發(fā)動機環(huán)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(xué) 航空航天學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

輔助動力裝置APU是一個小型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機[1]，具有體積小、重量輕的特點，可改善發(fā)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(fā)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(guān)注，因為其直接影響發(fā)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(fā)動機領(lǐng)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(yù)混預(yù)蒸發(fā)等技術(shù)手段的逐漸應(yīng)用，使得其燃燒室點火過程面臨更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。根據(jù)燃燒室點火和火焰周向傳播規(guī)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(fā)展形成單個穩(wěn)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(lián)焰受到點火模式、點火能量、當(dāng)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(guī)律十分復(fù)雜。因此，深入研究環(huán)形燃燒室中的復(fù)雜點火過程具有重要指導(dǎo)意義。

使用全尺度工業(yè)級燃燒室進(jìn)行點火實驗研究，會面臨測量困難和代價高昂問題。因此，發(fā)展實驗室尺度的燃燒室模型，在盡可能保留真實燃燒系統(tǒng)流場特性的同時，增加光學(xué)診斷窗口，成為研究環(huán)形燃燒室點火機理的有效手段[3]。目前，國內(nèi)外也已經(jīng)發(fā)展了一些較為成熟的環(huán)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(huán)形燃燒室中進(jìn)行點火研究，實驗中觀測到拱形火焰結(jié)構(gòu)，火焰沿著燃燒室兩側(cè)傳播方式為周向向前；劍橋大學(xué)的E.Machover等[8-9]研究了預(yù)混和非預(yù)混條件下的火焰?zhèn)鞑ミ^程，發(fā)現(xiàn)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(nèi)王高峰等[10-11]基于浙江大學(xué)的TurboCombo環(huán)形燃燒室與渦輪耦合模型，對比分析了先通燃?xì)夂簏c火(FFSL)和先點火后通燃?xì)?SFFL)兩種模式的不同形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)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?zhèn)鞑ニ俣炔顒e較大。

本文著重研究不同構(gòu)型燃燒室下火焰?zhèn)鞑ミ^程的形態(tài)特征，通過搭建環(huán)形燃燒室實驗平臺，使用高速相機記錄周向火焰?zhèn)鞑ミ^程，探究直流噴嘴燃燒室、斜流噴嘴燃燒室以及引入導(dǎo)葉后的燃燒室火焰?zhèn)鞑サ牟町悺?/p>

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(huán)形燃燒室及渦輪兩部分組成，其中環(huán)形燃燒室壁面由透明石英玻璃壁面構(gòu)成，滿足了可視化實驗需求。

實驗中丙烷與空氣經(jīng)混氣管路充分預(yù)混后送入配氣室，之后再經(jīng)旋流噴嘴進(jìn)入燃燒室腔體，在環(huán)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(shù)S=0.82。常規(guī)豎直噴嘴，敞口環(huán)形燃燒室即在TurboCombo實驗平臺中僅保留環(huán)形燃燒室部分，同時將內(nèi)壁支承金屬圓筒也改為透明石英玻璃壁；傾斜噴嘴，敞口環(huán)形燃燒室即在此基礎(chǔ)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(dǎo)葉環(huán)形燃燒室，就是TurboCombo渦輪部分保留渦輪導(dǎo)葉，研究下游渦輪導(dǎo)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(dǎo)葉環(huán)形燃燒室，由于內(nèi)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?zhèn)鞑バ螒B(tài)，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(shè)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(zhì)量流量計控制，可燃混氣在以設(shè)定的配比進(jìn)入燃燒室腔體后由貼近環(huán)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(yù)設(shè)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(yīng)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(jìn)行，并且針對每個工況都進(jìn)行了至少3次的重復(fù)實驗，確保實驗結(jié)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(yù)熱至500 K。

2 實驗結(jié)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(jīng)渲染之后的結(jié)果。

2.1 直噴環(huán)形燃燒室的點火過程

直噴環(huán)形燃燒室的點火過程如圖3所示，白色對應(yīng)于火焰最大發(fā)光強度，而灰色對應(yīng)于火焰最小發(fā)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(chǎn)生初始火核；(2)初始火核不斷擴張發(fā)展，并在點火針臨近的噴嘴處形成單個穩(wěn)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(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，實驗中將初始火核生成時刻定義為周向點火起點，將兩側(cè)火焰面融合時刻定義為終點。在t=80 ms時，兩側(cè)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(cè)，即兩側(cè)火焰面的傳播存在著不對稱性，右側(cè)火焰面處于領(lǐng)先位置。

圖3 直噴環(huán)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(huán)形燃燒室的點火過程

斜噴型環(huán)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(huán)形燃燒室點火過程不同，由原先的沿兩側(cè)雙向傳播轉(zhuǎn)變?yōu)閮H沿單側(cè)傳播。這是因為改變噴嘴入射方向后，環(huán)形燃燒室內(nèi)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(cè)火焰面的傳播得到了加強，而右側(cè)火焰面的傳播被完全抑制，形成了單向火焰?zhèn)鞑ツＪ健＿@說明，此時火焰的傳播行為主要是由燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)所決定的。

圖4 斜噴型環(huán)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(dǎo)葉環(huán)形燃燒室的點火過程

帶渦輪導(dǎo)葉環(huán)形燃燒室的點火過程如圖5所示，可以看出：此時火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與直噴環(huán)形燃燒室中相似，均沿雙向傳播。但由于出口渦輪導(dǎo)葉的存在，火焰面上沿在沖刷渦輪導(dǎo)葉時傳播方向發(fā)生了偏折。

圖5 帶渦輪導(dǎo)葉環(huán)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(jié)果分析

周向點火時間t可以反映火焰在環(huán)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(jīng)歷的時間。本文研究了當(dāng)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(jié)果，并以此來分析傾斜噴嘴結(jié)構(gòu)和燃燒室出口渦輪導(dǎo)葉對周向點火時間的具體影響。

直噴環(huán)形燃燒室和斜噴型環(huán)形燃燒室的周向點火時間變化規(guī)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(jié)構(gòu)變化會造成兩者周向點火時間的顯著差異，在斜噴型環(huán)形燃燒室中，火焰僅沿單側(cè)傳播，所以周向點火時間明顯延長。

(a) 當(dāng)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(dāng)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?zhèn)鞑ニ俣萐T加快。但兩者對于流速增大的響應(yīng)有所不同，斜噴型環(huán)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(fā)明顯，它能更好地加速火焰?zhèn)鞑?，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(dāng)量比減小而縮短。一方面，主流速度的增大會加快湍流火焰?zhèn)鞑?；另一方面，隨著當(dāng)量比的減小，在貧燃范圍內(nèi)，燃后氣體溫度Tb以及層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L均會下降，兩者都會使火焰?zhèn)鞑p慢。因此根據(jù)實驗結(jié)果可以推測，相較于燃后氣體溫度及層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，流動對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄匾绊懀貏e是對于斜噴型環(huán)形燃燒室，當(dāng)主流速度足夠大時，燃燒室內(nèi)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(dǎo)葉和不帶渦輪導(dǎo)葉的周向點火時間變化規(guī)律對比圖如圖7所示，可以看出：兩者隨各參數(shù)的變化規(guī)律相同，但在燃燒室出口渦輪導(dǎo)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(nèi)，周向點火時間縮短了約15%，這是因為在出口渦輪導(dǎo)葉的影響下，點火過程中的非定常流場結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

(a) 當(dāng)量比一定(φ=0.80)

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

4 結(jié) 論

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

(2) 在傾斜噴嘴的敞口環(huán)形燃燒室內(nèi)，火焰轉(zhuǎn)變?yōu)閮H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(dǎo)葉環(huán)形燃燒室內(nèi)，火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)與常規(guī)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(dǎo)葉作用下發(fā)生偏折。

(4) 改變噴嘴角度后，由于火焰僅沿單側(cè)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(dǎo)葉的影響下，雖然火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)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(jié)構(gòu)變化造成的。

(5) 在大光學(xué)窗口的透明環(huán)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。