基于驻涡稳定的航空发动机无焰燃烧技术研究

摘要

传统的低污染燃烧技术已无法满足航空发动机CAEP6污染物排放标准,因此需要发展新的低污染燃烧技术。基于驻涡稳定的无焰燃烧技术污染物排放低,并且能在低工况下稳定燃烧,改善驻涡燃烧出口温度分布,在航空发动机上具有广阔应用前景。
　　 本文将数值模拟与实验相结合,优化了燃烧室的结构与运行参数,研究了火焰形态、总压损失、燃烧效率以及污染物排放等特性随着燃烧室进口条件和燃料分配比例变化的规律,总结了形成无焰燃烧状态的条件,证明了该技术的可行性。首先,通过三维CFD模拟对设计的基于驻涡稳定的无焰燃烧模型燃烧室进行了优化,并初步分析了燃烧室性能以及达到无焰燃烧的可能性。模拟结果表明凹腔内喷入燃油燃烧产生的高温烟气与来自主燃区的空气燃油混合物掺混良好是在凹腔下游形成无焰燃烧的关键。在中心体增加次凹腔后燃烧室出口OTDF达到0.131,RTDF达到0.08,性能优于单凹腔燃烧室,能满足燃烧室性能要求。三维模拟得到了燃烧室温度场、组分浓度场等燃烧室流场特性,为详细化学反应器网络(Chemical Reactor Networks,CRN)模型的建立提供了数据。然后,基于三维CFD模拟结果建立详细的CRN模型预测燃烧室出口污染物排放,分析头部与凹腔燃油分配比例、入口空气温度以及工作压力等关键参数对污染物排放的影响。计算结果表明凹腔当量比在0.4～0.5时燃烧室污染物排放最低。随着燃烧室工作压力的升高,Nox排放增加,压力高于10atm后Nox与CO排放基本保持不变。CRN模型方法计算时间短,准确度高,可以优化燃烧室设计,为实验研究提供参考数据。最后,对经过优化设计的燃烧室进行了常压实验研究。实验观察到入口空气温度低于450K时,燃烧室内发生爆燃,燃烧不稳定。随着燃烧室内温度升高(高于550K),燃烧状态过渡到无焰燃烧。在低工况下,只通过凹腔喷嘴喷入燃油可以维持稳定燃烧,但是燃烧效率较低,观察到大量排气冒烟现象;在设计状态下,燃烧室内形成无焰燃烧,CO和Nox的排放均小于30ppm(@15％O2),燃烧效率接近100％,出口温度分布系数仅为0.023,非常均匀。通过本文的研究,提出了一种适用于航空发动机的基于驻涡稳定的无焰燃烧室设计方案,其性能达到了预期效果,证明了该技术的可行性,并总结出了在凹腔下游形成无焰燃烧的条件:1)燃烧室入口空气温度高于550K;2)凹腔当量比为0.4～0.5,保证主流掺混高温燃气后达到燃料的自点燃温度。