刁瑤朋,柴 昕

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 第三研究室，沈陽 110015)

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放大型噴嘴對航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響

刁瑤朋,柴 昕

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 第三研究室，沈陽 110015)

對比研究了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火電嘴附近的放大型噴嘴流量放大比例(δ)對燃燒性能的影響，主要包括：燃燒室出口溫度分布、高空點(diǎn)火特性和慢車貧油熄火特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著放大型噴嘴流量放大比例的減小，燃燒室出口溫度分布的均勻性提高，出口溫度分布系數(shù)(OTDF)減小；燃燒室高空點(diǎn)火特性受放大型噴嘴流量放大比例的影響較小，可以忽略不計(jì)；燃燒室慢車貧油熄火油氣比隨放大型噴嘴流量放大比例的增大而變小，并且一組放大型噴嘴中流量放大比例最大的噴嘴對其影響最為顯著。

燃燒室；放大型噴嘴；流量放大比例；燃燒性能

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的三大核心部件之一，它的好壞直接影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作和性能[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室要求有寬廣的穩(wěn)定工作范圍、良好的燃燒室出口溫度分布和點(diǎn)火特性等性能[3-5]。為了有效地提高燃燒室的點(diǎn)火特性和燃燒穩(wěn)定性，在點(diǎn)火電嘴附近設(shè)置了放大型噴嘴。放大型噴嘴是指在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)附近，噴嘴的燃油流量和噴霧角度相對于標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴要放大一定比例。放大型噴嘴的使用在滿足燃燒室點(diǎn)火特性和燃燒穩(wěn)定性要求的同時(shí)，使得燃燒室出口溫度分布在慢車狀態(tài)附近時(shí)變差，直接影響了渦輪導(dǎo)向器葉片和工作葉片的可靠性和使用壽命[6-8]。如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)超溫或熱懸掛時(shí)，極易出現(xiàn)由于燃燒室火焰外伸造成渦輪導(dǎo)向器葉片燒蝕的現(xiàn)象。在慢車狀態(tài)附近，放大型噴嘴的使用造成了燃燒室內(nèi)燃油噴射摻混的不均勻，文獻(xiàn)[9-12]指出燃油噴射摻混均勻性惡化時(shí)，燃燒室徑向溫度分布系數(shù)(RTDF)變化不明顯，而燃燒室出口溫度分布系數(shù)(OTDF)增大很明顯，燃燒室出口溫度分布不均勻，易對渦輪部件造成損傷。針對放大型噴嘴帶來的問題，國內(nèi)已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作[13-15]。這些研究工作表明：放大型噴嘴流量放大比例的減小有利于改善燃燒室的出口溫度分布，但是放大型噴嘴流量放大比例的減小會(huì)導(dǎo)致燃燒室的燃燒穩(wěn)定性變差。由此可見，燃燒室的燃燒穩(wěn)定性和點(diǎn)火特性與出口溫度分布對噴嘴的要求是相互矛盾的。因此，需要綜合考慮在滿足燃燒室出口溫度場品質(zhì)、燃燒穩(wěn)定性和點(diǎn)火特性要求的情況下，適當(dāng)?shù)販p小放大型噴嘴的流量放大比例，降低其給渦輪部件帶來的不利影響。

1 研究內(nèi)容

本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為驗(yàn)證平臺(tái)，開展了放大型噴嘴流量放大比例對燃燒室燃燒性能影響的試驗(yàn)研究，主要研究了放大型噴嘴流量放大比例對燃燒室的出口溫度分布、點(diǎn)火特性和慢車貧油熄火特性的影響。通過詳細(xì)分析某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室現(xiàn)有放大型噴嘴的流量特性，提出了多個(gè)放大型噴嘴的流量放大比例方案，對這些方案進(jìn)行了燃燒室溫度分布試驗(yàn)、高空點(diǎn)火特性試驗(yàn)和慢車貧油熄火特性試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究及分析找到了滿足燃燒室高空點(diǎn)火特性和燃燒穩(wěn)定性要求的邊界點(diǎn)，為優(yōu)化放大型噴嘴的流量放大比例，制定放大型噴嘴的流量特性控制方案提供了依據(jù)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，點(diǎn)火分為地面起動(dòng)點(diǎn)火和高空點(diǎn)火(空中起動(dòng)點(diǎn)火)。由于高空再點(diǎn)火時(shí)空氣的溫度和壓力都很低，燃油霧化差，導(dǎo)致高空點(diǎn)火比地面起動(dòng)點(diǎn)火更困難[16]，因此，主要研究了放大型噴嘴的流量放大比例對高空點(diǎn)火特性的影響。燃燒室的燃燒穩(wěn)定性主要關(guān)注的是燃燒室的慢車貧油熄火特性，因?yàn)槁嚨臓顟B(tài)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最小穩(wěn)定工作狀態(tài)，是燃燒室穩(wěn)定工作的最窄邊界[16]。因此，主要研究了放大型噴嘴流量放大比例對慢車貧油熄火特性的影響。

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)方案

研究中采用的試驗(yàn)件為某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)件，試驗(yàn)件前端的前置擴(kuò)壓器采用模擬件，在試驗(yàn)件出口段安裝渦輪葉柵模擬段來模擬渦輪葉片對燃燒室的堵塞情況。試驗(yàn)中，針對采用多種放大型噴嘴流量放大比例方案的同一燃燒室試驗(yàn)件，開展了放大型噴嘴的流量放大比例對燃燒室燃燒性能的影響研究。試驗(yàn)中的流量放大比例方案由五組放大型噴嘴(每組4個(gè))與一組標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴依次匹配組合來實(shí)現(xiàn)，具體的流量放大比例方案如下，其中δav為放大型噴嘴的平均放大比例，δmax為放大型噴嘴的最大放大比例。

表1 放大型噴嘴的流量放大比例方案

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在燃燒室性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其試驗(yàn)設(shè)備主要由進(jìn)/排氣系統(tǒng)、空氣加溫器/換熱器、燃料供給系統(tǒng)、試驗(yàn)段、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量及數(shù)據(jù)采集設(shè)備等構(gòu)成，其原理圖如圖1所示。

1-直接加溫器；2-標(biāo)準(zhǔn)流量測量裝置；3-進(jìn)氣總管；4-電動(dòng)閥門；5-試驗(yàn)段；6-出口測量段；7-調(diào)壓電動(dòng)閥門；8-回?zé)崞鳎?-排氣消音塔

圖1 主燃燒室試驗(yàn)設(shè)備原理圖

試驗(yàn)臺(tái)采用加溫器直接加溫和換熱器換熱間接加溫相結(jié)合的方式將來流空氣加熱到試驗(yàn)要求的溫度。燃燒室進(jìn)口空氣參數(shù)由進(jìn)口測量段后部同一截面上沿周向設(shè)置的總壓耙和溫度受感部測量獲得。在進(jìn)行燃燒室燃燒效率和出口溫度分布試驗(yàn)時(shí)，燃燒室出口燃?xì)鉁囟扔砂惭b在后測量段擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的溫度受感部測量。在溫度受感部上沿徑向等環(huán)面布置了5個(gè)測量點(diǎn)，試驗(yàn)中通過受感部轉(zhuǎn)動(dòng)得到整個(gè)燃燒室出口的溫度分布情況。進(jìn)行燃燒室高空點(diǎn)火和慢車貧油熄火試驗(yàn)時(shí)，在火焰筒頭部所對應(yīng)的燃燒室出口位置安裝測溫電偶，通過測量燃燒室出口的溫升來實(shí)現(xiàn)燃燒室點(diǎn)火、熄火試驗(yàn)判定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 放大型噴嘴對燃燒室出口溫度分布的影響

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)下，進(jìn)行了放大型噴嘴流量放大比例對燃燒室出口溫度分布影響試驗(yàn)。圖2為慢車狀態(tài)下燃燒室出口溫度分布云圖。由圖可知，由于使用放大型噴嘴造成在燃燒室出口存在兩個(gè)相對集中的高溫區(qū),這兩個(gè)高溫區(qū)的存在極大地影響了燃燒室出口溫度場的品質(zhì)。慢車狀態(tài)下，放大型噴嘴的燃油流量相對于標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴的流量大很多，在放大型噴嘴后形成了相對富油區(qū)域，對應(yīng)位置的燃燒室出口溫度也高很多,因此，降低放大型噴嘴的流量放大比例能有效地改善燃燒室出口溫度分布。

圖2 燃燒室出口溫度分布云圖

圖3為燃燒室出口溫度分布系數(shù)(OTDF)隨放大型噴嘴流量放大比例變化曲線。由圖可知，燃燒室出口溫度分布系數(shù)隨放大型噴嘴流量放大比例的增大而增大。這是由于隨著放大型噴嘴流量放大比例的增加，放大型噴嘴的燃油流量逐漸增大，在放大型噴嘴對應(yīng)位置形成的相對富油程度逐漸增加，燃燒室出口的局部高溫區(qū)更為突出。

圖3 放大型噴嘴對OTDF的影響

圖4為燃燒室徑向出口溫度分布系數(shù)(RTDF)隨放大型噴嘴流量放大比例變化的曲線。放大型噴嘴流量放大比例對燃燒室徑向出口溫度分布系數(shù)的影響不大，保持在0.06到0.08之間。

圖4 放大型噴嘴對RTDF的影響

綜上所述，在慢車狀態(tài)附近時(shí)，燃燒室的出口溫度分布較差，主要由于使用了放大型噴嘴。因此，在滿足燃燒室高空點(diǎn)火特性和燃燒穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡量減小放大型噴嘴的流量放大比例，以改善燃燒室出口溫度場的品質(zhì)。

3.2 放大型噴嘴對高空點(diǎn)火特性的影響

在燃燒室進(jìn)口空氣壓力為50 kPa 、進(jìn)口空氣溫度為-20 ℃的條件下，進(jìn)行了放大型噴嘴流量放大比例對高空點(diǎn)火特性影響的試驗(yàn)研究。高空點(diǎn)火余氣系數(shù)隨燃燒室進(jìn)口速度V及放大型噴嘴流量放大比例的變化規(guī)律如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在放大型噴嘴流量放大比例不同的情況下，高空點(diǎn)火余氣系數(shù)相差不大，放大型噴嘴流量放大比例對高空點(diǎn)火特性的影響很小。在不補(bǔ)氧條件下，高空點(diǎn)火的最大可點(diǎn)燃速度在70 m/s～80 m/s之間，當(dāng)燃燒室進(jìn)口速度高于這個(gè)速度時(shí)，燃燒室將不能在高空被再次點(diǎn)燃。而在補(bǔ)氧條件下，燃燒室進(jìn)口速度超過80m/s后燃燒室仍然可以輕松點(diǎn)燃，由此可見，補(bǔ)氧能夠在很大程度上提高燃燒室的高空點(diǎn)火特性。

圖5 補(bǔ)氧時(shí)放大型噴嘴對高空點(diǎn)火特性的影響

圖6 不補(bǔ)氧時(shí)放大型噴嘴對高空點(diǎn)火特性的影響

3.3 放大型噴嘴對慢車貧油熄火特性的影響

慢車狀態(tài)下，進(jìn)行了放大型噴嘴流量放大比例對燃燒室慢車貧油熄火特性影響的試驗(yàn)研究。圖7為慢車貧油熄火油氣比隨放大型噴嘴流量放大比例變化的曲線。從圖可知，燃燒室的慢車貧油熄火油氣比隨放大型噴嘴流量放大比例的增加而減小。這是由于在相同工況下，隨著放大型噴嘴流量放大比例的增加，放大型噴嘴的燃油流量增加，放大型噴嘴所在的燃燒室頭部油氣比增大，火焰不宜熄滅，燃燒室的慢車貧油熄火特性增強(qiáng)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,Ⅰ組和Ⅱ組放大型噴嘴流量放大比例方案的慢車貧油熄火油氣比分別為0.047 8和0.050 4，這兩組放大型噴嘴的平均流量放大比例分別為38.39%和38.30%，平均流量放大比例幾乎一樣，兩組放大型噴嘴的最大流量放大比例分別為48.32%和43.30%。慢車貧油熄火試驗(yàn)要求在保證燃燒室進(jìn)口空氣狀態(tài)的情況下，逐漸減少燃油流量，直至燃燒室熄火，在熄火前僅幾個(gè)甚至一個(gè)燃燒室頭部保持燃燒即可。試驗(yàn)中最后熄滅的燃燒室頭都安裝有放大型噴嘴，并且是流量放大比例最大的噴嘴。由此可見，一組放大型噴嘴的最大流量放大比例是影響燃燒室慢車貧油熄火特性的關(guān)鍵。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求慢車貧油熄火比為0.005，以保證其穩(wěn)定性滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的操作要求[16]。在試驗(yàn)中放大型噴嘴的最大流量放大比例為43.30%時(shí)，慢車貧油熄火油氣比為0.005 04，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求的邊界附近。由此可見，放大型噴嘴的最大流量放大比例大于43.30%，可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性要求。

圖7 放大型噴嘴對慢車貧油熄火特性的影響

4 小結(jié)

通過以上研究，可得到如下結(jié)論：

(1)放大型噴嘴在很大程度上影響了燃燒室出口溫度場的品質(zhì)；

(2)放大型噴嘴的流量放大比例對燃燒室高空點(diǎn)火性能的影響較小,補(bǔ)氧條件能在很大程度上提高燃燒室的高空點(diǎn)火能力；

(3)放大型噴嘴的流量放大比例對燃燒室慢車貧油熄火特性的影響明顯，隨著放大型噴嘴流量放大比例的增加，慢車貧油熄火特性得到提高；

(4)放大型噴嘴的最大流量放大比例大于43.30%時(shí)，可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的慢車貧油熄火特性要求。

[1]吳大觀.再論科學(xué)預(yù)研對航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要性[J].燃?xì)鉁u輪與試驗(yàn)研究,1998,11(2):1-3.

[2]杜鶴齡.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬[M].北京：北京國防工業(yè)出版社,2002:1-5.

[3]侯小春,季鶴鳴,劉慶國，等.高性能航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:3-20.

[4]Bahr D W.Technology for the design of high temperature rise combustors[R].AIAA-85-1292.

[5]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊:第九冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001:1-5.

[6]金如山.噴氣燃燒室出口溫度分布的幾個(gè)問題[M].北京:北京航空學(xué)院出版社,1977:10-27.

[7]姚四偉,張力先,霍巖.發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件故障的分析與預(yù)防[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2008,26(1)18-20.

[8]姚四偉,張力先,李建軍.某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片燒蝕故障分析與預(yù)防[J].失效分析與預(yù)防,2006,1(4):27-29.

[9]王鴻,岳明,金捷.噴嘴性能惡化對燃燒室性能影響數(shù)值模擬研究[C].沈陽：中國航空學(xué)會(huì)第八屆動(dòng)力年會(huì)論文集,2014:131-138.

[10]金如山.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京:中國宇航出版社,1988:374-379.

[11]Lefebvre A H.Gas turbine combustion[M].Philadelphia:Taylor-Francis Press,1999:9-10.

[12]Sung H,Kim J,Zhang L,et a1.A numerical study of flow dynamics in an annular combustor with multiple swirl injectors[R].AIAA-2010-0583.

[13]趙鵬,劉小克,秦起龍,等.流量放大型噴嘴放大比例對航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2010,36(3)：36-38.

[14]林宏軍,程明,柴昕.關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對燃燒室性能影響的試驗(yàn)研究[C].中國航空學(xué)會(huì)第十六屆燃燒與傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)交流會(huì),2011:205-211.

[15]林宏軍,程明.噴嘴匹配方案及火焰筒開孔對燃燒室性能影響的試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2012,38(5)：12-17.

[16]林宇震,許全宏,劉高恩.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:107-108.

(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉敬鈺)

Effect of flux magnified injector on aero-engine combustion performance

DIAO Yao-peng,CHAI Xin

(The Third Research Department,AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China)

The combustion performance includes the combustor exit temperature profile,the in-flight ignition performance and the idle blowout characteristics.This paper studied the effects of the magnified-scale flow by magnified injectors near the igniter plugs of an aero-engine combustor on combustion performance.The test results showed that the decrease of the magnified-scale flow was associated with better combustor exit temperature profile and lower OTDF,as well as almost nothing to the in-flight ignition performance.The test results also showed that the higher magnified-scale flow led to lower combustor idle blowout characteristics,and the largest magnified-scale flow of the magnified injectors had the most significant effect.

combustor;flux magnified-scale injector;flux magnified-scale;combustion performance

2014-11-09

刁瑤朋(1982-)，男，河北石家莊人，工程師,主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能，E-mail:108638231@qq.com。

2095-1248(2015)02-0038-05

V235

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.008