不同頭部間距下三頭部燃燒室點火過程研究

馮劍寒

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，對航空發(fā)動機也提出了越來越高的要求，而航空發(fā)動機燃燒室作為航空發(fā)動機的三大核心部件之一，其性能直接影響到整個發(fā)動機的性能。其中點火啟動過程關系到飛行器的地面起飛與高空再點火性能，是燃燒室技術的關鍵一環(huán)[1]。影響點火性能的因素錯綜復雜，包括氣動熱力參數(shù)、點火器性能參數(shù)、點火位置等，因此研究航空發(fā)動機點火中火焰?zhèn)鞑サ倪^程，探究不同因素對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響，能夠為改善航空發(fā)動機點火性能設計提供參考[2]。

先進航空發(fā)動機多采用環(huán)形燃燒室結(jié)構，單頭部燃燒室往往缺失了多個頭部火焰干涉狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鱗3]，而不能對燃燒室的周向點火時間進行正確評估，但直接對環(huán)形燃燒室進行試驗研究造成測量困難及費用高昂等問題[3]。所以對多頭部燃燒進行研究十分必要，國內(nèi)外進行了一些研究，CORDIER M等[4-5]對多頭部矩形燃燒室模型進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴間距的變化，相鄰噴嘴間將出現(xiàn)“展向傳播”和“混合傳播”兩種火焰?zhèn)鞑ツＪ健Ｄ壳皩Χ囝^部和環(huán)形燃燒室點火過程的研究，多采用實驗室尺度模型，而實際燃燒室加入主燃孔、摻混孔等結(jié)構后，流動特性及火焰?zhèn)鞑ミ^程也更加復雜。眾多研究表明，頭部間距與燃燒室周向火焰?zhèn)鞑C理有著密不可分的關系，但對其定量關系的研究依然十分缺乏。因此使用先進激光技術對燃燒室流場結(jié)構進行測量，結(jié)合流場對不同頭部間距下的點火過程進行分析具有重要的意義。

本文針對三頭部燃燒室，使用二維粒子圖像測速儀(PIV)測量了燃燒室冷態(tài)時均流場，使用高速攝像機拍攝了燃燒室不同頭部間距下的點火過程，將冷態(tài)時均流場與點火過程相結(jié)合分析，對三頭部燃燒室的周向點火過程、流動與點火過程中火焰發(fā)展的關聯(lián)及頭部間距對周向點火過程的影響進行了試驗研究。

1 試驗系統(tǒng)及方法

圖1(a)為燃燒室的整體試驗系統(tǒng)圖。燃燒室的試驗系統(tǒng)主要包括：燃燒室、供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)及光學測量系統(tǒng)。通過五路支管分別對燃燒室進行供氣，以實現(xiàn)流量的精準控制。試驗采用RP-3液態(tài)航空煤油作為燃料，高能點火器進行點火，火花塞布置在左側(cè)旋流器位置，其中心距離旋流器出口7.5 mm，放電端面距離燃燒室上壁面2 mm處。為了實現(xiàn)燃燒室軸向平面和周向平面的光學測量，在燃燒室的左側(cè)以及后側(cè)分別設有觀察窗，燃燒室出口設置在模型的側(cè)面。采用PIV來測量流場結(jié)構，使用高速相機來記錄點火過程，通過相機對焦至特定截面位置來記錄點火過程。試驗研究的三頭部燃燒室矩形件剖面圖如圖1(b)所示。燃燒室采用噴霧錐角為78°的氣動霧化噴嘴，安裝在旋流器中心位置。在燃燒室主體結(jié)構上，布置了主燃孔和摻混孔，與旋流器的比例分別為1∶1和1∶3。

圖1 試驗系統(tǒng)及三頭部燃燒室結(jié)構圖

圖2為頭部安裝板的結(jié)構示意圖，通過更換頭部安裝板實現(xiàn)頭部間距變化。3種頭部間距分別為60 mm、54 mm和72 mm，分別對應模型A1、模型A2和模型A3。

圖2 頭部安裝板結(jié)構示意圖

2 結(jié)果與討論

圖3為模型A1周向點火過程示意圖。壓損為1.5%，點火油氣比為0.05，白色虛線為旋流器中心位置。將點火前冷態(tài)時均流場矢量圖與軸向點火過程中的火焰圖像相疊加，同時給出了周向截面的時均流場圖，以分析燃燒室點火過程中流場對火焰發(fā)展的影響。由于可近似認為點火過程中火焰發(fā)光強度反映燃燒反應的瞬時放熱速率，繪制出點火過程中的發(fā)光強度積分隨時間變化的曲線，通過積分曲線能夠更加準確地判斷點火時間(從初始火焰形成到燃燒室點火成功的時間)。

從圖中可發(fā)現(xiàn)燃燒室點火過程有階段性的變化，大致分為以下5個階段：1)點火熱源形成(1～5 ms)。初始火核能量被未燃混氣及燃油蒸發(fā)所吸收后，發(fā)光強度迅速減小，并在點火器附近形成點火熱源。2)初始火焰形成(5～9 ms)。隨未燃燃氣溫度與燃油蒸發(fā)速率不斷升高，達到化學反應邊界，形成初始火焰，這段時間火焰發(fā)光強度變化不大。3)左側(cè)旋流器點火(9～21 ms)。初始火焰一方面沿徑向傳播，這部分火焰燃燒強度增加，一方面也沿周向向右傳播到兩旋流器之間的部分，火焰基本沒有向旋流器左側(cè)傳播。可以發(fā)現(xiàn)，燃燒強度較低的初始火焰更易順流線方向進行傳遞。待燃燒強度增大后，火焰在兩旋流器間迅速傳播并點燃左側(cè)頭部。4)中間旋流器點火(21～27 ms)。左側(cè)旋流器點火成功后，中間旋流器上側(cè)的火焰向右傳遞到了右側(cè)旋流器中心，同時其下側(cè)也被點燃，這時中間旋流器點火成功。5)右側(cè)旋流器點火(27～37 ms)。

圖3 模型A1周向點火過程

中間旋流器點火成功后，由已經(jīng)傳遞到右側(cè)旋流器中心的火焰在右側(cè)旋流器內(nèi)呈環(huán)狀擴散傳播，燃燒室整體點火成功后，隨下游火焰擴散出燃燒室，亮度積分曲線下降至穩(wěn)定。

圖4、圖5分別為模型A2、模型A3的周向點火過程示意圖。從圖4中可以看出在旋流器間距減小后，兩旋流器間局部回流區(qū)相互影響效應增大，渦系增多，油氣摻混效果增強，且噴嘴間間距減小使得中間區(qū)域局部油氣比增大，初始火焰在兩旋流器之間迅速傳遞，左側(cè)旋流器以及中間旋流器幾乎是同時點火成功，所以模型A2的周向點火時間要小于模型A1。

圖4 模型A2周向點火過程

圖5 模型A3周向點火過程

從圖5中可以看出旋流器間距增大后，兩旋流器間局部回流區(qū)相互影響效應減小，油氣摻混效果減弱，且噴嘴間間距減小使得中間區(qū)域局部油氣比增大，初始火焰很難再向周向傳播，而是在先點燃了左側(cè)旋流器后，在中間旋流器的上側(cè)來回脈動傳遞。這段時間未燃混氣溫度在不斷上升但是發(fā)光強度基本不變，直到中間旋流器點火成功。相較于模型A1、模型A2，模型A3的周向點火時間顯著增加。

根據(jù)葉沉然等[6]提出流動加速系數(shù)的概念，可以計算3種模型的流動加速系數(shù)E，E=L/(ρL/ρb)×SLτ。其中：L為火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x；ρL/ρb為氣體體積膨脹比；SL為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋沪訛橹芟螯c火時間。流動加速系數(shù)用來估計流動因素對周向火焰?zhèn)鞑タ傮w加速的效率。3種模型的周向點火時間及流動加速系數(shù)與頭部間距比的關系如表1所示。結(jié)果顯示隨頭部間距比的增加，燃燒室周向點火時間隨之增大，且頭部間距為72 mm時，周向點火時間顯著增加；隨頭部間距增加，流動加速系數(shù)減小，表示流動因素對火焰?zhèn)鞑サ淖饔脺p小。

表1 周向點火時間及流動加速系數(shù)與頭部間距比的關系

3 結(jié)語

本文針對三頭部燃燒室試驗件，探究了燃燒室的周向點火過程以及流動與點火過程中火焰發(fā)展的關聯(lián)，同時也探究了頭部間距對周向點火過程的影響。得出了以下結(jié)論：

1)燃燒室的周向點火過程具有階段性，在初始火焰發(fā)展階段，火焰首先順著流線方向進行傳遞，待燃燒強度增大到一定值時，火焰才開始向其他區(qū)域延伸。

2)在相同工況下，頭部間距較小時，相鄰旋流器之間的局部回流區(qū)相互影響增大，油氣摻混效果增強。所以隨頭部間距由54 mm增加到72 mm，燃燒室周向點火時間由26 mm增加到57 mm，其中頭部間距為72 mm時，周向點火時間顯著增加。

3)在相同工況下，隨頭部間距由54 mm增加到72 mm，流動加速系數(shù)由2.95 mm減小到1.79 mm，隨頭部間距增加，流動因素對火焰?zhèn)鞑サ淖饔脺p小了。