掺混孔几何参数对燃烧室出口特性的影响
发布时间：2021-09-19 18:48
对中心分级高温升燃烧室来说,燃烧效率、出口截面压力、出口温度分布和NO的产生与排放是决定其燃烧性能的重要性能参数。针对这些参数,建立一个有三级旋流器的燃烧室简化模型,分别从掺混孔的形状、位置、排列方式和孔间距4个方面研究掺混孔的几何参数对燃烧室出口特性的影响。在掺混孔形状方面设计为掺混面积相同的圆形、雨滴形和斜缝形三种方案;在掺混孔位置方面设计为距离旋流器0.180m、0.195m、0.215m的三种方案;在掺混孔排列方式方面设计为双排对排和双排错排两种方案;在掺混孔孔间距方面,基于双排对排和双排错排方案,设计四个总掺混面积相同的不同孔间距方案。分别针对以上几种设计方案,建立燃烧室简化模型,经过模拟计算之后,从燃烧室各个截面的温度分布、燃烧室速度场、NO的排放、回流区大小等四个方面比较其性能的优劣,从而对比分析掺混孔几何参数对燃烧室出口特性的影响。研究发现,雨滴形掺混孔对燃烧室出口温度分布有较好的调节作用,圆形掺混孔对限制燃烧室出口NO排放有较为积极的作用;在一定范围内,随着掺混孔距离旋流器位置的增大,主燃区温度会逐渐升高,NO排放量逐渐增大,燃烧室出口RTDF增大,OTDF减小,回流...
【文章来源】：沈阳航空航天大学辽宁省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航空发动机结构示意图
图 1-2 燃烧室结构示意图其中火焰筒是组织燃烧，产生热能的部件，主要分为 3 个功能区：起到点火、稳定火焰、高效燃烧作用的主燃区；进一步促进燃烧，复合解离产物的的补燃区；通过掺混气与火焰筒内高温燃气混合来调控燃烧室出口温度的掺混区。在火焰筒壁面上会开有许多进气孔，按照功能和位置的区别分为主燃孔[7]，补燃孔，掺混孔[8]和冷却孔[9]。这些孔对于燃烧室的燃烧性能有着重要的影响。航空发动机的飞速发展对于燃烧室的性能优化提出了更高的要求，除了材料性能的提高以外，结构的改进也显得尤为重要。高温升，高推重比是航空发动机的发展趋势，对提高发动机的推重比来说，最直接和有效的办法是提高涡轮前温度，从而提高单位推力，涡轮前温度对应燃烧室出口温度，这也吻合了高温升燃烧室[10-12]的要求。高温升燃烧室极大的提高了燃烧室出口温度，但是同时对于涡轮来说，将处于更恶劣的工作环境---更高的工作温度和更高的冷却气温度。截止到 2005 年，高涵道的民用航空发动机以及高推重比的国防用航空发动机已达到 1850-2050K 的进口温度，进口温度的提升，势必导致理论误差允许的范围内的最大热点温度偏差更高，除此之外对出口温度场的分布的要求也进一步提高。若偏差过高或者出口温度场的分布与理想状态相差较大，会导致
掺混孔的排列分布对于掺混孔射流深度[18-19]都有着重要的影响。航空发动机的飞速发展，民用航空作为交通工具的普及，使人们越来越注意到航空发动机的环保性问题，降低空气和噪声污染，延长寿命是民航发动机的主要发展方向。航空发动机的污染物排放[20-22]包括颗粒状粉尘污染物和气态污染物，其中气态污染物对大气的污染更为严重，其中主要包括 CO，CO2，NOx，等，在这些气态污染物中，由于 NO 能够破坏臭氧层，所以对于环境的破坏极大。为此，在 20 世纪 70 年代，美国NASA 就开始实施“清洁燃烧计划”，为了大幅减少 NOX 的生成，发展了分级燃烧技术、催化燃烧室、变几何燃烧室（VGC）和贫油预混预蒸发燃烧室（LPP）等先进燃烧技术。传统的扩散燃烧模式中液滴的蒸发过程和燃烧过程几乎同时发生，致使无法实现燃料与空气的均匀混合，从而导致在燃烧过程中出现局部点高温，从而生成 NOX[23]。而LPP 燃烧室的工作原理是燃油预先和空气进行充分掺混并完全蒸发，形成比较均匀的燃油混合气然后在接近贫油熄火边界的当量比下燃烧，可以避免出现局部高温区域并减少局部高温燃气的停留时间，达到降低 NOx 排放的目的。LPP 燃烧室[24-25]几何模型如图1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温升燃烧室数值模拟研究[J]. 杨雄,张志强,郭政波,索建秦. 航空科学技术. 2017(02)
[2]航空发动机排放颗粒物对大气环境影响的研究综述[J]. 于锦峰. 黑龙江科技信息. 2016(24)
[3]反应机理对燃烧室出口温度分布仿真结果的影响[J]. 范珍涔,程波,曹宗华,陈振辉. 燃气涡轮试验与研究. 2016(04)
[4]进口流场畸变对回流燃烧室出口温度分布的影响[J]. 梁志鹏,林宇震,许全宏,张弛,代威. 航空动力学报. 2016(05)
[5]主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响[J]. 杨谦,林宇震,代威,张弛,王晓峰. 航空动力学报. 2015(05)
[6]头部及掺混孔对三级旋流器燃烧室出口温度分布影响的试验[J]. 丁国玉,何小民,薛冲,洪亮. 航空动力学报. 2015(04)
[7]军用航空发动机特征分析[J]. 刘勤,周人治,王占学. 燃气涡轮试验与研究. 2014(02)
[8]基于中心分级的高温升燃烧室性能预估[J]. 尚守堂,高贤智,郭瑞卿,郭大鹏,高伟伟,李锋. 航空动力学报. 2014(05)
[9]民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平[J]. 张弛,林宇震,徐华胜,许全宏. 航空学报. 2014(02)
[10]高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析[J]. 毛艳辉,杨金虎,刘存喜,穆勇,刘富强,徐纲. 航空动力学报. 2013(03)
博士论文
[1]民用飞机发动机优化设计与排放分析方法研究[D]. 曹铭栋.西北工业大学 2016
硕士论文
[1]民航发动机全航段排放及扩散模型研究[D]. 高建忠.中国民航大学 2014
[2]预旋角不同径向布局下波瓣射流掺混机理的数值研究[D]. 岳巍.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[3]高温升燃烧室出口温度场掺混孔调控技术研究[D]. 伍智.南京航空航天大学 2013
[4]掺混射流对燃烧室出口温度分布影响研究[D]. 钟世林.电子科技大学 2011
[5]某型航空发动机燃烧室火焰筒掺混区的数值模拟[D]. 吕文菊.沈阳航空工业学院 2007
本文编号：3402143
【文章来源】：沈阳航空航天大学辽宁省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航空发动机结构示意图
图 1-2 燃烧室结构示意图其中火焰筒是组织燃烧，产生热能的部件，主要分为 3 个功能区：起到点火、稳定火焰、高效燃烧作用的主燃区；进一步促进燃烧，复合解离产物的的补燃区；通过掺混气与火焰筒内高温燃气混合来调控燃烧室出口温度的掺混区。在火焰筒壁面上会开有许多进气孔，按照功能和位置的区别分为主燃孔[7]，补燃孔，掺混孔[8]和冷却孔[9]。这些孔对于燃烧室的燃烧性能有着重要的影响。航空发动机的飞速发展对于燃烧室的性能优化提出了更高的要求，除了材料性能的提高以外，结构的改进也显得尤为重要。高温升，高推重比是航空发动机的发展趋势，对提高发动机的推重比来说，最直接和有效的办法是提高涡轮前温度，从而提高单位推力，涡轮前温度对应燃烧室出口温度，这也吻合了高温升燃烧室[10-12]的要求。高温升燃烧室极大的提高了燃烧室出口温度，但是同时对于涡轮来说，将处于更恶劣的工作环境---更高的工作温度和更高的冷却气温度。截止到 2005 年，高涵道的民用航空发动机以及高推重比的国防用航空发动机已达到 1850-2050K 的进口温度，进口温度的提升，势必导致理论误差允许的范围内的最大热点温度偏差更高，除此之外对出口温度场的分布的要求也进一步提高。若偏差过高或者出口温度场的分布与理想状态相差较大，会导致
掺混孔的排列分布对于掺混孔射流深度[18-19]都有着重要的影响。航空发动机的飞速发展，民用航空作为交通工具的普及，使人们越来越注意到航空发动机的环保性问题，降低空气和噪声污染，延长寿命是民航发动机的主要发展方向。航空发动机的污染物排放[20-22]包括颗粒状粉尘污染物和气态污染物，其中气态污染物对大气的污染更为严重，其中主要包括 CO，CO2，NOx，等，在这些气态污染物中，由于 NO 能够破坏臭氧层，所以对于环境的破坏极大。为此，在 20 世纪 70 年代，美国NASA 就开始实施“清洁燃烧计划”，为了大幅减少 NOX 的生成，发展了分级燃烧技术、催化燃烧室、变几何燃烧室（VGC）和贫油预混预蒸发燃烧室（LPP）等先进燃烧技术。传统的扩散燃烧模式中液滴的蒸发过程和燃烧过程几乎同时发生，致使无法实现燃料与空气的均匀混合，从而导致在燃烧过程中出现局部点高温，从而生成 NOX[23]。而LPP 燃烧室的工作原理是燃油预先和空气进行充分掺混并完全蒸发，形成比较均匀的燃油混合气然后在接近贫油熄火边界的当量比下燃烧，可以避免出现局部高温区域并减少局部高温燃气的停留时间，达到降低 NOx 排放的目的。LPP 燃烧室[24-25]几何模型如图1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温升燃烧室数值模拟研究[J]. 杨雄,张志强,郭政波,索建秦. 航空科学技术. 2017(02)
[2]航空发动机排放颗粒物对大气环境影响的研究综述[J]. 于锦峰. 黑龙江科技信息. 2016(24)
[3]反应机理对燃烧室出口温度分布仿真结果的影响[J]. 范珍涔,程波,曹宗华,陈振辉. 燃气涡轮试验与研究. 2016(04)
[4]进口流场畸变对回流燃烧室出口温度分布的影响[J]. 梁志鹏,林宇震,许全宏,张弛,代威. 航空动力学报. 2016(05)
[5]主燃孔轴向位置对低压点火性能的影响[J]. 杨谦,林宇震,代威,张弛,王晓峰. 航空动力学报. 2015(05)
[6]头部及掺混孔对三级旋流器燃烧室出口温度分布影响的试验[J]. 丁国玉,何小民,薛冲,洪亮. 航空动力学报. 2015(04)
[7]军用航空发动机特征分析[J]. 刘勤,周人治,王占学. 燃气涡轮试验与研究. 2014(02)
[8]基于中心分级的高温升燃烧室性能预估[J]. 尚守堂,高贤智,郭瑞卿,郭大鹏,高伟伟,李锋. 航空动力学报. 2014(05)
[9]民用航空发动机低排放燃烧室技术发展现状及水平[J]. 张弛,林宇震,徐华胜,许全宏. 航空学报. 2014(02)
[10]高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析[J]. 毛艳辉,杨金虎,刘存喜,穆勇,刘富强,徐纲. 航空动力学报. 2013(03)
博士论文
[1]民用飞机发动机优化设计与排放分析方法研究[D]. 曹铭栋.西北工业大学 2016
硕士论文
[1]民航发动机全航段排放及扩散模型研究[D]. 高建忠.中国民航大学 2014
[2]预旋角不同径向布局下波瓣射流掺混机理的数值研究[D]. 岳巍.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[3]高温升燃烧室出口温度场掺混孔调控技术研究[D]. 伍智.南京航空航天大学 2013
[4]掺混射流对燃烧室出口温度分布影响研究[D]. 钟世林.电子科技大学 2011
[5]某型航空发动机燃烧室火焰筒掺混区的数值模拟[D]. 吕文菊.沈阳航空工业学院 2007
本文编号：3402143
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