環形燃燒室模型試驗件冷態流場測量調試試驗研究

劉 濤，劉 沖，盧克乾，楊 敏，黃 菁

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.株洲易力達機電有限公司，湖南株洲 412002)

1 引言

燃燒室的設計好壞直接影響航空發動機的工作性能，設計出一種燃燒效率高、流阻低、燃燒穩定、溫度分布合理及壽命長的高性能燃燒室，是航空發動機研制的一項十分的重要任務[1]。而正確認識燃燒室內部氣流結構，特別是火焰筒內部速度場的分布與變化規律，對其內部氣流壓力分布、燃油霧化與摻混、頭部燃燒組織、出口溫度分布及燃燒性能等方面的改善有著很強的指導作用，同時也是研究航空發動機燃燒室設計技術的基礎。

由于燃燒室結構復雜和內部空間狹小，使得其內部流場的測量極其困難。人們最初主要依靠熱線風速儀和皮托管[2]等接觸式測量方法進行測量，對流場有一定干擾且測量精度不高，后來發展的LDV、PDPA[3-5]等激光測量方法實現了非接觸式測量，對流場沒有干擾且測量精度也得到很大提高。然而上述測量方法均為單點測量，對于燃燒室內部流場測量而言還存在著很大的缺陷和不足，無法捕捉強湍流流場結構，且存在較大失真。

隨著計算機技術、激光技術及圖像處理技術的快速發展，PIV技術應運而生，它能夠實現非接觸、瞬態、全流場的測量，并逐漸成為燃燒室內流場測量的主要手段。文獻[6]～[14]采用PIV 對單頭部矩形燃燒室模型試驗件冷態內流場進行了測量，并獲得了有益的流場信息。文獻[15]～[19]運用PIV對單頭部矩形燃燒室模型試驗件冷熱態內流場進行了測量研究，發現兩者結構大致相似。張俊等[20]在高溫高壓條件下，采用PIV 對單頭部矩形燃燒室模型試驗件內流場進行了測量，獲得了接近燃燒室真實工況下的流場特征。雖然以上研究均獲得了大量的有益流場信息，但其均局限于環形燃燒室單頭部矩形模型試驗件的流場測量研究，對于燃燒室頭部燃燒組織和出口溫度分布有著重要影響的多頭部流場測量研究還鮮有報道。Kao 等[21]試驗研究了三頭部和五頭部矩形模型燃燒室流場結構，并考察了中間頭部伸出3.2 mm時流場結構的變化。其研究顯示，頭部數量和排列方式對流場均有顯著影響，這也表明有必要在更加接近真實的燃燒室模型試驗件上開展流場研究。但目前為了進行較好的光路布置并獲得較好的測量效果，燃燒室PIV 流場測量研究均基于矩形結構的試驗模型，無法獲得在真實曲率效應影響下的單個頭部流場細節結構、相鄰頭部之間的相互作用特性及整個環形流場的結構特征，同時也無法消除兩側壁面對流場的不利影響。為此，本文設計了環形燃燒室模型試驗件，采用PIV 對其內部冷態流場進行測量調試，從試驗角度進行探索和嘗試，重點闡述測量調試的過程、遇到的問題及解決措施，以便為相關測量工作的開展提供參考和借鑒。

2 試驗系統與調試方法

2.1 試驗系統

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Sketch of experiment system

試驗系統(圖1)主要由PIV測量系統、試驗件、氣源等組成。其中PIV測量系統由Lavision公司提供，主要由計算機、同步器、激光器、導光臂、激光發射端、CCD相機、圓偏振鏡、濾光鏡、可變視場透鏡、示蹤粒子發生器等組成，其測量精度可達1%。試驗時，將經過過濾、干燥后的壓縮空氣分出一路先進入示蹤粒子發生器，攜帶示蹤粒子后與主氣流混合再進入試驗件。本次試驗采用橄欖油作為示蹤粒子，霧化后粒徑2～5 μm。

本文設計的環形燃燒室模型試驗件由主氣流進氣段、示蹤粒子進氣段、整流段、穩壓段、可旋轉裝置、渦流器、環形火焰筒等組成(圖2)。其中，渦流器為雙級旋流器，一級為斜切式，二級為徑向式。環形火焰筒由兩個透明且同軸圓環狀的內環和外環有機玻璃組成，火焰筒在z軸方向長度為100 mm，其內環和外環所形成的腔高與某型燃燒室火焰筒頭部腔高一致。為便于光路暢通和激光及時透射出試驗件，火焰筒采用了透光材質并鍍有增透膜。本次調試環形試驗件共有18 個頭部?？紤]到主燃孔和摻混孔等孔的存在會對測量光路造成散射和折射等不利影響，因此本次研究暫不考慮主燃孔和摻混孔等結構。需要說明的是，由于本次模型燃燒室在結構上進行了一定簡化，使得模型燃燒室流場與實際燃燒室流場可能存在一定差異，但至少可以保證靠近頭部的流場一致，并通過測得的流場驗證和優化頭部設計及檢驗渦流器設計和加工一致性等。

圖2 試驗件示意圖Fig.2 Structure of experiment segment

考慮到試驗時背景光較強，在CCD相機鏡頭前加裝了一枚532±5 nm的濾光鏡。調試時，由于相機視場變化范圍較大(從火焰筒腔高變化到火焰筒外徑)，在CCD 相機前加裝了一個可變視場透鏡。此外，為便于調試，試驗件設計成了可旋轉形式。

2.2 調試方法

為在自模區工況下進行調試，首先對環形燃燒室中某一單個頭部縱截面(過渦流器中心的xOz截面)流場在不同氣壓點條件下進行測量。結果表明，在進出口壓差為500 Pa時流動就已進入自模區，但考慮到在較大氣壓點條件下試驗需要較大的示蹤粒子量，因此選取壓降1 000 Pa 作為調試工況。試驗所用相機的分辨率為2 048 pix×2 048 pix，每一次測量相機均采集300 幀。激光器采用Nd:YAG 雙脈沖激光器，單脈沖能量最大為120 mJ。為保證測量的準確性，調試時的跨幀時間及查問域大小設置根據被測對象視場大小及速度范圍進行調整，以確保每個查問域內的示蹤粒子位移量為查問邊長的1/4左右，且每個查問域內示蹤粒子數量在6～8個。具體測量方案見表1。依據實際情況，且為減少調試工作量，調試時按照單個頭部、兩個頭部、環形頭部、半環頭部、六個頭部順序進行調試。

表1 測量方案Table 1 Measurement scheme

3 調試結果與分析

3.1 單個頭部流場測量

圖3 環形燃燒室中單個頭部流場測量結果Fig.3 Test results of single head with/withou a polarizer in annular combustor

對環形燃燒室中單個頭部縱截面流場進行測量時發現，激光照射在渦流器出口表面會形成強烈的反射光，照亮了測量截面以外的流場區域，導致相機無法較好地識別測量截面中的示蹤粒子。為此，調試時在鏡頭前加裝了圓偏振鏡。圖3示出了加裝圓偏振鏡前后所獲得的環形燃燒室中單個頭部流場測量結果。圖中，橫、縱坐標分別表示在試驗件z軸和x軸方向上的測量區域(下文類似)。從圖中可以看出，未加裝圓偏振鏡時，靠近頭部的流場沒有獲得較好測量，存在較大干擾信號。加裝圓偏振鏡后，渦流器出口表面的反射光被很好地削弱，靠近頭部的流場得到了較好測量，干擾信號明顯降低，且在頭部上下兩個拐角處能清晰看到有角渦存在。測量得以明顯改善的原因在于，激光在壁面產生的反射光為偏振光，而示蹤粒子散射光為非偏振米散射光，試驗時可通過旋轉圓偏振鏡使壁面反射光降低到最小程度，而此時示蹤粒子散射光仍然相對較強，能夠很好地滿足試驗需求。另外，在相機所處視角處，火焰筒弧形壁面會對其產生一定的柱面透鏡效應，使待測截面局部出現離焦現象，試驗時可通過適當減小光圈實現較好的聚焦，此做法可能會使測量精度略有降低，但對于整體流場結構而言在可接受范圍內。

圖3(b)流場測量結果展示了旋流燃燒室頭部流場典型結構特征，上下兩側為較強的兩股射流，在渦流器出口形成了較大的回流區，并伴有上下兩個角渦。由此可看出，對環形燃燒室中單個頭部縱截面流場進行測量，可以獲得單個頭部流場細節結構。

3.2 兩個頭部流場測量

為獲得環形燃燒室中兩個相鄰頭部縱截面(平行于xOz截面)流場之間的相互作用特性，使片狀激光平面同時過兩個頭部中心(渦流器中心)，調節可變視場透鏡焦距使視場大小為兩個頭部區域。經過標定，兩個頭部測量結果如圖4所示。可以看出，兩個頭部具有相似的流場結構，在相鄰射流主體處，兩者相互交匯并融為一體向下游流動，在渦流器出口處均形成了較大的回流區。通過旋轉試驗件，可以獲得環形燃燒室所有縱截面流場的相互作用情況。圖5為距渦流器出口15 mm處z軸方向速度沿火焰筒周向的分布，從圖中可清晰看出各個頭部縱截面速度分布的差異和相互作用特性，可為燃燒室聯焰、頭部燃燒組織的優化和改進及渦流器一致性檢驗提供有益的指導信息。

圖4 環形燃燒室中過兩個渦流器中心的縱截面(xOz)流場測量結果Fig.4 Test results of flow field for two heads in xOz plane cross the center of two swirlers in annular combustor

圖5 環形燃燒室中距渦流器出口15 mm處z軸方向速度沿火焰筒周向的分布Fig.5 Velocity distribution of z-component along the circumference of liner at 15 mm distance from the swirler exit in annular combustor

3.3 橫截面流場測量

為了解橫截面流場信息，將激光發射端和相機在原有布局的基礎上水平旋轉90°，使片狀激光平行于xOy截面并距渦流器出口15 mm 處橫切所有頭部流場，此時相機仍然垂直于片狀激光面布置。調節可變視場透鏡焦距，使視場大小適于環形燃燒室所有頭部流場區域。此時光路布置為片狀激光垂直穿過火焰筒弧形壁面，而相機采集的光線傳輸時未穿過任何壁面，因此成像時不會產生光學畸變。經過標定，測量結果如圖6所示。從圖中可看出，環形燃燒室橫截面流場(尤其是左半環)沒有得到較好的測量。這是由于激光發射端在環形燃燒室右側，當激光從右側傳輸到左半環頭部時要穿過3 層壁面，導致激光能量嚴重衰減。另外，對于PIV 測量，片狀激光厚度(光腰厚度)為1 mm左右較為合適，但由于左右兩側的待測區域水平距離較大(404 mm)，使激光光腰厚度在如此大的水平距離上保持1 mm非常困難。此外，由于相機像素沒有增加，而視場相比單個頭部增加了16 倍，導致測量分辨率大大降低。

圖6 距渦流器出口15 mm處環形頭部橫截面流場測量結果Fig.6 Test results of flow field for annular combustor at 15 mm distance from the swirler exit

調整試驗件與相機的相對位置，調節可變視場透鏡焦距使環形燃燒室右半環頭部流場處于相機視場中，測量半環橫截面流場，結果如圖7所示。相比環形流場測量，半環流場測量不存在激光衰減和光腰變厚等問題，但是由于上下兩部分流場被試驗件遮擋，使相應位置處示蹤粒子的相關性變差，也沒能得到較好的測量，測量分辨率仍然相對較低。

圖7 距渦流器出口15 mm處半環形頭部橫截面流場測量結果Fig.7 Test results of flow field for half annular at 15 mm distance from the swirler exit in annular combustor

為提高測量分辨率而又盡可能多地測量橫截面頭部流場，決定對六個頭部橫截面流場進行測量。經過調整視場、對焦、標定，獲得的測量結果如圖8所示?？梢钥闯?，由于不存在上述影響測量的問題，六頭部橫截面流場測量獲得了較好的測量效果，較好地測量出了每個頭部橫截面的旋轉射流。此外，通過旋轉試驗件，可以獲得環形燃燒室整個橫截面的流場結果，如圖9所示。從圖中可以看出，在真實曲率效應影響下的相鄰兩個頭部之間的相互作用特性及整個環形流場的結構特征，可為燃燒室頭部燃燒組織和出口溫度分布優化及調控提供重要指導信息。

圖8 距渦流器出口15 mm處六個頭部橫截面場測量結果Fig.8 Test results of flow field for six heads at 15 mm distance from the swirler exit in annular combustor

圖9 通過旋轉試驗件獲得的距渦流器出口15 mm處環形頭部橫截面流場測量結果Fig.9 Flow field of annular combustor at 15 mm distance from the swirler exit aquired through rotating the experiment segment

4 結論

運用PIV，對設計的環形燃燒室模型試驗件的冷態流場進行了測量調試，主要得到以下結論：

(1)環形燃燒室模型試驗件火焰筒采用透光材質設計并配合增透處理，能夠很好地將激光及時透射出試驗件，有利于流場測量。

(2)PIV 測量系統中，在CCD 相機鏡頭前加裝圓偏振鏡能夠很好地削弱試驗件表面強烈的反射光，而加裝可變視場透鏡能夠很好地滿足不同頭部流場測量時視場變化的需求。

(3)環形燃燒室中單個頭部和兩個頭部的縱截面流場以及六個頭部橫截面流場均獲得了較好的測量，而環形燃燒室橫截面流場因激光衰減、光腰厚度增加、測量分辨率降低等因素，半環形流場因上下兩個區域示蹤粒子的相關性較差，都沒能得到較好的測量。通過旋轉試驗件的方式可實現環形燃燒室橫截面流場測量，較好地測得真實曲率效應影響下相鄰頭部流場之間的相互作用特性和整個環形流場的結構特征。