流量放大噴嘴放大比例對航空發動機燃燒性能的影響

趙鵬，劉小克，秦起龍，韓勇勇

(沈陽發動機設計研究所，沈陽110015)

1 引言

某型發動機燃燒室安裝的噴嘴分為標準型和放大型2種，其中的放大型噴嘴可以保證燃燒室有較好的點火與熄火性能。為提供解決燃燒室在起動過程中出現的出口溫度分布過度惡化問題的初始方案，本文對比研究了主燃燒室點火電嘴附近的副油路流量放大噴嘴的流量放大比例，對燃燒室慢車熄火特性和出口溫度場分布特性的影響。

2 試驗件和試驗設備

2.1 試驗件

原型流量放大噴嘴的流量比標準型噴嘴的放大96.83%。為了進行對比研究，加工了3組節流嘴，流通內徑分別為0.6、0.8、1.0 mm。安裝節流嘴后的噴嘴相對于標準型噴嘴的放大比例分別為：A組－22.46%；B組－45.45%；C組－79.27%。

2.2 試驗設備

2.2.1 試驗器

該試驗在全環形燃燒室試驗器上進行，其空氣系統原理如圖1所示。

全環燃燒室試驗器由進氣、排氣、冷卻氣、燃料、冷卻水、測量、電氣、控制等系統組成。根據模化準則，燃燒室進口溫度高于空壓機來流溫度，要求與發動機真實狀態一致。對此，在試驗時，采用間接加溫和直接加溫相結合的方式來實現。間接加溫是讓燃氣通過回熱器，利用高溫余熱對進氣進行換熱加溫，以達到預熱空氣的目的，其優點是不會改變空氣的成分；直接加溫是采用加溫燃燒室，直接向來流空氣中噴入燃油，使之燃燒，以得到所需的燃燒室進口溫度。

2.2.2 測量裝置

燃燒室進口空氣流量由安裝在進氣系統上的標準噴嘴來測量。通過測量流量噴嘴前的壓力、溫度和噴嘴前后的壓差，利用該流量噴嘴的計算公式，對進口空氣流量進行計算。燃燒室進口參數測量截面布置在進口測量段后部；在壁面上的同一截面，沿周向設置2個總壓測量點和4支溫度測量熱電偶，在每支熱電偶感頭上按等直徑設計有3個測點，所有受感元件的堵塞面積不大于通道面積的5%。燃燒室出口燃氣溫度由安裝在后測量段擺動機構上的溫度受感部來測量。

出口測量段是1個水、氣雙冷高溫自動掃描檢測裝置。在旋轉測量裝置上布置4支溫度受感部，每個電偶沿徑向有5個按等環面布置的測點。旋轉裝置按一停一轉方式旋轉90°，每轉3°測量1次；位置信號由轉角編碼器采集和輸出，到達測量位置時自動采集，則可以得到燃燒室出口600點的溫場數據。

在測量段進口與燃燒室出口頭部相對應的位置安裝單點溫度受感部，測量出口溫升，以滿足慢車熄火試驗要求。

3 試驗結果

3.1 慢車熄火試驗

在給定狀態下，熄火邊界隨進口速度系數及流量放大比例的變化規律分別如圖2、3所示。

從圖2、3中可以看出，在相同進口速度系數下，燃燒室熄火邊界受流量放大噴嘴的放大比例影響：安裝A組節流嘴噴嘴的放大比例最小，燃燒室熄火邊界最窄；安裝C組節流嘴的噴嘴放大比例最大，燃燒室熄火邊界最寬；安裝B組節流嘴噴嘴的燃燒室熄火邊界在A組與C組熄火邊界之間。

與未加節流嘴的原型噴嘴的燃燒室貧油熄火余氣系數相比，安裝A組節流嘴噴嘴的減小28%～35%，安裝B組節流嘴噴嘴的減小11%～20%，安裝C組節流嘴噴嘴的減小4%～15%。可見，安裝節流嘴的燃燒室貧油熄火邊界小于原型噴嘴的，并隨流量放大型噴嘴的放大比例增大而變寬。

3.2 出口溫度場分布

在指定試驗狀態下，進行燃燒室出口溫度分布系數以及出口徑向溫度分布系數驗證。試驗結果如圖4、5所示。

圖4為不同流量放大噴嘴的燃燒室出口溫度分布系數OTDF隨放大比δ的變化曲線。從圖4中可見，出口溫場的均勻性受到流量放大噴嘴的放大比例δ的影響。當N2r＝30%時，在0.498-1.083范圍內變化，增幅為117%左右；當N2r＝50%時，在0.484～0.746范圍內變化，增幅為54%左右；當N2r＝72%（慢車狀態）時，在0.411～0.573范圍內變化，增幅為39%左右。此時，隨流量放大噴嘴的放大比例δ的減小而減小，出口溫場的均勻性較好；在相同放大比例下，隨N2r的增大而減小，出口溫場的均勻性較好。

圖5為RTDF隨放大比δ變化的曲線。從圖5中可見，在所模擬的發動機不同工作狀態下，即N2r＝30%、50%、72%（慢車狀態）時，安裝節流嘴噴嘴的燃燒室隨流量放大噴嘴的放大比例δ的減小呈微弱增大的趨勢，RTDF在0.072～0.082范圍內變化；未安裝節流嘴噴嘴的燃燒室RTDF受N2r的影響較大，在0.056～0.111范圍內變化。

這是因為與安裝原型噴嘴的燃燒室相比，安裝節流嘴噴嘴的燃燒室由于流量放大噴嘴出口面積變小，若滿足模擬試驗的燃油流量與原型燃燒室的一致的要求，則必須增大燃油供油壓力；供油壓力的增大使標準噴嘴的霧化性能得到了提高，出口溫度場的均勻性得到了增強。出口溫場的均勻性受到流量放大噴嘴的放大比例δ的影響，燃燒室OTDF隨流量放大噴嘴的δ的減小而減小，即出口溫場的均勻性隨流量放大噴嘴δ的減小而增強。

圖6～9分別為在燃油總管的流量放大噴嘴有4種放大比例的情況下，在N2r＝30%狀態時，燃燒室的出口溫度分布情況。從圖中可以明顯看出，高溫區全部出現在4個流量放大噴嘴區域，出口溫度分布的均勻性幾乎完全取決于該區域的溫度分布；隨著放大比例的減小，燃燒室出口最高溫度明顯減小，由1386℃減小至1118℃，OTDF隨之減小，即出口溫度場的品質得到了增強。

4 結論

綜上所述，放大型噴嘴的流量放大比例對燃燒室慢車熄火邊界和出口溫度場均勻性影響很大。（1）安裝節流嘴噴嘴的燃燒室慢車熄火邊界小于原型噴嘴的，并隨流量放大型噴嘴的流量放大比例的增大而變寬。（2）安裝節流嘴噴嘴的燃燒室出口溫度場均勻性比原型噴嘴的略好，燃燒室出口溫度分布系數隨流量放大噴嘴放大比例的減小而減小；燃燒室出口徑向溫度分布系數隨流量放大噴嘴放大比例的減小，呈微弱增大的趨勢。

[1] 金如山．航空燃氣輪機燃燒室[M]．北京：宇航出版社，1988．

[2] 侯曉春，季鶴鳴，等．高性能航空燃氣輪機燃燒技術[M]．北京：國防工業出版社，2002.