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。

燃油分级比例对TAPS燃烧室性能的影响

综合考虑燃烧室对低污染和出口温度分布的需求,对中心分级的TAPS燃烧室流量分配进行了设计和燃烧数值模拟,该流量分配方案采用了不同燃油分级比例。计算结果表明:燃油分级比例对TAPS燃烧室宏观流场结构改变不大,改变3级旋流的流量可影响燃烧室局部当量比,同时能够减小高温区,改善出口温度分布品质,从而大幅降低NOX和CO排放。

旋流器结构参数对燃烧室出口温度分布的影响

采用数值模拟方法研究旋流器的结构参数对中心分级高温升燃烧室出口温度分布性能的影响,结构参数主要是叶片安装的角度和叶片的旋向组合多种方案,再对这些组合方案进行比较,从而选出最优结构。数值计算结果表明:旋流器结构参数对燃烧室出口特性有很大的影响,设计合理的旋流器结构参数对提高燃烧室性能很重要。选取最优的角度组合,第1级为45°,第2级与主燃级为60°;第1级与第2级旋向反向,并且第2级与主燃级旋向一致。

旋流器结构对中心分级燃烧室贫油熄火影响数值模拟

为了优化中心分级燃烧室最佳匹配旋流器结构,借助燃油稳态逐次逼近法,通过改变旋流器旋向组合和安装角得到13种旋流器结构,借助数值模拟分析了不同旋流器结构对中心分级燃烧室贫油熄火影响。结果表明:贫油熄火过程中,主燃区温度场形状凹陷,贫油熄火后高温区并未消失,中心回流区整体尺寸变大;随着第1、2级叶片安装角增大,熄火油气比降低,且第2级降幅略大于第1级;随着主燃级叶片安装角增大,熄火油气比逐渐增加;第1、2级旋流器方向不同,主燃级与第2级旋向相同时,贫油熄火性能更好;最佳结构为第1、2级方向相反,第2级与主燃级相同,第1、2级和主燃级安装角分别为70°、45°和60°;贫油熄火试验结果与计算结果吻合较好。

预燃级旋流数对TeLESSⅡ燃烧室贫油熄火性能影响

北京航空航天大学发展的Te LESSⅡ低排放燃烧室采用中心分级的布局方式,其中心为经典的旋流杯结构预燃级,为燃烧室提供稳定的点火源,预燃级外圈采用预混设计的单级轴向旋流器的主燃级以降低排放。研究了预燃级一级旋流器和二级旋流器的旋流数组合对燃烧室熄火性能的影响,研究表明预燃级的设计在中心分级低排放燃烧室火焰稳定中扮演重要角色。在常温常压条件下的单头部燃烧室上测量贫油熄火油气比,并通过数值计算对比分析不同方案在熄火时的气动热力特征。研究表明:回流区总温越高燃烧室贫油熄火油气比越低,二级旋流数减少有利于火焰和流场的耦合,从而提高回流区火焰稳定,拓宽贫油熄火边界。一级旋流数增加贫油熄火油气比不是随之降低。

不同结构中心分级燃烧室回流区数值模拟

针对燃气轮机中心分级燃烧室,采用数值模拟的方法研究了燃烧室长径比、受限比、预燃级旋流器旋向及主燃级叶片数目对回流区冷态流场的影响。结果表明燃烧室长径比H由2.14提高至3.43时,回流区长度增加23.2%,长径比继续增加时,回流区长度基本保持不变;燃烧室受限比I由1.66提高至3.75时,随着受限比增大,燃烧室回流区长度、宽度均是先增加后减小,在临界受限比I=2.60时最大;预燃级旋流器第一、二级相同旋向较相反时,回流区宽度和长度分别增加1.6%、6.7%,预燃级旋流器旋向组合对回流区的影响不显著;主燃级叶片数目由24增加至40时,回流区宽度增长不明显,始终处于0.050~0.052 m,长度增长显著,涨幅为22.7%。该结果可为燃气轮机中心分级燃烧室设计提供理论依据,并为其进一步研究提供参考。

旋流器关键参数对双旋流冷态流场特性的影响

为了探究中心分级双旋流燃烧室内冷态流场特性,采用粒子成像测速法PIV (Particle image velocimetry)方法进行研究,揭示了值班级与主燃级旋流的相互作用及其对双旋流燃烧室内流场的影响机制,获得了值班级旋流强度、主燃级旋流强度和两级旋流之间的空气比例等旋流器关键参数对燃烧室内流场的影响规律。结果表明:在基准方案下,仅值班级工作时不能形成中心回流区,随着旋流较强的主燃级加入,在主燃级和值班级旋流的相互作用下能够形成稳定的中心回流区;在中心分级双旋流燃烧室中,随着值班级旋流强度的增大,中心回流区的扩张角、径向宽度和回流量明显增大。当值班级旋流的旋流数大于0.6时,中心回流区尺寸随旋流强度的增大无明显变化;当主燃级为强旋流时,主燃级旋流强度对中心回流区影响较小,旋流强度的增大对中心回流区的发展有轻微的抑制作用,但在主燃级旋流数分别为0.723,1.017和1.553时均能形成稳定的中心回流区;对于值班级旋流较弱、主燃级旋流较强的中心分级双旋流燃烧室,主燃级和值班级之间空气比例的增大能够明显导致中心回流区扩张角、径向宽度和回流量增大。

中心分级燃烧室燃烧性能试验研究

针对中心分级燃烧室在常压下燃烧性能,分别进行不同进气温度、进气速度和油气比对值班级单独工作以及值班级与主燃级共同工作时的燃烧性能试验,获得在一定实验条件下的燃烧规律。试验结果表明:值班级单独工作时随着进气温度、进气速度增加,点火特性更好;值班级与主燃级同时工作时,进气速度的增加对燃烧的影响不大;当进气温度增加时对燃烧较好;随着油气比的增加,CO和UHC排放有所增加,出口温度增加。

掺混孔对中心分级燃烧室出口特性分析的数值模拟

燃烧室是航空发动机的核心部分,由于其出口工作环境复杂,研究分析其出口特性参数就显得尤其重要。针对中心分级燃烧室掺混孔几何特性方面对出口的影响,首先建立三级旋流器燃烧室的简化模型,再设计圆形、雨滴形、斜缝形3种掺混孔几何形状,利用FLUENT分析其各截面温度分布、速度场及NO x产物排放3个方面,并进行对比,经过模拟分析得雨滴形掺混孔对出口温度分布影响较好,圆形对燃烧室排放有着更好的调节作用。可见掺混孔对燃烧室出口特性有重要影响。

旋流器结构参数对燃烧室燃烧性能影响的数值分析

采用数值分析方法研究旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室燃烧性能的影响规律,从回流区特性、燃烧室温度场、出口温度特性、NOx排放等几个方面分析了燃烧室燃烧性能。研究结果表明:旋流器值班级第一、第二级以及主燃级叶片安装角和旋向对燃烧室燃烧性能有着重要影响;最佳叶片角度方案为值班级第一级叶片45°、第二级叶片45°、主燃级叶片安装角60°;最优旋向组合为值班级第一级叶片与第二级叶片反向,第二级叶片与主燃级叶片同向。

非旋空气对分级贫油直喷燃烧室流动和雾化影响的实验研究

针对中心分级贫油直接喷射燃烧室头部,采用粒子图像测速技术、平面激光Mie散射技术以及粒径测量技术,对比研究了非旋流空气与旋流空气四种不同的进气比例对燃烧室流动特性、喷雾特性以及燃油粒径分布特征的影响。研究发现:在常温常压状态,随着非旋流空气比例的增高,中心回流区不断缩小直至消失,预燃级燃油锥角不断减小,雾化受到阻碍,主燃级射流由向主燃级偏转逐渐转为向预燃级偏转,主油破碎效果先恶化后优化。在旋流器压降为1%和2%工况下,非旋流空气对两级燃油雾化均有抑制作用,随着非旋流空气比例的升高,空气对两级燃油雾化的阻碍作用呈现先增强后削弱的趋势,在压降为3.3%工况,非旋流空气比例对燃油雾化的影响较小。结果表明:非旋流空气与旋流空气比例为1∶2时,能够得到较为良好的流场结构、燃油分布和雾化效果,综合性能较好,是最优方案。

旋流器值班级叶片安装角对燃烧室燃烧性能的影响

常压下试验研究了中心分级燃烧室旋流器值班级叶片安装角对燃烧室燃烧性能的影响。结果表明:当值班级第1、第2级叶片安装角从30°增加至60°时,贫油熄火油气比均呈现减小趋势,燃烧室贫油熄火特性变好;随着油气比的增加,各方案燃烧火焰特性变好,CO排放、出口温度、燃烧效率均增加,A方案燃烧性能最佳。综合得出叶片安装角存在合理值,即值班级第1、第2级叶片安装角应在45°至60°之间,且值班级第2级叶片安装角变化对燃烧性能的影响较第1级叶片安装角变化的要强。

掺混孔位置对中心分级燃烧室性能影响的数值模拟

以中心分级燃烧室为研究对象,采用数值仿真(CFD)方法研究了掺混孔位置对燃烧室出口特性的影响。在改变掺混孔与旋流器的距离的前提下,设计3种方案(其距离分别为0.180,0.195和0.215 m)。结果表明:随着掺混孔与旋流器距离的增加,燃烧室中主燃区温度逐渐增大,但火焰筒出口温度逐渐降低;3种方案均形成回流区,回流区的宽度基本相同,长度逐渐增加,方案C和B比方案A分别增长9.20%和5.17%;NOX的排放量大幅度增加。

掺混孔排列方式对中心分级燃烧室性能的影响

为研究掺混孔的排列方式对中心分级燃烧室性能的影响,以中心分级燃烧室为研究对象,在保证掺混孔总面积相同的前提下,设计了方案A(双排对排)和方案B(双排错排)两种掺混孔排列方案,采用数值模拟的方法,对两种方案下的速度场、温度场、污染物排放量等进行分析和对比。结果表明两种方案的速度分布差异较小,方案A的中心回流区比方案B更加稳定;方案A的出口径向温度分布系数值与出口温度分布系数值比方案B更为合理,出口温度分布更为均匀;方案A比方案B污染物排放量更少。

航空发动机高温升燃烧室技术分析

随着先进军用航空发动机推重比要求的不断提高,主燃烧室向更高温升方向发展。本文基于高推重比航空发动机主燃烧室的主要特征与面临的技术挑战,综述了多旋流燃烧、中心分级燃烧、驻涡燃烧和可变几何燃烧等四类高温升燃烧组织的工作原理和发展现状,分析它们的技术优势及挑战。就当前高油气比燃烧室来说,多旋流燃烧与中心分级燃烧是主要发展方向,但随着燃烧室油气比的持续提高,燃烧组织技术将面临更大技术挑战。通过综合分析,作者提出同心圆分区燃烧也可能是一种值得研究的适合更高油气比燃烧室的优选燃烧组织模式。

旋流器结构对中心分级燃烧室冷态流场的影响

以装有三级旋流器的中心分级燃烧室作为研究对象,利用数值模拟和控制变量的方法分别进行了主燃级旋流器扩张角角度大小、值班级第一级和第二级旋流器叶片安装角角度大小对中心分级燃烧室冷态流场影响的仿真和对比分析。结果表明当主燃级旋流器扩张角角度为20°,值班级第一级和第二级旋流器叶片安装角角度分别为40°和50°时,中心回流区的形状最好,中心分级燃烧室冷态流场的品质最佳。

中心分级贫油直喷燃烧室冷态流场特性

为了研究中心分级贫油直喷燃烧室冷态流场特性及头部结构参数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对不同结构参数下的冷态流场开展对比研究,并对基准方案进行了试验验证。结果表明:副模收敛角度以及喷嘴轴向位置对回流区影响较小,副模旋流叶片角度以及主副模头部径向间距对回流区影响较大。随着副模旋流叶片角度增大,副模出口旋流加强,引起出口气流张角增大,使得中心回流区体积扩大;随着主副模头部径向间距增加,削弱了主副模出口气流在切向方向上的相互影响,主模出口气流得以充分发展,中心回流区体积扩大。

主燃级旋流器对中心分级燃烧室出口性能的影响

针对中心分级燃烧室头部主燃级旋流器的结构参数变化,探究其对燃烧室出口性能的影响。首先建立三级旋流器的简化模型,再针对主燃级旋流器的旋流孔角度分别设计30°、45°、60°、75°。利用FLUENT软件对燃烧室沿轴向温度分布、出口温度分布、沿轴向NO_(x)分布、出口NO_(x)排放分布等4个方面进行对比分析。结果表明:当主燃级旋流器旋流孔角度为60°时,旋流器对中心分级燃烧室的出口温度分布性能最好,且中心回流区发展较好,旋流器对中心分级燃烧室的出口NO_(x)排放量最小。

预燃级旋流数对中心分级燃烧室点火性能影响

为了研究预燃级旋流数对中心分级燃烧室点火性能的影响规律,对采用3种不同内外旋流强度预燃级的中心分级燃烧室进行了常温常压、常温低压的贫油点火试验,获得了贫油点火边界曲线。点火试验结果表明内弱旋流外强旋流预燃级点火性能最好,增大预燃级内旋流强度不利于点火。研究进一步采用米氏散射技术测量了3种方案预燃级出口的燃油空间分布特性,测量结果表明增大预燃级内旋流强度会使喷雾张角增大,降低预燃级外旋流强度可以减小喷雾张角,内弱旋外强旋流预燃级设计能够让油雾在燃烧室中心轴线和壁面点火嘴附近都有充足的分布,从而改善燃烧室点火性能。

三头部中心分级燃烧室出口温度分布研究

对一个三头部中心分级燃烧室的出口温度分布进行了试验研究,并结合Fluent软件的数值模拟对结果进行分析。研究结果表明:数值模拟结果与试验值吻合较好。预燃级单独工作时,油气比的增加提高了预燃级扩散火焰的温度造成了中心局部高温区的形成,增大了出口OTDF;双火焰模式下,出口OTDF指数显著降低;主燃级旋流数增加能够增加掺混时间,减小OTDF;主燃级燃油横向喷射(JA=-50°)时,主燃级火焰径向外扩且出口OTDF指数最低。