1、第26卷第9期2006年5月中国电机工程学报Proceedings of me CSEEV0126 No9 May 20062006 CllinSocfor ElecEng文章编号：02588013(2006)09006605 中图分类号：TK224 文献标识码：A 学科分类号：47020驻涡燃烧室凹腔双涡结构研究樊未军，易 琪，严 明，杨茂林(北京航空航天大学热动力研究所，北京市海淀区100083)A study of Double Vbrtex structure in the 7napped Vbrtex CombustorFAN W宅qun，YI Qi，Y：fN Ming，YANG M
2、ao1in(School ofJet Propulsion，Beijing Ullivers埘ofAeronautics柚dAsDnautics，Haidi柚Dis仃ict，Beijing 100083，Cllina)ABSTI认CT：，nle噼d vonex coInbustor has devel叩ed tome fourth generation in less tIm 10 years fbr its exceUentp既翩【IlaIlce since KY Hsu presented me concept of it iIl 1995TWo experinlents wllich w
3、ere desi盟ed to tlIe stIldy of thisconc印tIlal combustor have been discussed in tllis paperOne ofnle experilnents was pem，nned to evaluatele eIIlissions of thecombustorThe ouet 1nix眦s temper姗distribution柚deTnissions are meaSed by test0360 gas 柚alyzer meexp甜me毗results show如at N。emissions c锄be reducedgr
4、eany by blowillg fbm aftcavi哆Tbe other exp疽menteIIlploys a P(panicle iInage velocimey)test wllich has beenpe怕med to stIldy me cold now field of me仃apped vortexcombustort11e reslllts sbow mat double vonex snllcnllcan beobserved when tlle co加【bustor is 01)e瑚砌g on the condition oflow eIllissionsTllis t
5、esdfies me con仃ibu60n of double vortexs仇lctIlre to tlle combustors low elissions pI吁follIl柚ce furdlerKEY WoRDS：仕Ie加al power engilleenng；apped VonexcoInbustor；caVity；N0叠eIIlission；panicle iIllage Veloc洒e仃y；double vonex sm】ctIe摘要：从1995年Hsu等提出驻涡燃烧室至今，在不到lO年时间，驻涡燃烧室经过了4代的发展，也越来越接近实际应用。该文设计实验用轴对称三维驻涡燃烧室，
6、利用test0360对燃烧室的出口温度场及污染物排放进行测量，实验结果显示：驻涡燃烧室凹腔后体吹气能够大幅度降低N0。排放；然后通过PIV(粒子成像测速仪)技术对驻涡燃烧室冷态流场进行测量，探讨驻涡燃烧室降低污染排放的机理，试验结果显示当驻涡燃烧室在低污染工况下凹腔内确会出现双涡结构，进一步证明双涡结构对降低燃烧室污染排放物的贡献。关键词：热能动力工程；驻涡燃烧室；凹腔；Nq排放；粒子成像测速仪；双涡结构0 引言在自然界中，裸露山脊的避风面可见到自然的驻涡，在沙丘附近也能看到类似的驻涡。当流体流经一个凹腔时，由于粘性作用，凹腔内也会产生驻涡，燃料在驻涡中燃烧具有很好的燃烧特性，能得到高的燃烧效
7、率、低的贫油吹熄边界、较小的总压损失等。驻涡燃烧室从第1代发展到第4代【2。5】，以及以后发展的地面用低污染驻涡燃烧室【6】，均探讨了凹腔结构、尺寸、凹腔吹气速度对驻涡稳定性的影响，同时还发现对于不同的凹腔前后吹气位置，不仅影响到凹腔中涡的稳定性，还会形成双涡、单涡的不同结构13J。双涡结构中底部的大涡有又称为主涡，上面的小涡又称为二次涡。在热态下，双涡结构具有很大的优点，凹腔底部的大旋涡主要起稳定火焰的作用，可以看作是个固定的点火源，凹腔上部的二次涡能使主流空气和底部的热燃气更好更快地掺混，从而提高燃烧性能【79】。 蕾私气(a)双涡 (b)单涡图1 凹腔中的单、双涡结构Fig1 Two c
8、onfig啪tion of the vortices in thevity1 驻涡燃烧室污染排放实验11 实验装置实验用二维轴对称驻涡燃烧室的结构m。31如图2所示。其中，液化石油气进口为10个均匀分布于圆周上直径为05mm的小孔，在凹腔前体有与之万方数据第9期 樊未军等： 驻涡燃烧室凹腔双涡结构研究 67对应垂直的lO个直径6mm的小孔，主流多孔板堵塞比均为09232，凹腔后体吹气为一周有45个细密均匀的直径为2nun的小孔。实验中为了减小误差，在低污染驻涡燃烧室出口平面沿径向取5点测量，出口平面中心为一点，向外每隔10mm为一测量点。按NO。、CO排放的5点分布作等环面积平均，作为不同余气
9、系数下燃烧室出口的近似平均温度。图2驻涡燃烧室结构简图F蟾2 Sch哪ati髂of tra印ed vort旺mb砸tor12实验结果试验时首先保持总余气系数=12，凹腔内余气系数诉=07不变。试验结果如图3一图5所示。图3是燃烧室出口温度沿半径方向r的测量值。图4是燃烧室出口Nq沿半径方向r的测量值，uL几。图5驻涡燃烧室出口CO沿半径方向r的测量值。调节凹腔后体空气供给速度为10 111，s，其余空气由主流通过多孔板供给，试验结果如图3至图5所示的曲线A。然后关闭凹腔后体空气供给量，空气全部由主流供给，获得图3至图5所示的曲线B。最后保持凹腔内空气供给速度，改变多孔板进气量，使总的余气系数发
10、生改变，同样可得到燃烧室出口温度，污染物排放随总余气系数倪的分布，如图6至图8所示。从上面的图中可以看出，在一定的总余气系数下，驻涡燃烧室凹腔后体吹气的出口温度场比后体不吹气更为均匀，这说明凹腔后体吹气可明显改善燃料浓度场分布，从而提高燃烧室出口温度场分布指数，这是高性能航空发动机所要求的重要性能指标。在不同的总余气系数下，保持凹腔后体空气供给量，驻涡燃烧室的出口温度水平几乎一样，但凹腔后体吹气可显著降低Nq排放量，与不吹气相比可降低N瓯排放50，凹腔后体吹气下CO的排放也要低于不吹气的CO排放。这说明凹腔后体吹气是大幅度提高发动机性能的重要手段。初步分析认为凹腔后体吹气可明显改变燃烧室流场，
11、以及燃料浓度场，为了进一步验证这个看法，本文利用P技术对驻涡燃烧室凹腔内的流场进行了测量。22芤u10O lO 20 30 40 r，m“图4燃烧室出口Nq沿半径分布Fig4 N 0_。emissions varia60n12 16 2O 24西图6燃烧室出口平均温度随总余气系数变化Fig6 Zout variation of at radius宣吾Z12 16 2O图7燃烧室出口平均NOi随总余气系数变化ng7 N(k em豳io吣variation of ouUet mdi砸万方数据中 国 电机工程学报 第26卷12 16 2O 24岱图8燃烧室出口平均Co随总余气系数变化Fig8 CO
12、emissio璐variation of ouUet mdi憾2 PIV实验21 PIV实验系统实验中使用的模型是简化了的二维驻涡燃烧室，其在工y平面上的剖面图如图9，本模型是根据上面实验用驻涡燃烧室的吹气结构以及气量分配而设计的。凹腔深H1_40nlIn，宽L】40mm，主流进气缝宽6l=5 mm，凹腔前体底部进气缝宽易2=2mm，凹腔后体吹气缝幻=1 nlrn，吹气缝离底部的距离，l=17mm，驻涡燃烧室出口高度趣=40mm，驻涡燃烧室模型展向(垂直于工一y平面)长度是50mm，这样各吹气缝的长度和宽度之比大于10，满足二维问题的要求，因此可以认为流动是二维的。实验系统如图10所示，供风系
13、统主要由低压风机，阀门，气流管路，流量计等组成。低压风机能提供1070m的稳定流量，通过调节阀门而实现对系统流路气量的控制。主流空气流量，凹腔前、后体空气流量分别由固定在操作台上的一个量程为6“O m3ll，两个量程为440 m3ll的流量计监控，用控制流量来控制燃烧速度。图9 二维驻涡燃烧室结构简图Fig9 stmcture of the two diIne琳ion trapped Vort既combustor数据处理系统图10 PIv实验装置系统图Fig10 System of PIV test device212 PIV实验结果与分析P冷态流场测量结果如图11一图13所示，图中所显示数值
14、是经过标定的瞬态定量值。图1l、图12是在主流速度=10 ms，凹腔内不供空气获得的凹腔中瞬态涡量值。从中可以看出当只有凹腔主流、前体吹气，凹腔后体不吹气，凹腔内部只能形成单涡结构。图13是在主流速度=10州s，凹腔前、后体分别供气10111s时，获得的凹腔中瞬态速度图(图13(a)和涡量值(图13(b)。从中可以看出当配合凹腔后体吹气，凹腔里面就会形成明显的双涡结构：凹腔底部有一个结构完整的主涡，在主涡的上面，有一个二次涡。图11凹腔中瞬态涡量图Fig11 The vortex fidd of the cavity图12凹腔中瞬态涡量图Fig12 The vortex矗eld ofthe c
15、avitce从冷态流场测量结果可看出，采用凹腔后体供给部分空气的方法，可使速度场的结构发生显著改变，由不吹气时的单涡结构转化为吹气时的双涡结构。这种双涡结构造成了凹腔底部是富油区，燃烧55555”撕吣一，1Tf一、ou万方数据第9期 樊未军等： 驻涡燃烧室凹腔双涡结构研究 69是富油燃烧，上面是贫油区、燃尽区，这样就通过气动的方法实现了分级燃烧。(a)瞬态速度矢量等值线图(b)瞬态涡量图图13凹腔内的冷态流场Fig13 The now 6eld of the caVity文献16141中发现凹腔后体吹气不参与燃烧。但由实验结果来看凹腔后体吹气，使得凹腔内形成双涡结构，二次涡有利于主流和一次涡燃
16、气快速、均匀掺混，避免了局部高温，这样有利于降低Nq。凹腔内双涡结构避免主涡未燃尽的燃气从凹腔后体直接排出，增加燃烧在主涡中的停留时间，同时，凹腔后体吹气和二级燃烧后的燃气掺混，使燃烧室出口温度更加均匀。另外，凹腔后体吹气，增大一级燃烧在凹腔内停留时间，使燃烧生成的Co与NO发生还原反应以及燃料中N分解生成的中间产物相互作用或与N0还原分解，抑制了“燃料”NO的生成【l 5|：2CO+N02CO，+N，NH+NHN，+H，NH+N0jN2+OH。由于凹腔体积和凹腔前体吹气速度一定，凹腔后体吹气使得凹腔内部流动能按着一次涡的轨迹，凹腔一级反应燃烧区的时间就几乎确定，当整个还原分解反应处于平衡状态
17、时，N0的生成量也就不可能无限地减少。总的来说，凹腔后体吹气，可以在凹腔里形成双涡结构，它一方面抑制了一级燃烧后的燃气从凹腔后面直接排出燃烧室，增大了凹腔一级燃烧的停留时间，从而降低了污染物的排放；另一方面和二级燃烧后的燃气进一步掺混，使得驻涡燃烧室的出口温度更加均匀。3结论驻涡燃烧室是低污染燃烧室，相同余气系数下燃烧室出口NQ、CO排放可降低50。本文研究发现双涡结构对燃烧室出口温度场分布、污染物排放起着重要作用。其工作的机理主要是通过在凹腔内组织双涡结构流场，在凹腔内组织不同的燃料浓度场，实现分级燃烧，最终达到低污染排放。参考文献【1刁永发，何伯述，许晋源，等四角燃烧器射流向火侧相干结构涡
18、的研究J】中国电机工程学报，2003，23(3)：150155Diao Ybngfa，He Boshu，Xu JinyuaIl，et a1Coherent strIlctIlre Vorticeson the firefacing side offour bumerjetsJ】Proceedings oftIle CSEE，2003，23(3)：150-155(in Chinese)2】 Hsu K Y，Goss L P，R0quemore w MCharacteristics of a衄ppedVortex combuster【J】J叫mal ofPropulsion a11d Powerl
19、998，14(I)：57653】Roquemore w M，Dale Shouse，Dave Bu兀1ls，et a1Trapped Vonexcombustor concept for gas turbine engines【C】 39山AJAA AerospaceSciences MeetingExhibit，Reno，NV，2001，04834 HsuKY，GossLP，TmmpDD，et a1Roquemore pe哟唧anceofa昀ppedvonex combustorfC】 33rd Ae0Space sciences Meeting&ExllibitRenoNV，1995，08
20、105 Bu删s D L， Johnson A w， Mroquemore w，et a1 Pe怕nnanceassessment of a pmtotype trapped Vortex combustor concept for ga8turbine application【C】 ASME TURBo ExPO， New odeaIls，Louisiana 2001，GT-00876】 Douglas L Straub，Kent H CasletDn，Robie E Lewis，et a1Richardsassessment of RQL tra)ed vortex combustor f
21、or stationary gasmrbines【CASME TURBO EXPO 2003，power for Land，Sea and A记AtlantaGAUSA GT_-38569【7赵海亮，徐旭常，李彦，等脉动供燃料燃烧技术及火焰频率特征，燃烧科学与技术J】，2004，10(5)：459464Zhao Hailiang，Xu Xuchang，Lim，et a1osciIIating combus“On a11dflame modes in dbrent oscillating frequencies【J JoumaI ofCombustion Science and Technolo
22、gy， 2004， lO(5)： 459-464(inChinesel【8樊未军，孙文超气脉冲除灰器工作机理研究J1中国电机工程学万方数据70 中国电机工程学报 第26卷报，2002，226)：137141(in Ch函ese)Fan weUun，sun w宅nchaostudy on the work mechaIIigmgaspulSeash remoVer【J】Proceedingsof山eCSEE，2002，22(6)：137-1419樊未军，孙文超，吴承康气脉冲发生器中火焰传播与压力变化的研究【J】中国电机工程学报，2002，22(7)：140-144Fan W确un，Sun wen
23、chao，wu ChengkaIlgA stIldy on n锄epropaga曲n in a gaspulse genemtor【J】Proceedings of the CSEE，2002，22(7)：140144(in Chinese)【10】张文普，丰镇平微型燃气轮机环型燃烧室的设计研究【J】中国电机工程学报，2005，25(5)：150一153zhaIlg wenpu，FengzhenpingDesign and stIldyof a11Ilularcombustorfor micro tIlrbine【J】Proceedings of the CSEE， 2005，25(5)：15
24、0153(in Chinese)1l】李宇红，祁海鹰，苑皎，等预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析J工程热物理学报，2001，22(2)：257260Li Yuhong，Qi Haiying，Yu柚Jiao，et a1Numerical aIlalysis of hightemperatllre combustion of metharle【J】 Joumal of Engineering111e肿ophysics，2001，22(2)：257-260(in Chinese)【12】周吴，岑可法，樊建人，分离涡方法模拟浓淡气固射流两相非稳态流动特性研究fJ】中国电机工程学报，2005，2
25、5(7)：l一6Zhou Hao，Cen Kefa，F卸JianrenThe numedcal illVemgadon伽me嘶sient characteristics of the gassolid twophase fllel richleaIlbumer now【J】Proceedings 0f山e CSEE，2005，25(7)：16(inChinese)13】胡国新，王明磊，李艳红。种微细型腔内氢气与空气预混燃烧的实验研究J】中国电机工程学报，2004，24(1)：20l一204Hu Guoxin，Wa嘤Minglei，Li YanhongExpednle【蹦study oncomb
26、umn 0f preIIlixed hydrogenair gasiIl柚nular rnicrochamberJ】Procecdings of tIle CSEE，2004，24(1)：20l一204(in Chinese)14】严明，驻涡燃烧室低Nq特性研究(D】北京：北京航空航天大学，2005Yan Ming A stIldy of low N仉e蚰ssion of 噼d Vonexcombustor【D】 Be硒ing： Be硒ing ullivers畸of Aeronoutics柚dAstmnau6cs， (in Chinese)【15】赵坚行热动力装置的排气污染与噪声【M】北京：科
27、学出版社，】995收稿日期：200512一12。作者简介：樊未军(1965一)，男，博士，副教授，主要从事与航空推进有关的燃烧和爆震机理研究，fwej263net；易琪(1980一)。男，硕士研究生，从事高性能燃烧室方面的研究；严明(1979一)，男，硕士研究生，从事高性能燃烧室方面的研究：杨茂林(1937一)，男，教授，博士生导师，主要从事喷雾及两相流动、液雾燃烧、旋流燃烧、火焰稳定及稳定器、低污染燃烧、高性能燃烧室方面的研究。(编辑 贾瑞君)万方数据驻涡燃烧室凹腔双涡结构研究作者： 樊未军， 易琪， 严明， 杨茂林， FAN Wei-jun， YI Qi， YAN Ming， YANG M
28、ao-lin作者单位： 北京航空航天大学热动力研究所,北京市,海淀区,100083刊名： 中国电机工程学报英文刊名： PROCEEDINGS OF THE CHINESE SOCIETY FOR ELECTRICAL ENGINEERING年，卷(期)： 2006,26(9)被引用次数： 23次参考文献(15条)1.刁永发.何伯述.许晋源 四角燃烧器射流向火侧相干结构涡的研究期刊论文-中国电机工程学报 2003(03)2.Hsu K Y.Goss L P.Roquemore W M Characteristics of a trapped-vortex combuster外文期刊 1998(0
29、1)3.Roquemore W M.Dale Shouse.Dave Burrus Trapped vortex combustor concept for gas turbine engines20014.HsuKY.GossLP.TrumpDD Roquemoreperformanceofa trapped-vortex combustor 19955.Burrus D L.Johnson A W.Mroquemore W Performance assessment of a prototype trapped vortex combustorconcept for gas turbin
30、e application 20016.Douglas L Straub.Kent H Casleton.Robie E Lewis Richards assessment of RQL trapped vortex combnstorfor stationary gas turbines 20037.赵海亮.徐旭常.李彦 脉动供燃料燃烧技术及火焰频率特征,燃烧科学与技术期刊论文-燃烧科学与技术2004(05)8.樊未军.孙文超 气脉冲除灰器工作机理研究期刊论文-中国电机工程学报 2002(06)9.樊未军.孙文超.吴承康 气脉冲发生器中火焰传播与压力变化的研究期刊论文-中国电机工程学报 20
31、02(07)10.张文普.丰镇平 微型燃气轮机环型燃烧室的设计研究期刊论文-中国电机工程学报 2005(05)11.李宇红.祁海鹰.苑皎 预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析期刊论文-工程热物理学报 2001(02)12.周吴.岑可法.樊建人 分离涡方法模拟浓淡气固射流两相非稳态流动特性研究期刊论文-中国电机工程学报2005(07)13.胡国新.王明磊.李艳红 一种微细型腔内氢气与空气预混燃烧的实验研究期刊论文-中国电机工程学报2004(01)14.严明 驻涡燃烧室低NOx特性研究 200515.赵坚行 热动力装置的排气污染与噪声 1995本文读者也读过(1条)1. 刘世青.钟兢军.LI
32、U Shi-qing.ZHONG Jing-jun 驻涡燃烧室后驻体喷射角度影响冷态数值研究期刊论文-哈尔滨工程大学学报2010,31(8)引证文献(23条)1.彭春梅.何小民.金义 驻涡燃烧室驻涡区涡系特点数值模拟期刊论文-航空发动机 2013(1)2.王伟俭.杜尚明.张荣春.覃文隆.樊未军 涡轮级间双涡燃烧室的出口温度分布试验期刊论文-航空动力学报2012(2)3.张荣春.樊未军.邢菲 环形级间驻涡燃烧室壁温分布试验期刊论文-航空动力学报 2010(6)4.孔祥雷.樊未军.邢菲.张荣春.宋玄进 单涡/贫油驻涡燃烧室的出口温度分布试验期刊论文-航空动力学报2010(4)5.邢菲.樊未军.柳杨
33、.孔昭健.刘玉英.杨茂林 油气匹配及后体进气量对TVC燃烧性能的影响期刊论文-航空动力学报 2008(5)6.杨秀媛.赵刚.吴瑞芝.寻宪生.姜钧.张芳.张利 生物质能电厂的监测与控制期刊论文-电网技术 2006(23)7.钟兢军.刘世青 后驻体喷孔位置对驻涡腔流动冷态数值的影响期刊论文-上海海事大学学报 2011(1)8.刘世青.钟兢军.程平 喷射孔径影响驻涡燃烧室性能冷态数值研究期刊论文-汽轮机技术 2010(2)9.张荣春.樊未军.邢菲 涡轮级间单涡燃烧室壁温研究期刊论文-航空动力学报 2010(7)10.刘世青.钟兢军 驻涡燃烧室内涡系分布研究期刊论文-大连海事大学学报 2009(4)1
34、1.XING Fei.樊未军.LIU Yang.孔昭健.YANG Mao-lin 凹腔油气匹配对驻涡燃烧室点火性能影响试验期刊论文-推进技术 2008(4)12.刘世青.钟兢军 驻涡燃烧室最佳中心驻体宽度选择的数值研究期刊论文-航空动力学报 2010(5)13.孔昭健.樊未军.易琪.刘玉英.杨茂林 采用蒸发管供油的驻涡燃烧室点火及贫油熄火特性期刊论文-航空动力学报 2007(7)14.樊未军.孔昭健.邢菲.甘志文.杨茂林 凹腔驻涡模型燃烧室内涡的演化发展期刊论文-航空动力学报 2007(6)15.蒋波.何小民.金义.吴泽俊.丁国玉 低排放驻涡燃烧室冷态流场特性试验期刊论文-航空动力学报 201
35、3(8)16.宋双文.雷雨冰.姚尚宏.马辉.胡好生 可压流条件下凹腔驻涡流动试验期刊论文-航空动力学报 2011(10)17.金义.何小民.蒋波 富油燃烧/快速淬熄/贫油燃烧(RQL)工作模式下驻涡燃烧室排放性能试验期刊论文-航空动力学报 2011(5)18.钟兢军.刘世青 驻涡燃烧室前驻体后端面冷态流场数值模拟期刊论文-热能动力工程 2010(5)19.张韬.宋双文.樊未军.张荣春 双涡/贫油驻涡燃烧室的贫油熄火特性试验期刊论文-航空动力学报 2011(6)20.费立群.张炎.牛志刚.凌文辉 冲压发动机驻涡燃烧室模型方案数值模拟研究期刊论文-推进技术 2011(5)21.丁国玉.何小民.金义.秦伟林.吴泽俊.蒋波 涡轮级间燃烧室燃烧性能试验期刊论文-航空动力学报 2012(11)22.秦伟林.何小民.金义.蒋波 凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验期刊论文-航空动力学报2012(6)23.李昊.林明.张玉山.沈继奎.陈春德 中心突扩燃烧室PIV实验研究期刊论文-实验流体力学 2011(4)本文链接：http:/
