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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-01-15 10:47
噴嘴間距是燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在燃燒室設(shè)計(jì)初期就需要確定下來，因?yàn)樗粌H會(huì)影響燃燒室的尺寸和制造成本，也會(huì)對(duì)燃燒室的運(yùn)行性能造成重要影響。由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)較大的復(fù)雜性，在燃燒系統(tǒng)研發(fā)初期，仍然經(jīng)常把問題簡(jiǎn)化為一個(gè)單獨(dú)的噴嘴進(jìn)行研究。然而，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)大多使用典型的環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的噴嘴在環(huán)腔中布置一周，噴嘴除了在徑向上受到火焰筒壁面作用外，在周向上還受到旋流火焰的相互影響和作用。由于每一個(gè)旋流噴嘴都產(chǎn)生自己的回流區(qū)和火焰，并且湍流流動(dòng)和燃燒化學(xué)反應(yīng)相互耦合、彼此作用，進(jìn)而決定噴嘴的燃燒性能，因此相較于單個(gè)噴嘴，噴嘴間的相互作用會(huì)影響它們流動(dòng)和燃燒特性。值得注意的是，噴嘴間距是影響噴嘴間相互作用程度的關(guān)鍵參數(shù)，可以推斷，改變噴嘴間距會(huì)顯著影響環(huán)形燃燒室的許多性能，比如點(diǎn)火聯(lián)焰特性、貧油熄火邊界、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及污染物排放特性等。
工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)團(tuán)隊(duì)致力于某型30MW燃?xì)廨啓C(jī)的研制，同時(shí)進(jìn)行燃機(jī)功率放大的技術(shù)先期預(yù)研。研究團(tuán)隊(duì)在前期對(duì)30MW燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室單噴嘴（包括旋流杯和燃?xì)鈬娮欤┙Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并加工了噴嘴間距連續(xù)變化可調(diào)的多頭部模型燃燒室試驗(yàn)件。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同點(diǎn)火燃料當(dāng)量比條件下保證燃燒室傳焰成功的最大噴嘴距離，分析了火焰?zhèn)鞑サ膭?dòng)態(tài)過程；此外還研究了噴嘴間距對(duì)熄火當(dāng)量比、燃燒流場(chǎng)和均方根速度場(chǎng)的影響。
研究人員發(fā)現(xiàn)，確保傳焰成功的最大噴嘴距離隨著初始點(diǎn)火燃料當(dāng)量比的提高而變大，同時(shí)噴嘴間的火焰?zhèn)鞑ミ^程大概分為四個(gè)階段：相鄰側(cè)核心小火團(tuán)的出現(xiàn)、跨越噴嘴向另一側(cè)傳播、火焰根部的建立與強(qiáng)化以及向下游傳播并充分發(fā)展。傳焰動(dòng)態(tài)過程如圖1所示。
圖1 雙噴嘴間的聯(lián)焰過程
另外，還有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：傳焰成功所允許的最大噴嘴距離要小于單噴嘴的平均火焰直徑，表明聯(lián)焰時(shí)著火噴嘴的火焰前緣不僅接觸到相鄰未燃噴嘴的可燃混合物邊界，而且已經(jīng)插入到其內(nèi)部，形成了一個(gè)具有足夠能量的點(diǎn)火源，由此表明旋流射流間的相互作用造成燃料混合、對(duì)流傳熱和自由基摻混等效果，這對(duì)火焰?zhèn)鞑テ鸫龠M(jìn)作用。隨后進(jìn)行了不同噴嘴間距下燃燒室熄火邊界的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴間距變小，熄火當(dāng)量比先變小后變大，如圖2所示。這可能是因?yàn)閲娮扉g距變小將導(dǎo)致噴嘴間燃料濃度和火焰溫度的升高，這種效果會(huì)促進(jìn)火焰穩(wěn)定，但隨著兩個(gè)噴嘴進(jìn)一步靠近，射流融合、流速增大和火焰面局部拉伸的效果變得明顯，這將對(duì)火焰穩(wěn)定造成不利影響，兩種效果相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果又會(huì)使熄火當(dāng)量比稍微變大。
圖2 熄火當(dāng)量比隨頭部間距D的變化
最后使用示蹤粒子圖像測(cè)速儀（PIV）研究了噴嘴間的流動(dòng)耦合和速度脈動(dòng)情況。最小噴嘴間距下的流場(chǎng)和脈動(dòng)速度場(chǎng)如圖3所示。發(fā)現(xiàn)相鄰的兩股射流合并，軸向峰值速度遠(yuǎn)高于自由射流速度，同時(shí)噴嘴間相互作用的區(qū)域中存在很大的速度脈動(dòng)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了之前的分析。
（a）
（b）
圖3 最小噴嘴間距下的(a)燃燒時(shí)均流場(chǎng)和(b)脈動(dòng)速度場(chǎng)
以上相關(guān)工作已發(fā)表一篇國(guó)際會(huì)議論文，兩篇EI論文，申請(qǐng)2項(xiàng)發(fā)明專利，授權(quán)4項(xiàng)實(shí)用新型專利。基于以上工作，研究團(tuán)隊(duì)還將開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，進(jìn)行噴嘴間距變化對(duì)氮氧化物排放水平和出口溫度分布系數(shù)等關(guān)鍵燃燒室性能參數(shù)影響的研究工作，這些工作將為燃燒室改型和功率放大中的噴嘴間距選擇提供支撐。
來源：Internet
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