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三旋流雾化装置中预燃级喷雾特性的实验研究

推进技术 2023年第2期44卷 192-201页

作者：谢宇何悟郭志辉北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国防重点实验室北京100191 北京动力机械研究所北京100074

为深入研究三旋流分级燃烧室中预燃级的喷雾特性,采用煤油为工质,在接近贫油熄火状态时对某三旋流雾化装置中预燃级的雾化特性进行了实验研究。利用相位多普勒测速仪对雾化装置下游的整体喷雾场以及近场区喷雾进行了研究和分析。结果表... 详细信息

为深入研究三旋流分级燃烧室中预燃级的喷雾特性,采用煤油为工质,在接近贫油熄火状态时对某三旋流雾化装置中预燃级的雾化特性进行了实验研究。利用相位多普勒测速仪对雾化装置下游的整体喷雾场以及近场区喷雾进行了研究和分析。结果表明:下游喷雾场主要有中心回流区、高速区和喷雾边缘区,但是在X=10mm截面上高速区中存在着台阶低速区。喷雾结构由空心锥结构渐渐转变为全锥形。线平均后的液雾索泰尔平均直径SMD沿轴向增加,气流压降是液滴平均尺寸的主要影响因素。雾化装置中的雾化过程符合复合式空气雾化。在X=10mm截面的近场区,径向上各点处的液滴轴向速度基本与液滴尺寸无关,而液滴径向速度与尺寸的关系与径向位置有关。对文献中提出经验预测公式进行了修正,得到适用于该雾化装置的液滴尺寸关系式,发现在空气压降为4kPa时可忽略第三级旋流气流,一二级旋流气流是近场区液滴平均尺寸的主导因素。

关键词：三旋流预燃级喷雾特性近场区液滴尺寸关系式

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中心分级燃烧室预燃级的喷雾特性研究

推进技术 2020年第6期41卷 1305-1313页

作者：傅江坤周建华郭志辉北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家重点实验室北京100191

为研究典型中心分级燃烧室预燃级的冷态喷雾特性,进行了实验研究。应用相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量液滴的直径和速度,应用片光照相得到喷雾照片。实验结果表明:由于受到套筒结构的限制,预燃级喷雾锥角较小,一般在50°~70°,随着燃油... 详细信息

为研究典型中心分级燃烧室预燃级的冷态喷雾特性,进行了实验研究。应用相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量液滴的直径和速度,应用片光照相得到喷雾照片。实验结果表明:由于受到套筒结构的限制,预燃级喷雾锥角较小,一般在50°~70°,随着燃油流量和空气压降的增加,喷雾锥角增大,燃油分布范围更广,液滴数量增加,直径随之变小。预燃级的中心回流区宽度仅为20mm左右,一直延伸进套筒内,最大回流速度约为10m/s。燃油流量的改变对流场的影响十分微弱,而空气压降的增加能够明显增加流场速度和回流强度,但是工况参数的改变并不会改变回流区位置和流场结构。燃油流量的减小和空气压降的增加都会使雾化索太尔平均直径(SMD)减小,但相比之下,空气压降对雾化水平的影响更大。在各头部空气压降下,雾化SMD随着气液比(ALR)的增加而减小,但随着ALR的继续增加,平均SMD变化曲线变平缓。

关键词：航空发动机燃烧室预燃级流场回流区雾化

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中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

航空动力学报 2015年第1期30卷 46-52页

作者：付镇柏林宇震张弛许全宏北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工... 详细信息

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.003 8增大到0.006 7;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.006 1减小到0.005 1.

关键词：航空发动机中心分级燃烧室预燃级旋流杯台阶高度燃烧性能

预燃级关键参数对分层部分预混高温升燃烧室点熄火特性的影响研究

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预燃级关键参数对分层部分预混高温升燃烧室点熄火特性的影响研究

作者：吴浩玮中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)

学位级别：硕士

为了提高未来军用航空发动机的气动性能以满足其更高推重比的需求,作为核心部件之一的燃烧室就需要进一步提升其温升水平,而高温升对应着高油气比,这意味着高温升燃烧室需要在更宽广的油气比范围内工作,如何解决大状态下可见排气冒烟与... 详细信息

为了提高未来军用航空发动机的气动性能以满足其更高推重比的需求,作为核心部件之一的燃烧室就需要进一步提升其温升水平,而高温升对应着高油气比,这意味着高温升燃烧室需要在更宽广的油气比范围内工作,如何解决大状态下可见排气冒烟与慢车贫油熄火之间的矛盾将是高温升燃烧室研发中所面临的首要问题。分层部分预混燃烧技术在解决该问题上具有巨大优势,它借鉴了低污染燃烧室的设计理念,中心预燃级采用扩散燃烧方式,主燃级采用部分预混燃烧方式,既保证了局部富油,又加强了大状态下油气掺混,在改善贫油熄火性能的同时又避免了大状态排气冒烟问题。但对于分层部分预混高温升燃烧室,由于主燃级气量以及油量所占比重较预燃级大,导致人们一直将目光聚焦于主燃级的油气混合,而忽视了预燃级的影响,因此有必要对预燃级进行系统化研究,总结预燃级关键参数对点熄火和发动机大推力状态下燃烧室性能的影响规律。本文以已有的分层部分预混高温升燃烧室头部旋流器为对象,针对预燃级内外级气量比、预燃级内级角度、预燃级外级角度、预燃级出口套筒扩张角四个参数开展了数值和试验研究。首先通过Fuel-PLIF和PIV光学测量手段得到预燃级燃油分布和流场结构,并提出了综合旋流数CSn的概念,在此基础上,对不同参数的影响作用进行了研究。随后通过试验考察了不同方案的点熄火特性,并结合燃油分布和流场结构试验结果深入分析了不同参数对点熄火性能的影响规律。最后采用数值模拟的方法研究了不同预燃级参数对燃烧室压力损失、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数和径向温度分布系数的影响规律。得出的主要结论如下。燃油分布和流场结构试验表明:预燃级外级旋流角度在一定范围内变化不会影响流场结构,当旋流角度减小到某个阈值以下,预燃级出口轴向会产生高速正向射流,破坏中心回流区的结构。对于燃油分布,预燃级外级旋流角度的增加,会使得预燃级出口燃油分布的锥角逐渐增大,壁面附近燃油浓度也逐渐增加。预燃级内外旋向对流场结构几乎不存在影响,但是就燃油分布而言,同旋方案预燃级出口燃油分布呈空心锥状,中心区域燃油浓度极低,而反旋方案呈实心锥状,锥状中心区域的燃油浓度则相对较高。预燃级内级旋流角度的增加,会导致中心回流区尺寸和出口燃油分布锥角的减小。预燃级内级气量比例在一定范围内增大不会影响流场结构,增大到一定程度时,会导致预燃级出口处回流消失,中心回流区向下游迁移。而对于燃油分布,内级气量的增大,会使雾锥中心区域燃油聚集区的燃油浓度增大和轴向尺寸的增加。预燃级出口扩张角的减小会导致台阶回流区的形成,对流场整体结构没有明显影响。此外,预燃级出口扩张角越大,预燃级出口燃油分布锥角越大。点熄火特性试验表明:预燃级外级旋流角度越大,点火性能越好;外级旋流角度小幅改变对熄火性能影响不大,但是大幅减小预燃级外级旋流角度会导致熄火性能的显著恶化,尤其是在低火焰筒进出口压降时,恶化程度更加明显。预燃级内外反旋的点熄火性能均优于同旋的点熄火性能,这是由于相比与同旋,反旋内外气流剪切作用较强,更有利于预膜喷嘴出口液膜的雾化。预燃级内级旋流角度的增大,会导致回流区尺寸的减小,不利于点火时核心火团的传播以及熄火时火焰的稳定,最终导致点熄火性能的恶化。在较低的火焰筒进出口相对压降的条件下,预燃级内级气量比例的而增大有助于点熄火性能的提升,但是当在进出口火焰筒进出口相对压降较高时,过大的内级气量比例会导致中心回流区向下游迁移,使得火焰难以稳定,导致点熄火性能的恶化。预燃级出口扩张角对点熄火性能几乎没有影响,但是扩张角的减小有助于台阶回流区的生成,从而防止台阶表面积碳。预燃级内级气量分配比例的降低有助于降低出口 OTDF与RTDF,进而改善燃烧室出口温度分布,但是会增加燃烧室进出口压力损失,就燃烧效率而言,2/8的气量分配比例下最高,其他两种方案下燃烧效率都会偏低。增大预燃级外级旋流角度有助于增加燃烧效率,改善燃烧室出口温度分布,就总压损失而言,+25°时最低,其他两种角度下总压损失都偏高。预燃级内级角度的增加和预燃级内外同旋布置都有助于燃烧室的总压损失的减小,但是都会导致燃烧室出口温度质量下降,尤其使得OTDF显著增加。就燃烧效率和出口RTDF来看,预燃级内级的影响不大。预燃级出口扩张角的增加不仅有助于减小燃烧室总压损失提高燃烧效率,而且能够同时降低出口 OTDF与RTDF,有效改善出口温度分布。

关键词：分层部分预混燃烧高温升燃烧室预燃级点熄火特性燃油分布流场结构

两级旋流数对中心分级贫油直喷燃烧室流动特性的影响

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航空动力学报 2022年第11期37卷 2488-2500页

作者：周韬李锋赵凯王可夫王多北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 空军航空大学长春130022

在一种中心分级贫油直喷燃烧室中,对主燃级和预燃级旋流数影响流动特性的规律进行了数值模拟研究。采用了不同参考截面上的旋流数来衡量两级旋流强度。结果表明,预燃级出口旋流数S增大导致主回流区最大宽度和最大回流率的增大。使主回... 详细信息

在一种中心分级贫油直喷燃烧室中,对主燃级和预燃级旋流数影响流动特性的规律进行了数值模拟研究。采用了不同参考截面上的旋流数来衡量两级旋流强度。结果表明,预燃级出口旋流数S增大导致主回流区最大宽度和最大回流率的增大。使主回流区回流强度显著增强的S阈值在0.6~0.64之间。主燃级旋流在主回流区涡心上游带动主回流区径向扩张,但主燃级旋流在下游会抑制主回流区,导致回流率的降低。燃级气流通道出口旋流数S从0.46增大到0.60时流动特性变化较为明显。相对旋流叶片出口截面的旋流数来说,S和S可以较好地衡量两级旋流强度等级。

关键词：旋流数中心分级主燃级预燃级流动特性主回流区