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不同结构导向器对涡轮叶间补燃室性能影响的研究

李明  
【摘要】:为提高燃气涡轮发动机性能,涡轮叶间燃烧受到愈来愈多的关注,将涡轮叶间补燃室应用于航空发动机,能提高其推重比,降低污染排放。本文为探究导向叶片结构对涡轮叶间补燃室性能的影响,在现有研究成果基础上,建立了7种带有不同导向叶片结构的补燃室模型为研究对象。利用CFD软件FLUENT,数值模拟了补燃室的流动及燃烧特性,根据数值结果,优化结构,设计试验模型,确立试验方案。 本文首先研究了燃烧工况对涡轮叶间补燃室性能的影响,发现:(1)本文选取的数学模型和计算方法可以准确地模拟这种涡轮补燃烧室的流动及燃烧情况;(2)燃烧室能在较大幅度的当量比(1.62-0.81)下稳定工作,一直保持着高燃烧效率,低总压损失的特征,燃气平均温度提高650K左右;(3)增加二次气流流量,CO、UHC排放降低,燃烧效率提高,还能加大高温燃气与主流的混合,改善温度分布,但会造成更大的总压损失;(4)在流量不变情况下,增大燃烧室的压力,可以使燃烧更充分,CO、UHC排放减少,燃烧效率提高,总压损失显著下降,但NO X排放明显增加。 随后对带有不同径向槽结构的直叶片模型进行了模拟,模拟结果与基准模型对比发现:(1)减小径向槽后端面的倾斜度有利于设计,可以有效地改善流动,降低总压损失,改善温度场分布;(2)将径向槽前端面改为向前倾,总压损失增加,较适合低二次气流流量的工况使用;(3)在叶盆侧增加径向槽,会增大总压损失,降低NO X排放,较适合高二次流流量的情况下使用;(4)全开形式径向槽,可以在总压损失略微升高的基础上,极大地提高燃烧效率,适当改善叶片两侧温度分布,利于设计;(5)总体上,径向槽的结构对低二次气流流量工况下的燃烧性能的影响较大,表现为:槽越大,越有利于气体掺混,降低CO、UHC排放,提高燃烧效率。 最后研究了弯曲导向叶片对涡轮叶间补燃室性能的影响,结果表明:(1)气体在叶背发生严重分离,分离区有回流现象,导致总压损失增大,特别是叶背侧带有径向槽的模型;(2)补燃室出口速度分布较均匀,速度差小,特别是叶盆侧带径向槽的模型;(3)燃烧几乎都发生在燃烧环内,且较为完全,在下游叶间通道内,局部高温现象减弱,温度分布相对均匀,特别是在低二次气流流量的工况下;(4)径向槽安置在弯曲导向叶片叶盆侧的模型与安置在叶背侧的相比,在总压损失、污染排放、燃烧效率、温度速度场分布方面表现都更好一些。


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