燃气涡轮增压系统燃烧室设计

根据燃气涡轮增压系统结构要求,提出了一种新型滚流回流燃烧室结构,通过CFD数值模拟,研究其内部温度场和出口温度分布情况,确定了燃烧室的主要结构参数.采用粒子图像测速仪（PIV）测量燃烧室内筒头部的冷态流场,证明燃烧室头部存在滚流回流区,能够形成稳定的火焰区.在燃烧试验中,进行了贫油点火和贫油熄火试验研究.结果表明在一定流量范围内,文中燃烧室贫油点火及贫油熄火油气比均随进口马赫数的增大而增大;将文中燃烧室与外形尺寸相近的旋流进气燃烧室的总压恢复系数对比,结果表明相同的流量下文中燃烧室的总压恢复系数平均提高约2%.      

高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的研究

在一台TY1100单缸柴油机的进气管上安装了一套电控甲醇喷射装置，进行了高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的试验研究．研究表明：在相同的平均有效压力和转速条件下，随着甲醇质量分数的增加，双燃料燃烧的滞燃期增加，主燃期缩短，放热率曲线第1峰值增大，第2峰值减小，表明预混燃烧量增加而扩散燃烧量减少；高负荷时放热率曲线型心向上止点靠近，燃烧等容度提高，当量柴油燃料消耗率显著下降；在高比例甲醇柴油双燃料工作模式下，发动机的HC和CO排放有所升高，但Nq和碳烟排放大幅度下降．     

AVC预混燃烧流动特性的数值模拟

为探究先进旋涡燃烧室内湍流燃烧流动特性,应用预混燃烧模型,对燃烧室内燃烧及流动过程进行了数值模拟。得到了燃烧室内温度场及流场的分布情况。分析了不同燃气当量比、燃气速度和燃气温度对燃烧室预混燃烧流动的影响规律。结果表明:燃烧室内凹腔及后钝体回流区是主要燃烧区域,主燃区可形成均匀对称的旋涡对;不同工况参数对燃烧室内温度、组分和流场分布有影响。凹腔内温度随进气速度增大而增加,燃烧室内温度和出口径向温度随燃气温度增大而增大,且在不同工况下,凹腔内都能维持较高的点火温度。     

内燃机涡轮增压-燃气动力发电系统燃烧室设计

为发展车载辅机电站技术,考虑到车用涡轮增压器的结构特点,优选设计了一种逆流式单管燃烧室和径向式旋流器. 对燃烧室内部流场进行了数值模拟计算,讨论了旋流器叶片安装角和主燃孔数目对回流区的影响规律,据此对初步设计方案进行了改进. 试验结果表明所设计的燃烧室效率为0.982,出口温度分布系数和不均匀系数分别为0.163和0.094,燃烧性能稳定,可以满足系统的性能要求.      

地面燃机燃用不同燃料的燃烧室性能分析

从发动机燃烧性能的角度出发,研究了航空发动机改地面燃机后燃用其他燃料对燃烧室性能的影响.利用流体计算软件Fluent,针对地面燃机燃烧室燃用航空煤油、轻柴油、工业酒精、天然气4种不同燃料,进行模拟计算,给出燃用不同燃料时的燃烧性能.结果表明,从燃烧的角度来看,轻柴油的燃烧性能与航空煤油差别不大,可直接替代航空煤油或与航空煤油混合使用,燃用天然气的NOx排放及CO排放都很低,天然气是一种理想的低污染燃料.工业酒精由于物性及热值与航空煤油差距很大,地面燃机改烧工业酒精还需作相当深入的研究.该研究对发展下一代航空替代燃料有一定的参考价值.     

带凹腔的超燃固冲发动机燃烧室的数值仿真

基于一种以PMMA固体燃料的超燃冲压实验发动机的试验,进行数值计算研究。结合结构特性与计算精度选用结构化网格技术、压力基耦合算法、SST k-ω湍流模型、轴对称N-S方程组、二阶迎风格式、单步化学反应对带有凹腔的轴对称固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的内流场进行了二维稳态数值仿真。研究结果表明燃烧主要集中在边界层附近,大量的热从反应区通过凹腔回流大涡传输到了凹腔的内部,这样凹腔就提供了持续富燃区域和热源,所以凹腔有增强掺混和火焰稳定的作用;在发动机点火后,燃烧室等截面圆柱段初始内径狭小和不断地热量加入,导致燃烧室出现热壅塞,随着燃面推移等截面圆柱段被打开,热壅塞现象消失;随着燃面推移,激波串的强度逐渐增强,燃烧室中气流的马赫数逐渐降低。     

燃空当量比对液体燃料无焰燃烧影响的研究

以微型燃气轮机为应用背景,设计了基于液雾无焰燃烧的模型燃烧室,以实验为主、数值模拟为辅的手段研究了0#柴油/空气的燃空当量比对模型燃烧室的流场结构、燃烧模式、无焰燃烧范围、燃烧温度及分布和污染物排放的影响.结果表明:燃烧室流场呈现明显的环形回流涡,为高温烟气循环提供了流体动力学基础;燃料喷孔附近的混合情况对整个燃烧模式的转变具有重要影响;该燃烧室工作在无焰燃烧模式的燃空当量比Φ范围为0.25～0.50,无焰状态下燃烧室内温度分布均匀;燃烧室平均温度Tavg和污染排放受到Φ和输入功率的影响,在实验范围内,输入功率相同时,随Φ减小,燃烧室平均温度降低,CO和NOx排放浓度增加,另外,Φ相同时,输入功率越低,Tavg越低,CO排放浓度越大,且输入功率越低CO排放浓度增长越快,NOx受输入功率的影响相对小得多.从实验结果分析,适当提高空气预热温度是增强低燃烧室热密度时的贫燃稳定性、拓展贫燃极限和强化燃烧的有效措施.     

不同压缩比对湍流射流点火发动机性能和爆震影响的试验研究

本文基于一台四冲程单缸发动机开展了不同压缩比对湍流射流点火(TJI)汽油发动机性能和爆震特性的影响研究,试验所采用的压缩比为9、11、13和15,在每个压缩比工况下对不同过量空气系数λ进行研究．结果表明,高压缩比可以拓展湍流射流点火汽油发动机的稀燃极限,压缩比15工况下,可以实现λ=3稳定燃烧．增大压缩比并配合预燃室喷油可缩短发动机燃烧的滞燃期和燃烧持续期,进而提高射流点火发动机燃烧效率．1.4<λ<1.9时,随着过量空气系数增加,主燃烧室内混合气变稀,滞燃期和燃烧持续期在低压缩比工况(CR=9、11、13)呈上升趋势,此时主燃烧室混合气浓度对燃烧过程的影响占主导作用;但是随着压缩比逐渐升高至15,滞燃期和燃烧持续期的上升趋势不再明显;而当λ>1.9时,主燃烧室混合气过于稀薄,此时预燃室射流火焰对主燃室燃烧的影响增强．试验还发现,射流点火发动机和普通火花塞点火发动机在压力振荡方面存在较大差异,射流点火发动机的压力振荡从燃烧初期阶段开始一直持续到燃烧结束,这主要是由于高温射流对主燃室多点点火造成的压力振荡．在高压缩比和较浓混合气工况下,射流点火发动机可能还会发生早燃,因...     

某重型燃气轮机NO_x排放性能反应动力学数值计算

借助耦合CH4反应动力学模型与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算软件,对某重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒的燃烧过程进行了研究,分析了导致NO_x排放超标的原因,调整了不同燃烧区的燃料分配,分析了燃料分配对NO_x排放的影响.结果表明,导致NO_x排放超标的原因为环形区、均匀区燃料/空气混合的不均匀性和值班区、均匀区燃料流量过大导致的局部温度过高;将值班区燃料和均匀区燃料的体积流量比例分别调整为4%和30%,会导致主燃烧区温度升高,NO_x排放由标准状态141.7mg/m~3升高至175.5mg/m~3;将值班区燃料和均匀区燃料比例分别调整为2%和26%,会降低主燃烧区温度,使NO_x排放降低至119.5mg/m~3,其中66.3mg/m~3来自于环形区.单纯地进行燃料调节,不能满足NO_x排放要求,还需要对环形区和均匀区结构进行调整,以增加混合的均匀性.     

氨/氢燃料射流点火船用发动机燃烧特性

为突破氨在发动机中的燃烧局限性,促进氨燃料高效快速燃烧,提出了一种利用氢气射流火焰点燃氨燃料的方案。通过向主动式预燃室供给氢气,进气道内预混氨/氢燃料,实现氨在大缸径船用发动机上的稳定高效燃烧。基于数值模拟计算方法,在改进了Otomo氨/氢机理基础上,探究了进气温度、掺混氢气的质量分数和主燃室当量比对氨/氢燃料着火与燃烧特性的影响。研究结果表明,射流火焰可以在主燃烧室形成燃烧所需的热力学环境和高活性热射流。在当量比为0.4、不掺混氢气的条件下,450 K进气温度可以实现氨燃料发动机的稀薄燃烧,在掺混氢气的质量分数较低时,射流点火对火焰发展促进作用更显著;掺混氢气的质量分数提高至10.0%可以使燃烧相位提前18°,但爆震风险增加;在进气温度为320 K和掺混氢气的质量分数为2.5%条件下,主燃室在当量比最小为0.45时可正常着火,但随着更接近理论空燃比的燃烧,指示热效率略有提升,主动预燃室氢射流点火的燃烧模式在实现氨发动机高效快速燃烧方面具有良好的潜力。     

基于LPP的多点喷射低污染燃烧室头部方案研究

对设计的基于LPP的多点喷射低污染燃烧室头部方案,对其性能进行了数值研究。头部为中心分级燃烧,设计为同心圆式主、副模分区燃烧方式,主模燃油为多点喷射。应用CFX软件,从冷态流动、热态燃烧和污染物生成等三方面,对该燃烧室模型进行了研究。结果表明：冷态流动时慢车工况的回流区大于起飞工况,从设计上有效避免了回火与自燃的发生;慢车工况燃烧时因为直混燃烧,局部温度可达2400K以上;起飞工况燃烧时,主模燃油蒸发较好,但混合不是十分均匀,主、副模分区燃烧,主模火焰最高温度低于副模;对头部冷却和火焰筒中间1/3壁面应增大冷却效果;燃烧室燃烧效率非常接近100%;两个工况的污染物均集中于副模高温区,但总体生成量均很小。     

通道尺寸对热面点火天然气发动机工作过程的影响

针对缸内直喷压燃式天然气（CNG）发动机低负荷循环波动大及高负荷NOx排放偏高的问题,设计开发了涡流室式热面点火燃烧系统,研究了涡流室通道尺寸对缸内天然气空气混合气形成、着火燃烧及发动机运转特性的影响．结果表明：选择直径较大的涡流室通道,发动机起动性能较好且缸内混合气燃烧持续期短,对改善发动机的有效热效率有利;选择直径较小的涡流室通道,主副燃烧室内混合气的浓度分层效果明显,能够实现两级燃烧过程,有利于降低发动机循环波动,扩展功率范围及改善NOx排放。     

液化石油气对二甲醚-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

为了解决内燃机在抑制二甲醚早燃而导致爆燃的问题,实验研究了着火抑制剂液化石油气对二甲醚-柴油双燃料预混燃烧发动机燃烧和排放特性的影响。实验所用发动机为缸内直喷柴油机,并在原机的基础上增加了一套气体燃料预混合系统,以使发动机同时实现预混和直喷压燃两种燃烧方式。研究结果表明:随着二甲醚/液化石油气混合燃料中液化石油气比例的增加,预混压燃发动机的燃烧始点滞后,燃烧持续期缩短,缸内最大爆发压力和平均燃烧温度逐渐降低,有效热效率略有下降,但有效热效率仍高于缸内直喷柴油机;掺混液化石油气可在颗粒排放基本保持不变的情形下减少NOx的排放。该结果可为设计更为节能、环保的汽车发动机提供参考。     

掺混PODE对增压中冷柴油机燃烧和排放性能的影响

在一台电控共轨增压中冷柴油发动机台架上,燃用纯柴油以及柴油中分别掺混10%、20%、30%(体积比)聚甲氧基二甲醚(PODE)的混合燃料,研究了PODE对柴油发动机燃烧排放特性以及燃油经济性的影响.结果表明PODE的掺混显著影响发动机的燃烧特性:除低速大负荷工况外,PODE的掺入明显降低了预喷放热率,改善了主喷燃料的雾化性能,加大了主喷前缸内的活化成分比例,提升了主喷期间压力升高率和燃烧放热率,提高了缸内燃烧温度,缩短了燃烧持续期.在研究范围内,PODE掺混比越大,缸内燃烧最高温度越高,主喷燃料燃烧速度越快,燃烧持续期越短.排放研究结果表明,随着PODE的掺入,发动机的NO_x排放明显上升,HC排放略有下降,CO排放变化不大.PODE的掺入能明显改善发动机的燃油经济性.     

加氢催化生物柴油引燃汽油可视化

为了改善内燃机燃烧与排放,探究双燃料反应活性控制压燃燃烧规律,分析缸内直喷喷油策略对发动机燃烧特性的影响,采用光学发动机,针对进气道喷射汽油、缸内直喷加氢催化生物柴油的双燃料燃烧模式,通过调节加氢催化生物柴油的喷油时刻和喷油比例,对发动机燃烧过程进行试验分析。结果表明：随着缸内直喷加氢催化生物柴油比例的增加,循环燃烧压力峰值和放热率峰值增大,燃烧相位提前,放热滞燃期与化学发光滞燃期均缩短;当喷油时刻靠近上止点时,缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势,在喷油时刻为上止点前20°时缸内燃烧效果最好。     

单、双环腔燃烧室燃烧性能的对比

保持单环腔主燃烧室的扩压器,外机匣最大直径尺寸以及喷口不变的前提下,将其火焰筒结构重新设计为并联式双环腔结构,设计了6种不同旋流器组合的双环腔结构燃烧室.采用相同的物理模型(包括湍流模型、辐射模型、喷雾模型及污染排放模型等),对单、双环腔主燃烧室分别进行全流程的三维计算.给出了燃烧室的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放指标等燃烧室性能参数.对比分析了单、双环腔燃烧室的计算结果.结果表明,双环腔燃烧室置换单环腔燃烧室是可行的,该研究可为大飞机低污染大法动机的设计提供技术支持.     

湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室结构和射流孔直径对湍流射流点火(turbulentjetignition,TJI)甲醇发动机性能和燃烧特性的影响研究．试验采用直单孔和斜三孔两种类型预燃室射流孔，根据预燃室是否喷射甲醇，预燃室可分为主动式预燃室和被动式预燃室．结果表明，预燃室射流孔直径过大会使射流强度减弱，进而导致主燃烧室燃烧速率降低，不利于稀薄工况下的稳定燃烧；预燃室射流孔过小则会导致节流损失和淬息作用增强，造成稀薄工况缸内燃烧恶化，且污染物排放增加．稀燃工况下，对于直单孔预燃室，4 mm直单孔预燃室性能表现较好，可产生较强的射流，拓宽发动机稀燃极限、提升燃烧稳定性，同时降低指示油耗率，减少污染物排放．预燃室结构不同时，斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰，TJI甲醇发动机获得更好的动力性与燃油经济性，且污染物生成较少；同时，斜三孔预燃室可在主燃烧室产生多股射流，提供分布更加广泛的点火源，促进缸内快速燃烧，有效提升稀燃工况下的燃烧稳定性．不同发动机负荷下，斜三孔预燃室的使用可使发动机获得更好的燃烧和排放性能；TJI甲醇发动机具有较好的经济性和燃烧稳定性，同时，缸内燃烧速率更高，...     

淬熄高度和空气分配比例对RQL燃烧室燃烧特性的影响

基于富油/淬熄/贫油(RQL)技术原理,设计一种燃气轮机低排放燃烧室.在保持燃烧室进口参数不变的前提下,研究不同淬熄结构高度及空气流量分配比例对燃烧室内流场、温度场及污染物生成特性的影响.结果表明：淬熄结构高度和空气分配比例是影响燃烧室燃烧性能的重要参数,随着淬熄结构高度的降低,燃烧室出口氮氧化物NO_x的排放量增加;随着富油区主燃孔与淬熄空气质量流量的空气分配比例降低,燃烧室出口NO_x的排放量先降低后增加,存在一个最佳的空气分配比例使NO_x排放量最低;热力型NO_x的生成量与温度高于1 900 K的区域大小和最高燃气温度存在直接关系.基于此设计的燃烧室在所研究的工况下,最低NO_x排放量可低于35 mg/m³,达到了低污染燃烧室排放标准.     

气液双燃料燃气轮机燃烧室混合燃烧特性研究

为解决双燃料燃气轮机燃烧室中的混合燃烧问题，对某原型燃油燃烧室进行了双燃料混合燃烧的数值模拟。通过模拟实验可知，在2种燃料混合燃烧的过程中，不断降低的液体燃料流量以及雾化压力导致的液体燃料雾化特性恶化以及气体燃料不断升高的喷射速度在径向上压缩液体燃料雾化空间是影响燃烧室混合燃烧性能的主要原因。在本文计算的混合燃烧过程中，燃烧室性能变化存在临界点，随着气体燃料占比增加，燃烧室火焰先缩短后延长，燃烧室出口温度分布系数（OTDF）先降低后升高，两者均在气体占比40%时达到最佳，而燃烧室液体燃料雾化质量、出口平均温度、效率均逐渐下降，且在气体燃料占比为70%时下降幅度最大，但在气体燃料占比100%时上升。     

大湿度旋流扩散燃烧的变工况特性

采用湍流雷诺应力微分模型和层流小火焰模型，对湿空气透平(HAT)带旋流器的燃烧室内甲烷扩散燃烧过程进行了数值模拟．对比了在加湿[200g／kg(DA)]和不加湿情况下，不同入口条件时[(304kPa，430K)，(507kPa，510K)，(709kPa，565K)，(912kPa，612K)]的燃烧室内部温度、速度以及NO组分分布的情况，分析了不同入口条件及湿度对HAT循环燃烧室扩散燃烧特性的影响．研究表明，随着入口空气压力的提高，回流区减小，回流中心位置前移，燃烧区最高温度增加，NO浓度增大；随着入口湿度增大，回流区减小，回流中心位置前移，燃烧区最高温度明显下降，NO浓度明显下降．结果表明，加湿燃烧可以降低污染物的排放，有利于燃烧室轴线尺寸的缩小．