃烧器中心壁面与边缘壁面存在较大的温度梯度,而没有空气槽的燃烧器外壁温度相差不大,更适合作为平面热源.

微小Swiss-roll燃烧器的数值模拟

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,对二维Swiss-roll燃烧器进行数值模拟,采用了CH4/空气的多步反应机理,考虑了燃气对室壁的辐射,研究当量比和入口气流速度对燃烧特性和火焰稳定性的影响.研究结果表明,Swiss-roll燃烧器能够在大的当量比范围内稳定工作.但上下极限并不对称,富燃时的极限比较小,比化学当量比略小,而富氧的极限比较大.对于相同的当量比,流速较小时,甲烷/空气火焰停留在燃烧器中心区的入口,甲烷全部参加反应;随着气体流速的增加,在燃烧器的中心形成回流区,扩大了燃烧器的富氧可燃极限,有助于火焰稳定,但是甲烷的转化率在减小.

Swiss-Roll燃烧器传热特性的试验研究

Swiss-roll燃烧器能大大拓展燃烧极限,燃烧各种低热值气体燃料.对Swiss-roll燃烧器的传热特性进行了试验研究,并建立了热平衡模型,进行数值求解.结果表明,Swiss-roll燃烧器的逆流换热结构能有效提升反应区温度;热平衡模型能较好地预测反应区温度,计算值与实验数据之间的相对误差小于5%;随着进口流速的增大,反应区温度降低,逆流通道的传热系数增加,热再循环系数减小,在高流速时进口流速对温度的影响程度降低;随着燃烧器功率增加,反应区温度升高,燃烧器热再循环系数略有提高,在小功率时功率对反应温度的影响更加显著.

内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的启动和贫燃特性

在常规尺度Swiss-roll燃烧器的中心区填充多孔介质,并对其进行实验研究.通过监测燃烧器的温度和燃烧产物的变化,分析了燃烧器在不同条件下的点火启动过程特性,并得到了燃烧器的贫燃极限.结果表明:相比于在入口处点火,在中心区点火启动时达到充分燃烧的时间更短,多孔介质的温度分布更均匀;多孔介质材料性质和预混气流量对启动特性影响很大;在中心区温度为950～1200K时,可处理1.3%的天然气/空气预混气.说明该燃烧器能显著拓展燃料的贫燃极限,对低热值气体具有良好的适用性.

Swiss-roll燃烧器传热特性的模拟和试验研究

建立了用于处理煤矿通风瓦斯的Swiss-roll燃烧器的二维湍流热平衡模型,求解模型方程得到了换热通道的温度分布,分析了进口流速、通道尺寸、燃烧室直径对传热特性的影响,并通过试验验证模型的合理性.结果表明,在甲烷体积分数为1%时,反应区温度达1 346K;通道宽度对反应区温度的影响最大而进口流速的影响最小;改变进口流速和换热通道尺寸能改善燃烧器的部分性能同时又会不利于另一些性能,在燃烧器的设计中,应根据实际情况,综合考虑温度、流阻、成本等因素来选择合适的参数.

基于Damköhler数的支板稳定器贫油熄火分析方法研究

稳定器的贫油熄火边界预测对于燃烧室的设计具有重要意义。本文开展了支板稳定器的贫油熄火试验,得到了来流温度473~623 K,空气流速在60~130 m/s下的贫油熄火边界。通过数值模拟得到燃烧室的反应场和流场分布,分析了近熄火和稳定燃烧工况时Damköhler数的分布特性。结果表明,流动时间尺度在不同燃油流量下变化不大,化学时间尺度随燃油流量的降低而增大,在近熄火时,Damköhler数大于1的区域为两条明显的带状分布,仅在剪切层保持较高水平,回流区难以加热剪切层的新鲜混气,导致最终熄火;基于CO质量分数确定的关键反应区与实际火焰具有较好的一致性。不同熄火工况下反应区内的平均Damköhler数在1左右波动,最大误差22%,证明基于Damköhler数的贫油熄火分析方法能够揭示贫熄特征,为解决实际熄火预测提供基础。

考虑热障涂层及冷却结构影响的某F级燃气轮机火焰筒数值研究

以某F级燃气轮机燃烧室火焰筒为研究对象,考虑热障涂层及冷却结构对火焰筒气动传热影响,基于流热固耦合方法对额定工况下的火焰筒进行了内部流场、温度场和应力场分析,并将数值分析结果与火焰筒实际损伤情况进行对比。结果表明:数值分析结果的火焰筒高应力区域与火焰筒实际损伤区域基本吻合,采用流热固耦合方法可以预测火焰筒实际损伤情况;不同位置的热障涂层陶瓷层隔热效果相近;基体和热障涂层陶瓷层在冷却结构附近的区域均为高应力区域。

工业燃气轮机先进技术现状及发展趋势

燃气轮机具有功率密度高、碳排放相对较少、启动快、燃烧环保燃料能力等特点,是未来能源领域设备的重要组成部分。为了促进燃气轮机及其相关技术进步,助力研发高性能的燃气轮机,为此对工业燃气轮机先进技术现状及发展趋势进行综述。对与工业燃气轮机相关的通用先进技术发展趋势进行分析,包括高性价比的大规模计算能力、高度自主的系统、增材制造、人工智能和网络安全。对燃气轮机的燃烧、结构材料和涂层、增材制造、热管理、智能运行和维护、闭式和混合循环燃气轮机系统、用于储能系统的燃气轮机等7个重点研究领域的发展目标和趋势进行了详细分析。建议对重点研究领域进行深入研究,提高燃气轮机的效率和负载灵活性、增强与可再生能源的兼容性、减少排放、增强燃料灵活性,以便智能运行和维护,降低燃气轮机的研发成本,同时可助力燃气轮机及相关技术进步。

双涡控径向分级燃烧室流场特性

针对新设计的一种双涡控径向分级燃烧室流场特性,采用粒子图像测速仪试验的方式,获得不同压降(1.5%~5.5%)下该型燃烧室不同展向截面和流向截面上流场结构、流线、流速分布和回流区特性。试验结果表明,燃烧室在凹腔内形成了耦合展向涡与流向涡的三维涡系;主燃级旋流器后外旋螺旋流场与中心回流区共同构成三维涡球结构;凹腔与主燃级流场在主燃孔进气作用下相互耦合。随着压降变化,燃烧室冷态流场存在2种流态,压降小于3.5%时,旋流器旋转气流明显强于凹腔气流,凹腔气流被压至外壁流出,与主流掺混较为困难,在火焰筒下游与主流相互作用;压降大于3.5%时,旋流器旋转气流减弱,凹腔气流一同与旋转气流流出并相互作用,凹腔气流往主流掺混相对较为容易。

3级旋流器各级气量变化对燃烧性能的影响

为了探究中心分级燃烧室各级旋流器叶片数量与相应旋流气量变化对燃烧室性能的影响,基于高推重比和高温升的技术需求,对设计模型进行了除旋流器外分块结构化网格划分,并在ICEM软件中实现混合网格周期性边界条件设置,进行3维数值模拟。结果表明:确定最优方案的3级旋流器叶片数量分别为8、10和15。中心分级燃烧室每级旋流器流通气量随其相应旋流器叶片数量改变呈负相关变化关系;设计油气比为0.045时,中心分级燃烧室最优方案即基准型方案的温升可达1300 K,出口温度分布系数OTDF达到0.13,在性能所要求的0.10~0.15之间,出口径向温度分布系数RTDF达到0.081,在性能所要求的0.08~0.12之间;中心分级燃烧室出口截面OTDF值随火焰筒头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是“V”形,RTDF值随头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是类“V”形。

中心分级燃烧室同轴射流雾化机理与特性的数值研究

气液同轴射流雾化在先进航空发动机燃烧室中具有重要的应用。设计了同轴射流雾化简化模型,采用LES-VOF结合的方法,在2.7 MPa压力工况下对气液同轴射流雾化过程进行了数值模拟,探究了气流速度与供油压力扰动对射流雾化过程及特性的影响规律。研究发现:随着气流速度的增大,液体射流破碎加快,雾化索太尔平均直径显著减小,当气流速度增加至140 m/s后,其对液体射流雾化的影响减弱;供油压力扰动对射流雾化过程的影响较弱,当压力扰动幅值在供油压差的3%~5%之间时,液体射流的雾化效果改善。

固体火箭超燃冲压发动机点火燃烧过程实验研究

为解决硼基贫氧燃料固体火箭超燃冲压发动机补燃室内硼颗粒超声速点火燃烧难题,设计制造了在超声速燃气射流掺混区域开设观察窗的点火燃烧过程试验样机,开展了含硼贫氧固体燃料的超声速点火试验。试验模拟了26 km,Ma5.9的飞行工况并通过高速摄像获得了点火燃烧过程的火焰形态。试验结果表明:掺混增强装置可以显著改善补燃室内存在的分层流动和一次燃气气固两相分离的现象,为硼颗粒提供良好的点火条件从而提升其附近硼颗粒的点火燃烧性能。通过合理设计掺混增强装置位置,将硼颗粒在一次燃气喷注口附近的高温点火区点燃比在补燃室中段点燃具有更高的燃烧效率,本文设计的燃烧组织结构在试验中实现了硼贫氧固体燃料0.812的燃烧效率。

PIV MEASUREMENT FOR SWIRLER FLOW FIELD IN GAS TURBINE COMBUSTOR

The characteristics of swirler flow field, including cold flow field and combustion flow field, in gas tur- bine combustor with two-stage swirler are studied by using particle image velocimetry （PIV）. Velocity compo- nents, fluctuation velocity, Reynolds stress and recirculation zone length are obtained, respectively. Influences of geometric parameter of primary hole, arrangement of primary hole, inlet air temperature, first-stage swirler an- gle and fuel/air ratio on flow field are investigated, respectively. The experimental results reveal that the primary recirculation zone lengths of combustion flow field are shorter than those of cold flow field, and the primary reeir- culation zone lengths decrease with the increase of inlet air temperature and fuel/air ratio. The change of the geo- metric parameter of primary hole casts an important influence on the swirler flow field in two-stage swirler com- bustor.

基于双向耦合的燃烧室与冷却通道的传热研究

为研究超燃冲压发动机燃烧室与再生冷却通道的耦合传热特性,采用双向弱耦合迭代计算方法,研究燃烧室和冷却通道的特征参数对耦合传热特性的影响规律。结果表明:当量比的增加导致燃烧反应区域和壁面高温区域后移,当量比增大至0.75时,部分壁面高温区后移至超出燃烧段范围,在燃烧室的当量比设计时需考虑冷却通道范围的限制;喷射角度的增大会提高燃烧段壁面平均温度,喷射角度由30°增大到75°时,冷却通道出口裂解率由8%增长到11%;增大冷却剂的工作压力和流量能增强冷却剂的吸热能力,降低燃烧室内壁面温度,最大下降幅度约200 K。

超燃冲压发动机燃烧室流场超分辨率重建

超声速燃烧室受限空间内复杂流场波系结构的获取受到光学测量装置精度的制约。为提升流场时空分辨率特征,本文应用中国空气动力研究与发展中心地面脉冲燃烧风洞获取的试验数据,在发动机入口马赫数2.5的条件下,构建了6种不同当量比下基于压力数据重构的燃烧室流场低分辨率图像数据集,研究了三种提高图像分辨率的方法来提升超燃冲压发动机燃烧室流场重构图像的分辨率。结果表明,本文所提出的流场超分辨率稠密网络(Flow-field Super-Resolution Dense Network,FSRDN)、流场超分辨率生成对抗网络(Flow-field Super-Resolution Generative Adversarial Network,FSRGAN)、传统的双三次插值法(Bicubic interpolation,Bicubic)对流场图像分辨率都提高了4^(2)倍。FSRDN网络所得流场图像结果的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)、相关性系数(Correlation coefficient,CORR)、感知指数(Perceptual Index,PI)指标均优于双三次插值法,但实际图像存在过于平滑的现象。FSRGAN网络所得流场结果消除了图像平滑现象,使流场图像的细节更加丰富,大幅度优化了PI指标,对燃烧室内的剪切层、斜激波、分离激波等主要波系结构的清晰度有了极大的增强作用。

旋转爆震波传播频率与燃烧室切向声学频率对比的实验研究

为验证旋转爆震波与燃烧室高频切向不稳定燃烧现象是否存在一致性,分别基于宽11 mm的环形燃烧室和圆柱形燃烧室,以乙烯为燃料,以富氧空气(体积分数33%、50%和100%)为氧化剂,通过改变氧化剂的供给流量和当量比开展实验研究。研究发现:在环形燃烧室中,通过改变氧气体积分数得到了不同的旋转爆震波传播模态:当氧气体积分数为33%时为双波对撞模态,爆震波速度亏损为37%~63%,且双波传播频率低于燃烧室二阶切向声学频率;当氧气体积分数为50%和100%时,分别得到了单波和双波传播模态,爆震波速度亏损减小至14%~40%,且单波模态爆震波传播频率高于燃烧室一阶切向声学频率,双波模态爆震波传播频率高于燃烧室二阶切向声学频率。在圆柱形燃烧室中,当氧气体积分数为50%时得到了单波模态,部分工况下爆震波传播速度高于理论C−J速度,且氧化剂流量越大,这一趋势越明显,大部分工况下旋转爆震波传播频率均高于燃烧室的一阶切向声学频率。上述研究表明旋转爆震波传播频率与燃烧室切向声学频率的数值大小和变化规律均不相同,说明旋转爆震波与高频切向不稳定燃烧现象并不存在一致性。

斜坡限制域对脱体火焰宏观形状和燃烧振荡影响实验研究

燃烧振荡是贫油预混火焰中广泛存在的非定常过程,是燃烧室设计中必须避免的。其中,脱体火焰对降低氮氧化物排放有优势,但其燃烧振荡往往更加严重。本文在中心分级燃烧器中,通过实验方法研究了斜坡限制域对脱体火焰燃烧振荡的被动控制效果。本文通过单反相机和高速摄像获取了火焰平均结构和瞬态图像,并通过相平均图像和本征正交分解研究了火焰动态演变过程。结果表明,当台阶高度为0 mm时,不同斜坡张角的斜坡限制域均能对燃烧振荡起到非常显著的抑制效果。而在30°斜坡张角的斜坡限制域中,随着台阶高度的增加,抑制效果变差,但振幅相较突扩限制域发生了明显的降低。