發動機環形燃燒室點火過程可視化實驗研究

王慧，鐘亮，王高峰

(浙江大學 航空航天學院，杭州 310027)

0 引 言

輔助動力裝置APU是一個小型的燃氣渦輪發動機[1]，具有體積小、重量輕的特點，可改善發動機氣動性能、降低使用費用，能獨立輸出壓縮空氣或者供電，同時也是保證發動機空中停車后再啟動的主要裝備，直接影響飛行安全。

近年來，輔助動力裝置APU的點火問題受到了越來越多的關注，因為其直接影響發動機工作的可靠性和安全性，同時，APU在高壓、高空、低溫等惡劣條件下的正常啟動與再點火能力也一直是航空發動機領域的研究重點[2-3]。另外，隨著對污染物排放要求的不斷提高，貧油預混預蒸發等技術手段的逐漸應用，使得其燃燒室點火過程面臨更嚴苛的挑戰。根據燃燒室點火和火焰周向傳播規律，點火過程分為三個階段[4]：①初始火核形成；②火核擴張發展形成單個穩定的旋流火焰；③火焰面周向傳播，點燃全部噴嘴。周向點火聯焰受到點火模式、點火能量、當量比、流速、噴嘴間距、油氣分布、壓力和溫度等諸多因素影響，其物理機制和控制規律十分復雜。因此，深入研究環形燃燒室中的復雜點火過程具有重要指導意義。

使用全尺度工業級燃燒室進行點火實驗研究，會面臨測量困難和代價高昂問題。因此，發展實驗室尺度的燃燒室模型，在盡可能保留真實燃燒系統流場特性的同時，增加光學診斷窗口，成為研究環形燃燒室點火機理的有效手段[3]。目前，國內外也已經發展了一些較為成熟的環形燃燒室模型，例如，法國EM2C實驗室的研究人員基于MICCA裝置[5-7]，在環形燃燒室中進行點火研究，實驗中觀測到拱形火焰結構，火焰沿著燃燒室兩側傳播方式為周向向前；劍橋大學的E.Machover等[8-9]研究了預混和非預混條件下的火焰傳播過程，發現了火焰在噴嘴之間“鋸齒狀”的傳播方式，而且平均速度越大鋸齒狀傳播模式中向下游傳播就越明顯。國內王高峰等[10-11]基于浙江大學的TurboCombo環形燃燒室與渦輪耦合模型，對比分析了先通燃氣后點火(FFSL)和先點火后通燃氣(SFFL)兩種模式的不同形態特征，發現了噴嘴旋流方向的排列會破壞周向點火過程的對稱性，使得沿順時針和逆時針方向火焰面傳播速度差別較大。

本文著重研究不同構型燃燒室下火焰傳播過程的形態特征，通過搭建環形燃燒室實驗平臺，使用高速相機記錄周向火焰傳播過程，探究直流噴嘴燃燒室、斜流噴嘴燃燒室以及引入導葉后的燃燒室火焰傳播的差異。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

TurboCombo實驗平臺如圖1所示，主要由環形燃燒室及渦輪兩部分組成，其中環形燃燒室壁面由透明石英玻璃壁面構成，滿足了可視化實驗需求。

實驗中丙烷與空氣經混氣管路充分預混后送入配氣室，之后再經旋流噴嘴進入燃燒室腔體，在環形基座上等間距地布置了16個旋流噴嘴，采用6個徑向斜孔形成旋流，旋流數S=0.82。常規豎直噴嘴，敞口環形燃燒室即在TurboCombo實驗平臺中僅保留環形燃燒室部分，同時將內壁支承金屬圓筒也改為透明石英玻璃壁；傾斜噴嘴，敞口環形燃燒室即在此基礎上改變噴嘴入射角度，使噴嘴軸向與燃燒室軸向成45°；帶渦輪導葉環形燃燒室，就是TurboCombo渦輪部分保留渦輪導葉，研究下游渦輪導葉對點火過程的影響。

1.2 實驗方法

整個點火過程由高速相機記錄，幀率為1 000 Hz(相機位置如圖2所示)。針對帶渦輪導葉環形燃燒室，由于內壁支承金屬圓筒的遮擋，需要2臺高速相機才能記錄完整的點火過程，此外為了更好地記錄火焰傳播形態，在相機鏡頭前加裝了帶通為400～680 nm的可見光濾鏡。

圖2 實驗裝置及測量設備布置示意圖Fig.2 Layout of the experimental configuration and diagnostic equipment

實驗中空氣與丙烷流量分別采用七星D07-60B和D07-9E質量流量計控制，可燃混氣在以設定的配比進入燃燒室腔體后由貼近環形基座的點火針點燃，點火針的頻率為100 Hz，平均點火能量約為100 mJ。實驗中的具體操作方式如下：首先將空氣按照預設值通入燃燒室，啟動點火針，之后打開丙烷流量計閥控，在流量計響應時間之后，可燃混氣被點燃，點火過程開始。本文中所有實驗均在常溫常壓下進行，并且針對每個工況都進行了至少3次的重復實驗，確保實驗結果可靠。此外由于燃燒室壁面溫度對點火過程存在較大影響[12]，每次實驗前都將燃燒室壁面預熱至500 K。

2 實驗結果

本文所有點火過程序列圖片均為高速相機拍攝的灰度圖經渲染之后的結果。

2.1 直噴環形燃燒室的點火過程

直噴環形燃燒室的點火過程如圖3所示，白色對應于火焰最大發光強度，而灰色對應于火焰最小發光強度，可以看出：整個點火過程可以分為3個階段：(1)可燃混氣遇到足夠能量的火花，產生初始火核；(2)初始火核不斷擴張發展，并在點火針臨近的噴嘴處形成單個穩定的旋流火焰；(3)單個旋流火焰分為兩支，沿著兩個方向逐次點燃全部噴嘴，最終達到穩定工作狀態，實驗中將初始火核生成時刻定義為周向點火起點，將兩側火焰面融合時刻定義為終點。在t=80 ms時，兩側火焰面的融合，但融合位置并非在點火針的正對處，而是在燃燒室左半側，即兩側火焰面的傳播存在著不對稱性，右側火焰面處于領先位置。

圖3 直噴環形燃燒室的點火過程Fig.3 Ignition process of the annular combustor with upright inject

2.2 斜噴型環形燃燒室的點火過程

斜噴型環形燃燒室的點火過程如圖4所示，可以看出：此時火焰的傳播模式與直噴環形燃燒室點火過程不同，由原先的沿兩側雙向傳播轉變為僅沿單側傳播。這是因為改變噴嘴入射方向后，環形燃燒室內形成了一個俯視逆時針的周向速度分量，在這個周向速度分量的作用下，左側火焰面的傳播得到了加強，而右側火焰面的傳播被完全抑制，形成了單向火焰傳播模式。這說明，此時火焰的傳播行為主要是由燃燒室內的流場結構所決定的。

圖4 斜噴型環形燃燒室的點火過程Fig.4 Ignition process of the annular combustor with oblique inject

2.3 帶渦輪導葉環形燃燒室的點火過程

帶渦輪導葉環形燃燒室的點火過程如圖5所示，可以看出：此時火焰傳播形態與直噴環形燃燒室中相似，均沿雙向傳播。但由于出口渦輪導葉的存在，火焰面上沿在沖刷渦輪導葉時傳播方向發生了偏折。

圖5 帶渦輪導葉環形燃燒室的點火過程Fig.5 Ignition process of the annular combustor with turbine vane

3 周向點火時間的結果分析

周向點火時間t可以反映火焰在環形燃燒室中傳播的歷程，t是指從初始火核生成到火焰面融合或點燃所有噴嘴間經歷的時間。本文研究了當量比一定或熱功率一定時，周向點火時間隨工況變化的實驗結果，并以此來分析傾斜噴嘴結構和燃燒室出口渦輪導葉對周向點火時間的具體影響。

直噴環形燃燒室和斜噴型環形燃燒室的周向點火時間變化規律對比圖如圖6所示，可以看出：由于改變噴嘴入射角度帶來的流場結構變化會造成兩者周向點火時間的顯著差異，在斜噴型環形燃燒室中，火焰僅沿單側傳播，所以周向點火時間明顯延長。

(a) 當量比一定(φ=0.80)

(b) 熱功率一定(P=18.6 kW)圖6 噴嘴角度對周向點火時間的影響Fig.6 Influence of nozzle angle on circumferential ignition time

從圖6(a)可以看出：當量比一定時，兩者周向點火時間均隨主流速度Ub增大而縮短，這是由于流速增大，湍流脈動加劇，湍流火焰傳播速度ST加快。但兩者對于流速增大的響應有所不同，斜噴型環形燃燒室的周向點火時間隨流速增大的縮短更為顯著，這是因為隨著主流速度增大，周向速度分量的作用也愈發明顯，它能更好地加速火焰傳播，縮短周向點火時間。

從圖6(b)可以看出：熱功率一定時，周向點火時間隨主流速度增大或當量比減小而縮短。一方面，主流速度的增大會加快湍流火焰傳播；另一方面，隨著當量比的減小，在貧燃范圍內，燃后氣體溫度Tb以及層流火焰傳播速度SL均會下降，兩者都會使火焰傳播減慢。因此根據實驗結果可以推測，相較于燃后氣體溫度及層流火焰傳播速度，流動對火焰傳播速度有重要影響，特別是對于斜噴型環形燃燒室，當主流速度足夠大時，燃燒室內的周向速度分量就決定了火焰的周向傳播速度。

燃燒室出口帶有渦輪導葉和不帶渦輪導葉的周向點火時間變化規律對比圖如圖7所示，可以看出：兩者隨各參數的變化規律相同，但在燃燒室出口渦輪導葉的影響下，整體周向點火時間縮短，在圖7所示的工況范圍內，周向點火時間縮短了約15%，這是因為在出口渦輪導葉的影響下，點火過程中的非定常流場結構發生了改變。

(a) 當量比一定(φ=0.80)

(b) 熱功率一定(P=15.5 kW)圖7 渦輪導葉對周向點火時間的影響Fig.7 Influence of turbine vane on circumferential ignition time

4 結 論

(1) 在直噴豎直噴嘴的敞口環形燃燒室內，初始火核發展為旋流火焰后向兩側傳播，之后兩側火焰持續點燃所有噴嘴直至融合。

(2) 在傾斜噴嘴的敞口環形燃燒室內，火焰轉變為僅沿單向傳播，這是由于改變噴嘴入射角度而引入的周向速度分量造成的。

(3) 在帶渦輪導葉環形燃燒室內，火焰傳播形態與常規豎直噴嘴燃燒室相似，仍沿雙向傳播，但火焰面上沿在渦輪導葉作用下發生偏折。

(4) 改變噴嘴角度后，由于火焰僅沿單側傳播，周向點火時間明顯延長并且更易受流動影響；而在渦輪導葉的影響下，雖然火焰傳播形態相似，但周向點火時間有所縮短，這是由于點火過程中的非定常流場結構變化造成的。

(5) 在大光學窗口的透明環形燃燒室模型下，利用高速可視化方法開展周向點火機理研究的方法是有效性的。