流量放大噴嘴放大比例對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響

趙鵬，劉小克，秦起龍，韓勇勇

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

1 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室安裝的噴嘴分為標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)火與熄火性能。為提供解決燃燒室在起動(dòng)過程中出現(xiàn)的出口溫度分布過度惡化問題的初始方案，本文對(duì)比研究了主燃燒室點(diǎn)火電嘴附近的副油路流量放大噴嘴的流量放大比例，對(duì)燃燒室慢車熄火特性和出口溫度場(chǎng)分布特性的影響。

2 試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)件

原型流量放大噴嘴的流量比標(biāo)準(zhǔn)型噴嘴的放大96.83%。為了進(jìn)行對(duì)比研究，加工了3組節(jié)流嘴，流通內(nèi)徑分別為0.6、0.8、1.0 mm。安裝節(jié)流嘴后的噴嘴相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)設(shè)備

2.2.1 試驗(yàn)器

該試驗(yàn)在全環(huán)形燃燒室試驗(yàn)器上進(jìn)行，其空氣系統(tǒng)原理如圖1所示。

全環(huán)燃燒室試驗(yàn)器由進(jìn)氣、排氣、冷卻氣、燃料、冷卻水、測(cè)量、電氣、控制等系統(tǒng)組成。根據(jù)?；瘻?zhǔn)則，燃燒室進(jìn)口溫度高于空壓機(jī)來流溫度，要求與發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)狀態(tài)一致。對(duì)此，在試驗(yàn)時(shí)，采用間接加溫和直接加溫相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。間接加溫是讓燃?xì)馔ㄟ^回?zé)崞?，利用高溫余熱?duì)進(jìn)氣進(jìn)行換熱加溫，以達(dá)到預(yù)熱空氣的目的，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)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(jìn)口溫度。

2.2.2 測(cè)量裝置

燃燒室進(jìn)口空氣流量由安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴來測(cè)量。通過測(cè)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(jì)算公式，對(duì)進(jìn)口空氣流量進(jìn)行計(jì)算。燃燒室進(jìn)口參數(shù)測(cè)量截面布置在進(jìn)口測(cè)量段后部；在壁面上的同一截面，沿周向設(shè)置2個(gè)總壓測(cè)量點(diǎn)和4支溫度測(cè)量熱電偶，在每支熱電偶感頭上按等直徑設(shè)計(jì)有3個(gè)測(cè)點(diǎn)，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?xì)鉁囟扔砂惭b在后測(cè)量段擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的溫度受感部來測(cè)量。

出口測(cè)量段是1個(gè)水、氣雙冷高溫自動(dòng)掃描檢測(cè)裝置。在旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置上布置4支溫度受感部，每個(gè)電偶沿徑向有5個(gè)按等環(huán)面布置的測(cè)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)裝置按一停一轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)90°，每轉(zhuǎn)3°測(cè)量1次；位置信號(hào)由轉(zhuǎn)角編碼器采集和輸出，到達(dá)測(cè)量位置時(shí)自動(dòng)采集，則可以得到燃燒室出口600點(diǎn)的溫場(chǎng)數(shù)據(jù)。

在測(cè)量段進(jìn)口與燃燒室出口頭部相對(duì)應(yīng)的位置安裝單點(diǎn)溫度受感部，測(cè)量出口溫升，以滿足慢車熄火試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 慢車熄火試驗(yàn)

在給定狀態(tài)下，熄火邊界隨進(jìn)口速度系數(shù)及流量放大比例的變化規(guī)律分別如圖2、3所示。

從圖2、3中可以看出，在相同進(jìn)口速度系數(shù)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)流嘴的原型噴嘴的燃燒室貧油熄火余氣系數(shù)相比，安裝A組節(jié)流嘴噴嘴的減小28%～35%，安裝B組節(jié)流嘴噴嘴的減小11%～20%，安裝C組節(jié)流嘴噴嘴的減小4%～15%?？梢?，安裝節(jié)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(chǎng)分布

在指定試驗(yàn)狀態(tài)下，進(jìn)行燃燒室出口溫度分布系數(shù)以及出口徑向溫度分布系數(shù)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)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(shù)OTDF隨放大比δ的變化曲線。從圖4中可見，出口溫場(chǎng)的均勻性受到流量放大噴嘴的放大比例δ的影響。當(dāng)N2r＝30%時(shí)，在0.498-1.083范圍內(nèi)變化，增幅為117%左右；當(dāng)N2r＝50%時(shí)，在0.484～0.746范圍內(nèi)變化，增幅為54%左右；當(dāng)N2r＝72%（慢車狀態(tài)）時(shí)，在0.411～0.573范圍內(nèi)變化，增幅為39%左右。此時(shí)，隨流量放大噴嘴的放大比例δ的減小而減小，出口溫場(chǎng)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(chǎng)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(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)下，即N2r＝30%、50%、72%（慢車狀態(tài)）時(shí)，安裝節(jié)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(shì)，RTDF在0.072～0.082范圍內(nèi)變化；未安裝節(jié)流嘴噴嘴的燃燒室RTDF受N2r的影響較大，在0.056～0.111范圍內(nèi)變化。

這是因?yàn)榕c安裝原型噴嘴的燃燒室相比，安裝節(jié)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)噴嘴的霧化性能得到了提高，出口溫度場(chǎng)的均勻性得到了增強(qiáng)。出口溫場(chǎng)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(chǎng)的均勻性隨流量放大噴嘴δ的減小而增強(qiáng)。

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(tài)時(shí)，燃燒室的出口溫度分布情況。從圖中可以明顯看出，高溫區(qū)全部出現(xiàn)在4個(gè)流量放大噴嘴區(qū)域，出口溫度分布的均勻性幾乎完全取決于該區(qū)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(chǎng)的品質(zhì)得到了增強(qiáng)。

4 結(jié)論

綜上所述，放大型噴嘴的流量放大比例對(duì)燃燒室慢車熄火邊界和出口溫度場(chǎng)均勻性影響很大。（1）安裝節(jié)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(jié)流嘴噴嘴的燃燒室出口溫度場(chǎng)均勻性比原型噴嘴的略好，燃燒室出口溫度分布系數(shù)隨流量放大噴嘴放大比例的減小而減??；燃燒室出口徑向溫度分布系數(shù)隨流量放大噴嘴放大比例的減小，呈微弱增大的趨勢(shì)。

[1] 金如山．航空燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2002.