噴嘴匹配方案及火焰筒開(kāi)孔對(duì)燃燒室性能影響的試驗(yàn)研究

林宏軍，程 明

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

噴嘴匹配方案及火焰筒開(kāi)孔對(duì)燃燒室性能影響的試驗(yàn)研究

林宏軍，程 明

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室扇形試驗(yàn)，針對(duì)點(diǎn)火噴嘴特性以及火焰筒大孔射流的改變對(duì)主燃燒室性能的改善情況進(jìn)行了研究。試驗(yàn)中進(jìn)行了點(diǎn)火用噴嘴匹配方案對(duì)燃燒室熄火性能，以及火焰筒大孔面積變化對(duì)燃燒室貧油熄火、燃燒效率和出口溫度場(chǎng)性能影響的研究。研究結(jié)果表明：在供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用放大型點(diǎn)火噴嘴可改善主燃燒室貧油熄火性能；增大火焰筒主燃孔的面積可提高燃燒室的燃燒效率，改善出口溫度場(chǎng)分布，而貧油熄火特性將變差；增大摻混孔的面積可提高燃燒室的燃燒效率，改善出口溫度場(chǎng)分布，拓寬燃燒室的熄火邊界。

燃燒室；性能；扇形試驗(yàn)；點(diǎn)火噴嘴；火焰筒；主燃孔；摻混孔；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)追求超低污染排放，而軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)則向著高溫升的方向發(fā)展[1]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的提升對(duì)主燃燒室設(shè)計(jì)提出了更高要求。現(xiàn)代高溫升主燃燒室的設(shè)計(jì)，要求在提高溫升的同時(shí)，確保主燃燒室具有寬廣的穩(wěn)定工作范圍和較小的出口溫度分布系數(shù)，以及在冷卻氣量分配減少和冷卻氣品質(zhì)下降的條件下，保持甚至提高火焰筒的耐久性[1-2]。在主燃燒室設(shè)計(jì)中，通常認(rèn)為燃燒室的工作特性除了與燃料特性和噴霧/摻混程度有關(guān)外，在很大程度上將取決于燃燒室內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程的組織[3]。因此，采取改善燃燒室噴油霧化效果或改變?nèi)紵齾^(qū)氣動(dòng)組織結(jié)構(gòu)的方式，將有利于提升主燃燒室的性能。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已針對(duì)主燃燒室內(nèi)燃油噴射摻混[4]、大孔射流與主燃區(qū)/摻混區(qū)中主流空氣的混合過(guò)程[5-6,10]，以及大孔射流對(duì)燃燒室性能（主要是污染排放）的影響[7-8]開(kāi)展了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。研究表明燃油噴射/摻混效果的增強(qiáng)將改善主燃燒室的出口溫度場(chǎng)分布[4,11]，而火焰筒的大孔射流對(duì)提供燃料和空氣的均勻混合，增強(qiáng)燃燒效率和降低污染排放具有一定的作用[9]。但是相關(guān)研究主要局限于對(duì)單頭部試驗(yàn)件的機(jī)理和數(shù)值模擬研究，其目的在于研究大孔射流與燃燒區(qū)摻混過(guò)程和流場(chǎng)的組織，而對(duì)燃燒室宏觀性能影響的研究相對(duì)較少，并未形成支持工程實(shí)現(xiàn)的燃燒室優(yōu)化方法。

本文以常規(guī)主燃燒室扇形試驗(yàn)件為研究平臺(tái)，開(kāi)展噴嘴供油特性、火焰筒大孔射流變化對(duì)主燃燒室性能影響的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案、系統(tǒng)和研究參數(shù)

1.1 試驗(yàn)方案

研究中采用的主燃燒室扇形試驗(yàn)件由常規(guī)燃燒室90°扇形段（選取主燃燒室連續(xù)的5個(gè)頭部）改裝而成，試驗(yàn)件的前置擴(kuò)壓器采用模擬件，并在試驗(yàn)件的出口段安裝渦輪葉柵模擬段來(lái)模擬渦輪葉片對(duì)主燃燒室出口的堵塞效果。

試驗(yàn)中針對(duì)采用不同點(diǎn)火用燃油噴嘴與基準(zhǔn)型噴嘴匹配方案的同一燃燒室試驗(yàn)件，開(kāi)展噴嘴匹配方案對(duì)燃燒室貧油熄火特性影響的研究，燃油噴嘴的組合方案如下：

（1）方案a：3個(gè)基準(zhǔn)型噴嘴+2個(gè)流量/角度均放大的點(diǎn)火噴嘴；

（2）方案b：3個(gè)基準(zhǔn)型噴嘴+2個(gè)角度放大的點(diǎn)火噴嘴；

（3）方案c（基準(zhǔn)方案）：5個(gè)基準(zhǔn)型噴嘴。

其中方案a和b中點(diǎn)火用噴嘴的放大角度相同。

同時(shí)，為研究火焰筒開(kāi)孔面積變化對(duì)主燃燒室性能（貧油熄火極限、燃燒效率、出口溫度場(chǎng)分布）的影響，以開(kāi)孔面積未改變的原火焰筒為基準(zhǔn)方案，在確?；鹧嫱驳目傞_(kāi)孔面積（有效流通面積Acd）不變的前提下，通過(guò)采用減少冷卻孔的數(shù)量，增加主燃孔或摻混孔開(kāi)孔面積的方法，達(dá)到改變火焰筒開(kāi)孔方案的目的，其具體方案如下：

（1）方案A、B、C:火焰筒主燃孔的開(kāi)孔面積（內(nèi)、外壁）相對(duì)于基準(zhǔn)型火焰筒分別增大10%、20%和30%，火焰筒的總開(kāi)孔面積保持不變，火焰筒冷卻孔數(shù)相應(yīng)減少；

（2）方案D：火焰筒摻混孔的開(kāi)孔面積（內(nèi)、外壁）相對(duì)于基準(zhǔn)型火焰筒增大20%，火焰筒的總開(kāi)孔面積保持不變，火焰筒的冷卻孔數(shù)相應(yīng)減少。

上面4個(gè)方案中，各氣膜段上冷卻孔的減少數(shù)量均依據(jù)原有各氣膜段冷卻開(kāi)孔面積的比例進(jìn)行確定。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在主燃燒室綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備（原理如圖1所示）主要由進(jìn)/排氣系統(tǒng)、空氣加溫器/換熱器、燃料供給系統(tǒng)、試驗(yàn)段、冷卻系統(tǒng)、控制、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等構(gòu)成。

采用燃燒加溫器直接加溫和換熱器換熱間接加溫相結(jié)合的方式將來(lái)流空氣加熱到試驗(yàn)要求的溫度。通過(guò)測(cè)量安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的壓差，利用孔板流量計(jì)算公式計(jì)算獲得燃燒室試驗(yàn)件進(jìn)口的空氣流量。燃燒室進(jìn)口參數(shù)由布置在進(jìn)口測(cè)量段后部同一截面上沿周向設(shè)置的2個(gè)總壓耙和3支溫度電偶測(cè)量獲得，所有進(jìn)口受感元件的總堵塞面積不大于通道面積的5%。

在進(jìn)行燃燒室燃燒效率和出口溫度場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，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)上的溫度受感部測(cè)量，溫度受感部上沿徑向按等環(huán)面的原則布置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，試驗(yàn)中擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的受感部按照轉(zhuǎn)動(dòng)3°測(cè)量1個(gè)位置的方式掃描90°的扇區(qū)，單次試驗(yàn)可采集155個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；而在進(jìn)行燃燒室熄火試驗(yàn)時(shí)，則在火焰筒頭部所對(duì)應(yīng)的主燃燒室出口位置安裝測(cè)溫電偶，通過(guò)測(cè)量出口的溫升來(lái)實(shí)現(xiàn)主燃燒室熄火試驗(yàn)的判定。

1.3 研究參數(shù)

由于采用降壓模擬的方法進(jìn)行試驗(yàn)，燃燒室進(jìn)口的空氣溫度控制在500～800K；燃燒室的進(jìn)口流量為2.0～3.6 kg/s（不包含渦輪引氣量）；在結(jié)構(gòu)方面改變的參數(shù)主要包含燃燒室供油噴嘴的組合方案和火焰筒的開(kāi)孔方案。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 慢車貧油熄火極限

在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)下開(kāi)展燃燒室扇形試驗(yàn)件貧油熄火特性的試驗(yàn)研究，分析噴嘴組合方案和火焰筒開(kāi)孔方案對(duì)主燃燒室貧油熄火特性的影響。

同一燃燒室扇形試驗(yàn)件在各噴嘴匹配方案下的慢車熄火邊界隨進(jìn)口流量變化的曲線如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：主燃燒室的貧油熄火油氣比隨進(jìn)口流量的增加而增大；在相同進(jìn)口流量下獲得的慢車熄火邊界，方案a的最寬，方案b的次之，而方案c的最窄。分析可知：帶有放大型點(diǎn)火噴嘴的主燃燒室與沒(méi)有安裝放大型噴嘴的燃燒室相比，抗熄火能力將有較大提升；且流量和角度都放大的噴嘴比單一角度放大的噴嘴對(duì)主燃燒室熄火特性的影響更加明顯。因此，在主燃燒室供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用放大型噴嘴點(diǎn)火將改善燃燒室的熄火性能，但采用流量和角度都放大的噴嘴還是單一角度放大或流量放大的噴嘴，以及點(diǎn)火噴嘴具體的放大比例，需根據(jù)具體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇；參考前期的研究成果[11]，在主燃燒室方案設(shè)計(jì)中采用放大型點(diǎn)火噴嘴雖能改善燃燒室的熄火性能，但也需考慮放大型噴嘴對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)帶來(lái)的不良影響。

在一定的試驗(yàn)狀態(tài)下，不同火焰筒開(kāi)孔方案的主燃燒室熄火油氣比隨進(jìn)口流量變化的曲線如圖3所示。從圖3中可見(jiàn)，隨著主燃孔面積的增大，火焰筒的熄火邊界變窄，抗熄火性能略有下降，分析認(rèn)為由于主燃孔進(jìn)氣流量增加，使得主燃區(qū)的空氣增加，在相同的燃燒室油氣比下，火焰筒頭部的油氣比相對(duì)減小，并且火焰筒頭部和主燃區(qū)進(jìn)入的空氣流量的增加使對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)增大，促使燃燒室的熄火特性變差，因此主燃孔面積的增大將不利于火焰筒熄火性能的改善。而當(dāng)火焰筒摻混孔面積增大時(shí)，進(jìn)入主燃區(qū)的空氣相對(duì)減少，在相同的進(jìn)口條件和燃燒室油氣比下火焰筒頭部的油氣比將相對(duì)增大，主燃孔空氣對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)減小，使得燃燒室的熄火邊界變寬。

2.2 燃燒效率

分別測(cè)取了試驗(yàn)件在不同開(kāi)孔方案下的燃燒效率，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中采用燃燒效率隨參數(shù)θ變化的曲線來(lái)研究燃燒效率隨試驗(yàn)件不同開(kāi)孔方案的變化規(guī)律。

在α=6.0時(shí)，采用火焰筒擴(kuò)孔方案與基準(zhǔn)型方案的主燃燒室燃燒效率通用曲線對(duì)比如圖4所示。試驗(yàn)表明：隨著主燃孔或摻混孔開(kāi)孔面積的加大，燃燒室的燃燒效率有所提高。分析認(rèn)為，主燃孔面積的增大，火焰筒頭部空氣流量相應(yīng)增加，而可燃空氣的增加有利于增強(qiáng)燃料的燃燒；主燃孔射流空氣量的增大，加強(qiáng)了火焰筒頭部燃料和空氣的摻混，促使燃燒室的燃燒效率提高；而摻混孔開(kāi)孔面積的增大，將增加燃燒室主燃區(qū)和摻混區(qū)的空氣量，一方面為燃燒室頭部提供了可燃空氣，另一方面將增加摻混區(qū)空氣量，促使進(jìn)入摻混區(qū)的未燃燃料在火焰筒后部充分燃燒，從而提高了燃燒室的燃燒效率；試驗(yàn)表明：在α=6.0時(shí)、相同的擴(kuò)孔比例下，摻混孔面積的增大對(duì)燃燒室效率的提高效果較為明顯。

在α=3.0時(shí)，方案B和D的燃燒效率同基準(zhǔn)型方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖5所示。從圖5中可見(jiàn)，在相同試驗(yàn)條件下，方案B與D的燃燒效率基本相同，比基準(zhǔn)型方案燃燒效率的提高并不明顯。由此可見(jiàn)：在現(xiàn)有的開(kāi)孔方案下，由于主燃孔和摻混孔進(jìn)氣流量的增加有限，同時(shí)高油氣比下燃燒室溫度的提高，致使火焰筒內(nèi)燃油的霧化和蒸發(fā)的效果增強(qiáng)，從而對(duì)燃燒效率的影響增大，致使在高油氣比試驗(yàn)中，主燃孔/摻混孔面積的增大對(duì)燃燒效率提高的影響并不明顯。

2.3 主燃燒室出口溫度場(chǎng)分布

在試驗(yàn)中保持主燃燒室的進(jìn)口參數(shù)不變，錄取不同火焰筒開(kāi)孔方案的燃燒室試驗(yàn)件出口溫度分布的最大不均勻度（TODF）和出口溫度徑向不均勻度（TRDF）。由于燃燒室扇形試驗(yàn)件的側(cè)壁效應(yīng)明顯，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中只考慮中間3個(gè)頭部的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)3頭部的出口溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

在一定試驗(yàn)溫度下，不同火焰筒開(kāi)孔方案的燃燒室試驗(yàn)件出口TODF和TRDF隨余氣系數(shù)變化的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6、7所示。

從圖6、7中可見(jiàn)，隨著燃燒室余氣系數(shù)的增大，燃燒室的TODF將有所改善，而出口的TRDF將隨余氣系數(shù)的增大而提高。分析認(rèn)為燃燒室余氣系數(shù)的增大，火焰筒內(nèi)燃?xì)獾膿交鞂⒏映浞?，燃燒更為完全，因此燃燒室出口的TODF有所改善；而隨余氣系數(shù)的增大，燃燒在主燃區(qū)內(nèi)相對(duì)集中，燃燒室出口高溫區(qū)沿徑向分布也相對(duì)集中，致使燃燒室出口的TRDF略有提高。

同時(shí)，隨主燃孔進(jìn)氣量的增加，可燃空氣的增加使燃料的燃燒更為充分，燃燒室的燃燒效率提高，并且部分主燃孔空氣進(jìn)入摻混區(qū)將幫助燃?xì)鈸交?，增加燃?xì)庠诨鹧嫱矁?nèi)的滯留時(shí)間，燃?xì)獾膿交煸鰪?qiáng)，因此出口溫度場(chǎng)隨主燃孔進(jìn)氣量的增加而改善；而摻混孔面積的增大，摻混空氣量的增加使燃?xì)馀c空氣在摻混區(qū)充分混合，使燃?xì)獾姆植甲兊镁鶆?，同時(shí)部分未燃燃?xì)饪梢栽趽交靺^(qū)內(nèi)燃燒，在一定程度上促使燃燒室出口溫度TODF改善。同理，隨著火焰筒主燃孔/摻混孔面積的增大，燃燒室出口的TRDF也隨之改善。

2.4 試驗(yàn)誤差分析

除測(cè)試誤差外，試驗(yàn)誤差主要由試驗(yàn)件加工誤差和試驗(yàn)件扇形結(jié)構(gòu)所引起的特殊流場(chǎng)特性造成。試驗(yàn)件狀態(tài)多，加工的誤差不可避免，因此在保證加工精度的前提下，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加工后的矯形和尺寸校核確保試驗(yàn)件的幾何尺寸，力求將加工所造成的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響降到最小。同時(shí)由于扇形試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易產(chǎn)生側(cè)壁效應(yīng)和近壁渦流從而影響到試驗(yàn)件各頭部的燃燒流場(chǎng)，以致各頭部的燃燒特性有較大差異，但本文的研究主要針對(duì)多個(gè)試驗(yàn)件方案之間的宏觀燃燒性能進(jìn)行對(duì)比，因此在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，采取刨除靠近側(cè)壁的數(shù)據(jù)或采用中間3個(gè)頭部數(shù)據(jù)等措施（見(jiàn)第2.3節(jié)），排除側(cè)壁效應(yīng)和試驗(yàn)件變形等因素對(duì)燃燒室試驗(yàn)結(jié)果的影響，從而在宏觀上（試驗(yàn)件的整體性能）體現(xiàn)火焰筒開(kāi)孔變化對(duì)燃燒室綜合特性的影響規(guī)律，減小試驗(yàn)誤差。

3 結(jié)論

在主燃燒室扇形試驗(yàn)中，針對(duì)不同的噴嘴匹配方案對(duì)主燃燒室貧油熄火特性，以及火焰筒開(kāi)孔方案對(duì)主燃燒室貧油熄火、燃燒效率和出口溫度分布特性的影響情況進(jìn)行了研究，通過(guò)結(jié)果分析得到以下結(jié)論：

（1）主燃燒室供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中適當(dāng)采用供油流量或角度放大的點(diǎn)火噴嘴，燃燒室的慢車貧油熄火性能將有較大提高，但放大型噴嘴應(yīng)依據(jù)主燃燒室的總體性能需求進(jìn)行選擇；

（2）在火焰筒總開(kāi)孔面積不變的前提下，逐步增大主燃孔的開(kāi)孔面積有利于提高燃燒室的燃燒效率，改善燃燒室的出口溫度分布，但同時(shí)也導(dǎo)致火焰筒的貧油熄火特性變差；

（3）在火焰筒總開(kāi)孔面積不變的前提下，增大摻混孔的開(kāi)孔面積有利于提高燃燒室的燃燒效率，改善燃燒室的出口溫度分布，拓寬火焰筒的貧油熄火邊界。

研究表明：點(diǎn)火噴嘴特性的改變和大孔（尤其是摻混孔）射流空氣流量的增加對(duì)于燃燒室性能的提高具有積極作用。本次試驗(yàn)中未測(cè)量火焰筒面積改變后的空氣流量分配比例，試驗(yàn)也僅限于降壓模擬狀態(tài)。在后續(xù)研究中，火焰筒流量分配比例測(cè)量與燃燒室性能變化相應(yīng)關(guān)系和在真實(shí)狀態(tài)下的燃燒室性能試驗(yàn)將成為研究重點(diǎn)。

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Effect of Nozzle Matching and Flame Tube Holes on Combustion Performance

LIN Hong-jun，CHENG Ming
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The effect of the ignition injector characteristic and flame tube big holes change on the combustion performance was studied based on the sector combustion testing of aeroengine.The effect of ignition injector concepts on the combustion blowout performance was investigated.The effect of big holes change for the flame tube on the combustion performance including Lean Blow-Out（LBO）,combustion efficiency and outlet temperature performance was studied.The results show that LBO is improved by amplified ignition injector.Enlarging the primary holes leads to improve the combustion efficiency and outlet temperature distribution,but leads to reduce the LBO performance,which is improved by increasing the area of dilution holes.

combustion;performance;sector combustion testing;ignition injector;flame tube;primary hole;dilution holes;aeroengine

林宏軍（1981），男，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室設(shè)計(jì)和先進(jìn)燃燒室預(yù)先研究工作。