燃烧条件下火焰筒温度及噪声载荷特性实验研究

航空发动机燃烧室内部高温、气动及噪声等复杂载荷环境是导致火焰筒结构产生裂纹的主要因素之一,掌握火焰筒结构表面载荷特性及其与燃烧参数之间的关系,对于其强度评估非常重要。本文依据某型发动机真实构型设计了典型火焰筒试验件,搭建了模拟燃烧试验平台,发展了热电偶/示温漆组合测温和基于波导管的噪声测试方法,获得了不同燃烧状态下火焰筒表面的温度与噪声载荷分布特征,通过对比试验给出了进口温度、流量、供油量等参数对结构载荷的影响规律。结果表明,火焰筒表面噪声总声压级峰值超过150d B,总声压级、频率特性及分布特征与燃烧状态和结构振动特性等因素相关。

燃气轮机火焰筒双耳孔冷却特性的分析

为进一步提高燃烧室火焰筒的冷却性能,提出一种具有更高冷却性能的双耳孔型气膜冷却结构。采用数值模拟方法对比分析吹风比在0.67~2.01时,传统圆柱孔、扩散孔、收敛孔、双耳孔的流动传热和冷却特性。计算结果表明:与其他3种孔型相比,冷却壁面长径比在0~40时,双耳孔出口冷却气流在高温主流作用下形成的肾形涡对尺寸较小,强度较弱,对涡中心的间距较大,且冷却气流横向分布更广,壁面换热系数比更低,提高了气膜冷却性能。在吹风比为2.01时,与圆柱孔相比,扩散孔的流量系数提高了13.7%,展向换热系数比降低了1.5%;收敛孔的流量系数没有变化,展向换热系数比降低了2.7%;但双耳孔的流量系数却降低3.1%,展向换热系数比降低了11.25%。在吹风比为1.33时,与扩散孔和收敛孔相比,双耳孔的流量系数更低,在长径比小于40时,双耳孔的换热系数比最低,冷却效果最好。

管壁导管对管道内甲烷火焰泄放作用的研究

为提高狭长空间可燃混合气体泄爆效率及防护水平,开展设置管壁导管的方形管道内甲烷泄爆试验,通过改变管壁导管长径比以及位置,探究管壁导管管径、位置因素对管道内气体火焰传播过程、爆炸超压的影响。结果表明:管壁导管对火焰的泄放作用在时间上存在些许滞后;与无管壁导管工况相比,导管管径分别为60、80、100 mm时,火焰传播时间分别延长15.4%、35.8%、61.0%,最大爆炸超压峰值分别下降24.5%、30.5%、40.4%;同一管径管壁导管置于方管前端可有效泄放部分火焰及压力,降低爆炸能量横向传播动力,泄爆效果明显优于管壁导管置于管道中部及后端。导管分别置于前端、中部、后端时,火焰传播时间分别延长85.4%、15.4%、4.5%,最大爆炸超压峰值分别下降40.6%、24.5%、18.6%。因此,设置管壁导管能有效降低火焰传播速度以及泄放爆炸超压。

MgH_(2)粉尘火焰传播过程与热辐射特性

为了探究MgH_(2)粉尘爆炸火焰传播过程及其热辐射特性,采用改进后的哈特曼管装置对其进行点火实验,通过高速摄像机、热辐射仪和红外热成像仪同步记录MgH_(2)粉尘的火焰传播、热辐射通量和温度场变化过程。结果表明,点火后MgH_(2)火焰持续增长形成连续的燃烧区域,达到最大值后开始衰减并出现离散状火焰;粉尘质量浓度在150~1000g/m^(3)范围内,火焰前锋阵面的最大传播高度和最大传播速度随着质量浓度的增大呈现出先增大后减小的规律,均在750g/m^(3)时最大,分别达到1138mm和45m/s;热辐射通量随着粉类质量浓度的增加逐渐增大,在火球正上方的3号热辐射通量最大值达到31.7kW/m2,远高于火球两侧的1号和2号热辐射通量;火焰中心区域温度最高,向四周逐渐降低,高温区集中在火焰上部。

喷管结构对甲烷微混燃烧特性的影响研究

微混燃烧是一种具有潜力的低污染燃烧技术,而作为基础单元的微管结构对燃烧特性有显著的影响。以单元微管模型燃烧器为对象,在空气预热加压和常温常压2组工况下,使用计算流体力学方法分析了不同微管直径、微管后段长度、火焰筒微管面积比时的甲烷微混燃烧特性。数值模拟结果表明:常温工况的火焰长度明显增长,并且增幅受到微管直径和面积比的影响较大;随着微管直径增大,火焰筒内流场和温度场基本相似,无量纲火焰长度变化不大,但是微管直径更小时2组工况的火焰长度变化更小,具有更好的适应性;随着微管后段长度增加,微管出口湍流强度大幅降低,火焰长度明显增加,2组工况下火焰长度的变化趋势较为一致;随着火焰筒与微管面积比增加,火焰长度有先缩短后增长的趋势,而面积比在4.0~9.0时火焰长度较短,燃烧性能较好。研究结果对燃气轮机燃烧室具有参考价值,对自由射流火焰也有一定的参考意义。

多模态热声不稳定混沌现象实验研究

热声不稳定是一种常发生在航空航天发动机中,会对发动机造成危害的现象,该现象实质上是声波与非定常热释放的相互耦合。本文设计了一个多孔预混火焰Y型里开管(Rijke管)装置,用以研究多频率非线性热声不稳定性。这种简化燃烧室结构能够很好捕捉真实发动机中由于复杂几何结构引起的多模态热声不稳定性。通过改变火焰的当量比和其在Y型里开管上游的位置,来遍历燃烧室中不同热声振荡行为,并结合短时傅里叶变换(STFT)、相空间重构等方法分析了不同非线性热声振荡行为,发现在改变工况时,会出现高频极限环状态、高频向低频的模态转换状态、低频极限环状态、准周期状态以及混沌状态等现象,而在当量比为0.94的工况下会出现两个不稳定频率模态争夺的实验现象,在实验结果基础上,深入分析了这些非线性现象的成因。

燃烧室火焰筒头部性能对比试验

根据前期某型发动机燃烧室头部降低冒烟数性能试验结果,火焰筒头部结构存在高温烧蚀变形痕迹,为保证该结构工作可靠性和使用寿命,将原型燃烧室火焰筒头部传统的孔板+挡溅板的冷却结构改进为带有一定角度的收敛双锥形冷却结构,并在单管燃烧试验器、扇形燃烧室试验件上采用连续气源、模拟参数进行了性能对比试验,录取了改进前后2种头部的点熄火边界、燃烧效率及头部壁温。结果表明:在同工况下,改进后的火焰筒头部着火余气系数更大,点火边界更宽;贫油熄火边界相当;燃烧效率基本相当,均大于0.99,符合性能要求;改进后火焰筒头部壁温较原型的有较大降低,温度分布更均匀。

火焰筒头部结构对燃烧特性影响研究

火焰筒头部结构是影响预混燃烧的关键参数,试验研究了扩张角55°(渐扩)、90°(突扩)火焰筒分别匹配旋流数0.45、0.65旋流器对燃烧性能的影响。结果表明:突扩火焰筒较渐扩具有更低的贫油熄火极限,且无论突扩还是渐扩火焰筒,均匹配较大旋流数(S_(N)=0.65)具有更低的熄火极限;突扩型火焰筒温度场对旋流器适应性好,各旋流数下均获得较均匀温度场,出口温度分布系数为0.1313~0.1392;渐扩火焰筒对旋流器适应性差,匹配较小旋流数(S_(N)=0.45)温度场均匀性更好,出口温度分布系数为0.1335;突扩火焰筒在NOx排放上具有优势,且匹配小旋流数更佳;渐扩火焰筒在CO、UHC排放上具有优势,且匹配大旋流数更佳。

加热炉烟气流动及燃烧传热过程的数值模拟研究

采用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术对某装置加氢反应进料加热炉内烟气流动、燃烧传热过程进行了全尺寸的模拟和分析,揭示了加氢反应进料加热炉内烟气流动、燃烧传热过程的特性,分析对比了两种燃料气次级喷枪顶部开孔角度对加热炉内烟气流动、火焰形态、炉膛温度场、炉管表面热强度及热效率的影响。模拟计算结果表明:与10°结构相比,5.5°结构下的火焰高度更高,炉墙高温区域发生上移,相同位置炉管的吸热量更大,辐射炉管的整体热效率提高约2%。

冲击+逆向对流+气膜冷却传热特性的研究

为了研究火焰筒壁面冲击+逆向对流+气膜复合冷却方式的传热特性,设计了6种不同几何结构的实验件,搭建了实验台,采用红外热像仪对其传热特性进行了研究.结果表明,冷却效率随吹风比的增大而增大;在气膜出口与冲击位置之间,气膜冷却效率沿主流方向不断增加,在相同的冷却壁面处,冷却效率随冲击位置距气膜出口的增加而减小;越过冲击位置,冷却效率随壁面位置的增加而减小.在冷却壁面的任一位置,冷却效果随冲击间距的减小而增大.

气膜冷却孔几何结构对流量系数的影响

为了研究火焰筒壁面气膜冷却孔几何结构对流量系数的影响规律,设计了几种具有不同几何尺寸和排列结构的气膜冷却孔实验件。对气膜冷却孔的流量系数进行了实验研究。实验结果表明,在吹风比较小时,随吹风比的增加流量系数大幅度增加,当吹风比较大时,随吹风比的增加流量系数增幅减小。同时,在气膜孔厚径比大于1时,气膜孔的排列形式对流量系数的影响不大,当厚径比小于1时,叉排气膜孔的流量系数要高于顺排气膜孔的流量系数。

浮动壁火焰筒壁温试验和计算分析

对某浮动壁火焰筒的壁温进行了试验和计算分析。该火焰筒应用了新型的浮动壁结构和高效的冲击/发散复合冷却技术。壁温分布试验在全环形燃烧室试验台上进行,采用热电偶和示温漆测量。计算采用了稳态导热问题的有限元求解方法。研究分析表明,火焰筒壁温在材料的长期许用温度范围内,壁温计算反映了火焰筒壁温的分布规律和趋势。冲击/发散复合冷却方式的轴向壁温梯度小于缝槽气膜冷却方式,对降低热应力水平,延长火焰筒使用寿命有利。

孔阵排列和偏转角对多斜孔壁火焰筒冷却效果的影响研究

为了研究火焰筒上孔阵排列和偏转角对多斜孔壁冷却效果的影响规律,将多斜孔壁冷却结构应用到航空发动机的燃烧室火焰筒壁上,通过数值模拟研究了不同孔阵排列和不同偏转角的共6种多斜孔结构对火焰筒壁的冷却效果,包括有效温比和对流换热系数的比较。结果表明:在燃烧室上,孔阵排列对多斜孔壁冷却效果的影响与平板模型的规律一致,叉排孔阵排列优于顺排孔阵排列,孔排周向位移找到了冷却效果较好时的孔排周向位移值;在火焰筒前端,偏转角的选取应考虑到旋流器对流场的影响,而在火焰筒后端,偏转角为0°的冷却效果较好。

冲击-发散冷却火焰筒浮动瓦片三维壁温计算分析

论述了采用冲击-发散冷却技术的火焰筒浮动瓦片的传热计算分析方法,以及传热数学模型和边界条件处理.并采用ANSYS程序的热分析模块对浮动瓦片的三维壁温场进行了计算.计算结果与试验结果进行了对比分析,两者有较好的吻合性,计算值与试验值的相对误差不大于6%.

孔排布方式对多斜孔壁火焰筒传热特性影响的数值研究

为了探寻高效的冷却技术,将多斜孔壁冷却结构应用于燃烧室火焰筒中,在实际工作条件下,对三种孔排布方式的火焰筒冷却特性进行了数值模拟。研究了斜排孔阵的周向偏移量H相对周向孔间距p的变化(模型A:H/p=0.2;模型B:H/p=0.4;模型C:H/p=0.5)对冷却特性的影响。计算结果表明,在燃烧室进口条件相同时,H/p的变化对总冷却用气量的影响很小,但对火焰筒的传热特性有明显影响,模型C的冷却效果优于模型A和B,并且火焰筒出口的温度分布不均匀系数ε较小。

气膜冷却燃烧室火焰筒二维壁温分布计算

采用二维轴对称模型，用有限元素法，以气膜冷却火焰筒外环整体为对象进行壁温分布计算。开发了计算机程序，得到了合理、精度良好的温度分布。结合内环头部及其它算例的计算，结果表明该程序具有良好的工程应用价值，对于燃烧室的优化设计及应力分析有重要作用。

有隔热涂层的气膜冷却火焰筒壁温计算

对薄壁火焰筒,给出了壁温计算模型和计算方法,应用该方法进行了某环管型燃烧室火焰筒壁温计算,查找了该燃烧室火焰筒一次主燃孔出现裂纹的原因,并研究了气膜冷却、隔热涂层及其厚度对壁温径向和轴向分布的影响。结果表明:火焰筒最高壁温946℃,符合火焰筒对最高壁温的设计要求;火焰筒一次主燃孔附近壁温分布梯度较大,是热应力易集中的地方,为查找火焰筒故障原因提供了依据;气膜冷却和隔热涂层能显著降低火焰筒壁温,有效改善壁温径向和轴向分布;隔热涂层厚度对火焰筒壁温影响很小。

单管火焰筒内燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了建立航空煤油替代燃料的反应机理,并对航空发动机燃烧过程进行详细反应动力学研究,选用正癸烷作为航空煤油的替代燃料,建立了该替代燃料的化学反应详细机理与简化机理。分别采用详细机理与简化机理对正癸烷在激波管中的着火过程、在预混燃烧炉内的燃烧过程进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析。同时,耦合该简化机理与CFD计算软件Fluent,对某单管火焰筒内燃烧过程、排放物及活性中间组分的生成规律进行了详细分析,并与采用C12H23为燃料的单步总包反应机理的计算结果进行了对比分析。结果表明,采用简化机理计算得到的着火延迟时间、反应物与各主要生成物摩尔分数的整体变化趋势与实验数据吻合较好;与采用C12H23为燃料的单步反应机理相比,采用正癸烷为替代燃料的简化反应机理能更好地对单管火焰筒的燃烧与排放特性进行详细的动力学分析。

双级涡流器环形燃烧室整体流场数值模拟

在任意曲线坐标系下对包括扩压器、双级涡流器及火焰筒在内的环形燃烧室三维两相燃烧整体流场进行数值模拟。由于环形燃烧室形状复杂,采用偏微分方程法与整体分区结合法生成环形燃烧室整体网格。所用的数学模型有:k-ε紊流模型、EBU-Arrhenius紊流燃烧模型、六通量热辐射模型以及颗粒群轨道模型等。在非交错网格系下,气相采用SIMPLE算法求解,液相采用PSIC算法求解。数值分析不同燃烧室进口气流参数以及涡流器几何尺寸对燃烧室流场的影响,并将计算结果与实验数据进行了比较。结果表明本文的计算方法合理性可用于环形燃烧室的研制与优化设计。

微型火焰管中燃烧的研究

提出了一种新型的微动力机电系统观念,即微型热光电 TPV(thermo photovoltaic)系统。微型燃烧室是微型TPV系统中最重要的部分之一。为了获得较高的能量转换效率,需要使燃烧器壁面四周处于较高且分布均匀的温度状态。尺寸效应对微型燃烧室中的持续燃烧带来了很大的影响。为了分析微型燃烧器中燃烧的可行性和有关影响因素,在不同工况下进行实验。结果表明,在一定的流量和混合比范围内,可以在微型火焰管内维持稳定的燃烧,高温能够在燃烧室四周均匀分布。