新型双级旋流喷嘴的贫油直喷燃烧不稳定性研究

Combustion instability is widespread in nature and industrial combustion facilities. Liquid-fueled lean-direct-injection (LDI) combustion is a type of advanced gas turbine combustion technology with a very bright future. However, recent studies find that the combustion performance of LDI combustion with the new type of dual-stage counter-swirl injector is better than that of the single-swirl injector, but the LDI combustion with the injector is unstable. Now the combustion instability of LDI combustion with the dual-swirl-type injector has not been investigated. And there is a combustion instability mechanism for the single-swirl-injector LDI combustion, but it has not yet been tested whether the mechanism is also suitable for explaining the dual-swirl-injector LDI combustion instability.. Therefore, systematic and multi-parametric study on the dual-swirl-injector LDI combustion instability will be carried out in this project by experiments, theoretical analysis and numerical simulation. Under different injector geometries and operating conditions, study of the following problems are emphasized: the interaction law between precessing vortex core instabilities and pressure oscillations, the interaction mechanism between pressure oscillations and combustion species fluctuations, and the influences of operational parameter disturbances on species fluctuations and pressure oscillations. The study is to reveal the excitation mechanism and combustion dynamics of the LDI combustion instability, develop and perfect the theory and technology of LDI combustion, and provide guidance for engineering design of LDI combustors.

燃烧不稳定性在自然界和实际工业燃烧装置中普遍存在。燃气轮机的贫油直喷（LDI）燃烧是一种富有发展前景的先进燃烧技术。最近研究发现：新型的双级反旋喷嘴的LDI燃烧性能是优于现有的单级旋流喷嘴的，但是它存在燃烧不稳定性问题。然而，目前尚没有关于该类新型的双级旋流喷嘴的LDI燃烧不稳定性的研究。现有的单级旋流喷嘴的LDI燃烧不稳定性机理能否用来解释该新型喷嘴的LDI燃烧不稳定性尚需验证。. 为此，本项目结合实验、理论分析和数值模拟，对双级旋流喷嘴的LDI燃烧不稳定性开展系统性、多参数研究。着重研究：在不同喷嘴结构、运行工况下，进动涡核不稳定与压力振荡之间相互作用规律，压力振荡与燃烧组分浓度波动之间相互作用机制，工况参数扰动对组分浓度波动和压力振荡的影响规律等，以揭示该新型LDI燃烧不稳定性的发生机理及燃烧动力学规律，发展和完善LDI燃烧理论和技术，为LDI燃烧室的工程设计提供指导。

基于布雷顿循环的航空发动机和燃气轮机是关乎国家安全和强国地位的高科技军民两用战略产品，是衡量国家军事装备水平、科技工业实力乃至综合国力的重要标志。我国当前的航空发动机和燃气轮机研制水平还远落后于以美国为首的先进工业国家。因此，我国急切需要发展高稳定性、高可靠性和高性能的先进航空发动机和燃气轮机技术。燃烧稳定性是衡量航空发动机和燃气轮机工作可靠性和性能优越性的一个重要指标参数。近来国际上提出的贫油直喷燃烧技术被认为是能够提高工作性能同时具备高度可靠性的、非常有发展前途的航空发动机/燃气轮机的先进燃烧技术。.本项目基于前期研究的技术积累，对新型反向双旋喷嘴的贫油直喷燃烧进行研究，重点研究了如下内容：（1）应用离子成像测速仪深入研究了新型反向双旋喷嘴形成的流场。（2）应用高精度动态压力传感器和热电偶研究了流场上的压力和温度分布。（3）研究了反向双旋流场结构与压力之间的相互作用，分析了反向双旋贫油直喷燃烧室发生燃烧不稳定现象的机理。.通过上述研究，本项目取得如下主要成果和关键数据：（1）获得双路气流可控的反向双旋贫油直喷可视化燃烧实验台。（2）获得了反向双旋流场上的速度场结构、温度场结构以及压力分布。（3）根据实验数据对数值模型进行了验证并对反向双旋贫油直喷燃烧展开大涡模拟分析。（4）通过实验和数值分析，获得流场结构与动态压力相互作用规律，探究了引起反向双旋贫油直喷燃烧发生不稳定的机理。（5）研究结果表明，强烈相互剪切造成原本稳定的流动涡发生脱落、破裂，是引发反向旋流喷嘴发生火焰剧烈振荡和燃烧不稳定的一个重要原因。.本项目研究，揭示了反向双旋喷嘴发生燃烧不稳定的一个重要机理，既发展和完善了贫油直喷燃烧理论和技术，具有较为重要的学术意义，同时可以指导未来贫油直喷燃烧室的设计，具有重要的工程意义。