渦輪導(dǎo)葉對環(huán)形燃燒室點火的影響

葉沉然，王高峰，方元祺，馬承飚

渦輪導(dǎo)葉對環(huán)形燃燒室點火的影響

葉沉然，王高峰，方元祺，馬承飚

(浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，杭州 310027)

在TurboCombo實驗平臺上實驗研究了渦輪導(dǎo)葉對環(huán)形燃燒室點火過程的影響．采用高速相機觀察記錄火焰周向傳播過程以及火焰與渦輪導(dǎo)葉的耦合作用．分析對比了不同當(dāng)量比、熱功率及主流速度條件下帶渦輪導(dǎo)葉的環(huán)形燃燒室與獨立環(huán)形燃燒室點火過程的異同與周向點火時間．實驗結(jié)果表明，兩種構(gòu)型下的周向點火過程基本相似，但相同條件下帶渦輪導(dǎo)葉的環(huán)形燃燒室相較于獨立的環(huán)形燃燒室周向點火時間更短．考慮了湍流褶皺及燃后氣體膨脹效應(yīng)后，預(yù)估了周向火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⑴c實驗結(jié)果在較大雷諾數(shù)下吻合得較好．

環(huán)形燃燒室；渦輪導(dǎo)葉；周向點火

點火問題由于關(guān)乎到整個航空發(fā)動機的安全及可靠性，一直是研究的熱點領(lǐng)域．而環(huán)形燃燒室因其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點，在航空發(fā)動機中被廣泛采用．對于獨立環(huán)形燃燒室的周向點火過程，國內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的進展．劍橋大學(xué)的Bach等[1]最初搭建了一個具有18個旋流噴嘴的環(huán)形燃燒室模型，并在其上進行了點火實驗研究．研究發(fā)現(xiàn)，相較于單純的周向傳播模式，火焰在兩相鄰噴嘴之間的傳播更接近于一種“鋸齒形”的傳播模式．之后，Machover 等[2-3]對模型做了改進，并分別針對預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒進行研究．對于非預(yù)混模式，他們發(fā)現(xiàn)吹熄邊界比點火邊界寬得多，但隨著噴嘴間距的減小，兩者逐漸靠攏．由于旋流的影響，兩側(cè)火焰的傳播速度存在差異，并且減小噴嘴間距或是增大當(dāng)量比都會加速火焰?zhèn)鞑ィ槍︻A(yù)混模式，發(fā)現(xiàn)增加旋流，增大主流速度，增大當(dāng)量比都會使得火焰?zhèn)鞑ゼ铀伲⑶冶容^不同當(dāng)量比下的實驗結(jié)果，得出燃后氣體膨脹效應(yīng)是加速火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩兀屠柚醒肜砉ご髮W(xué)的EM2C實驗室也搭建了名為MICCA的環(huán)形燃燒室模型．Bourgouin等[4]在研究周向點火時同樣發(fā)現(xiàn)了燃后氣體膨脹效應(yīng)和燃燒共同決定了實際火焰?zhèn)鞑ニ俣龋甈hilip等[5-7]運用大渦模擬(LES)復(fù)現(xiàn)了MICCA中的周向點火過程，并在火焰結(jié)構(gòu)及火焰?zhèn)鞑ノ恢蒙隙寂c實驗結(jié)果吻合得較好．上述實驗均采用了氣體燃料，與實際航空煤油差異較大，因此Prieur等[8]改進了旋流噴嘴，發(fā)展了MICCA-Spray環(huán)形燃燒室模型，并在其上比對了丙烷氣體燃料，庚烷及十二烷液體燃料的周向點火特性．實驗發(fā)現(xiàn)雖然3種燃料的周向點火過程近似，但受液體燃料揮發(fā)特性的影響，特別是十二烷與丙烷相比周向點火時間顯著變長．國內(nèi)浙江大學(xué)的令狐昌鴻等[9]搭建了類似的預(yù)混環(huán)形燃燒室模型，在同一燃燒室模型中對比了先點火后通燃料以及先通燃料后點火兩種點火模式下的周向點火過程．發(fā)現(xiàn)先通燃料后點火模式下周向點火時間較短，并且點火過程也更穩(wěn)定．葉沉然等[10-11]通過改變噴嘴的入射角度在環(huán)形燃燒室中引入了周向速度分量進行實驗，在周向速度分量的作用下，火焰?zhèn)鞑ヌ匦园l(fā)生了顯著改變，特別是在先點火后通燃料模式下，火焰僅沿著周向速度分量方向單向傳播．

但以上的研究都是將環(huán)形燃燒室作為航空發(fā)動機當(dāng)中一個獨立的部件，這樣做的好處是能夠簡化實驗?zāi)Ｐ?，降低實驗成本，但其弊端也是顯而易見的，因為獨立環(huán)形燃燒室的實驗環(huán)境特別是出口邊界條件與真實航空發(fā)動機存在明顯的差異．但目前國內(nèi)外還缺乏對于更接近真實環(huán)形燃燒室的出口邊界條件并且考慮渦輪導(dǎo)葉對環(huán)形燃燒室周向點火影響的相關(guān)研究．因此本文在浙江大學(xué)TurboCombo實驗平臺上進行了點火實驗研究，該平臺由環(huán)形燃燒室和渦輪兩部分組成，這樣就克服了上述實驗中將環(huán)形燃燒室作為獨立部件研究的弊端，其周向點火過程就與真實航空發(fā)動機中的更為接近，并且能夠提供更有價值的實驗數(shù)據(jù)．除此之外，實驗結(jié)果還與獨立環(huán)形燃燒室中的周向點火過程進行了比對，進一步探究出口渦輪導(dǎo)葉對周向點火過程的影響．

1?實驗裝置與設(shè)置

1.1?TurboCombo實驗平臺

TurboCombo實驗平臺如圖1所示．整個平臺主體分為兩部分，即環(huán)形燃燒室部分與渦輪部分．環(huán)形燃燒室部分主要由燃燒室壁面、旋流噴嘴以及配氣室組成．為了滿足周向點火過程的可視化需求，環(huán)形燃燒室外壁面由外徑及高度均為300mm，厚度為5mm的石英玻璃構(gòu)成．在環(huán)形基座上等間距地布置了16個旋流噴嘴，噴嘴的直徑為10mm并且通過6個徑向的斜孔形成旋流，旋流的方向為俯視逆時針，旋流數(shù)＝0.82．且在旋流的作用下，在環(huán)形燃燒室的外壁面附近會形成俯視逆時針的速度分量，而在內(nèi)壁面附近會形成俯視順時針的速度分量(見圖2)．丙烷與空氣經(jīng)過一定長度的預(yù)混管路充分預(yù)混后送入配氣室以均勻來流、減小湍流度，再經(jīng)16個旋流噴嘴進入環(huán)形燃燒室．渦輪部分主要由帶導(dǎo)葉的渦輪葉盤以及支撐金屬圓筒壁組成．在渦輪葉盤上等間距地布置了26片渦輪導(dǎo)葉，葉片弦長為38mm，葉高為27mm，葉柵節(jié)距為34mm，安裝角為30.2°．因?qū)~的布置及收縮型的出口流道，流道截面收縮比約為0.16．為了探究燃燒室出口加裝渦輪導(dǎo)葉對周向點火過程的影響，可將渦輪葉盤用等高的金屬圓筒壁面所替代，構(gòu)成敞口的獨立環(huán)形燃燒室模型．

1—石英玻璃管壁面；2—渦輪導(dǎo)葉；3—旋流噴嘴；4—配氣室

圖2?實驗裝置布置

1.2?點火裝置與模式

本實驗采用了雙針點火針即點火針的兩級由相距5mm的雙針組成，在接通了15kV輸出的點火器后能穩(wěn)定地產(chǎn)生100Hz的電弧，以此來點燃丙烷-空氣混合氣體．點火針安裝在離環(huán)形基座大約高10mm貼近噴嘴的位置，并且為了方便后文敘述，將臨近點火針的噴嘴記作0#噴嘴，剩余噴嘴沿順時針方向依次記作-1#～-7#噴嘴，沿逆時針方向記作+1#～+8#噴嘴(見圖2)．實驗中采用的是先點火后通燃料的點火模式，這種模式也是實際飛機地面起動中所采用的．具體的操作步驟如下：將一定量的空氣預(yù)先送入環(huán)形燃燒室；接通電源，啟動點火針；根據(jù)實驗設(shè)定的熱功率及當(dāng)量比將丙烷按照設(shè)定值送入環(huán)形燃燒室，之后當(dāng)合適配比的丙烷-空氣遇到點火針，周向點火過程隨即開始．上述空氣與丙烷的流量均通過七星D07質(zhì)量流量控制計控制．

1.3?高速相機及設(shè)置

本文實驗中的主要手段就是通過高速相機記錄帶渦輪導(dǎo)葉的環(huán)形燃燒室與獨立環(huán)形燃燒室兩種構(gòu)型下的周向點火過程．由于渦輪葉盤或者金屬圓筒壁面的遮擋，本實驗采用了2個徑向?qū)χ玫母咚傧鄼C來記錄完整的周向點火過程．相機1、2的型號及設(shè)置參數(shù)如表1所示．為了更清晰地捕捉到火焰結(jié)構(gòu)，兩個相機鏡頭前均加裝了帶寬為400～680nm的可見光濾鏡，濾去了紅外波段高溫燃后氣體．在該區(qū)間內(nèi)，相機捕獲到的主要是火焰面上的CH*和C2*基團的化學(xué)自發(fā)光[4]，因此可以大致認(rèn)為相機拍攝到的發(fā)光部分即為火焰面所處的位置．

表1?高速相機參數(shù)

Tab.1?Settings of the high-speed camera

1.4?實驗工況

表2?實驗工況

Tab.2?Experimental conditions

2?實驗結(jié)果

2.1?火焰形態(tài)

圖3展示了TurboCombo實驗平臺中的旋流火焰照片．在＝0.76的貧燃工況下，可以看到淡藍(lán)色的“V”型旋流火焰獨立地依附于各個旋流噴嘴之上．在火焰及高溫燃?xì)獾募訜嶙饔孟?，渦輪導(dǎo)葉呈暗紅色，并且高溫的渦輪葉片也會反過來影響環(huán)形燃燒室內(nèi)的溫度及流場分布，這就表明了環(huán)形燃燒室與渦輪并不是兩個獨立的部件，兩者之間存在明顯的耦合作用，因此研究渦輪導(dǎo)葉對環(huán)形燃燒室周向點火過程的影響是十分有價值的．

圖3 在Φ＝0.76，P＝18.6kW工況下，TurboCombo實驗平臺中的旋流火焰照片

2.2?周向點火過程

圖4和圖5分別展示了TurboCombo實驗平臺中帶渦輪導(dǎo)葉的環(huán)形燃燒室構(gòu)型以及獨立環(huán)形燃燒室構(gòu)型下的周向點火過程．需要指出，為了使圖片更加清晰，整個點火時序圖片是經(jīng)過渲染的偽色圖．可以大致認(rèn)為亮黃色對應(yīng)著最大發(fā)光強度而暗紅色對應(yīng)著最小發(fā)光強度．對比圖4和圖5可以看到兩種構(gòu)型下整個周向點火過程基本相似，大體上可以分為3個階段：在＝0ms，合適配比的丙烷-空氣在點火針的作用下形成了初始火核；＝0～6ms，初始火核開始擴張并且在點火針臨近的0#噴嘴處形成了單個穩(wěn)定的旋流火焰；之后，單個旋流火焰繼續(xù)擴張，開始向兩側(cè)傳播并依次點燃相鄰的噴嘴，最終兩側(cè)火焰面融合所有噴嘴被全部點燃，環(huán)形燃燒室達到穩(wěn)定工作狀態(tài)．

圖4 在F＝0.76，P＝18.6kW工況下，TurboCombo實驗平臺中帶渦輪導(dǎo)葉的周向點火過程

圖5 在F＝0.76，P＝18.6kW工況下，TurboCombo實驗平臺中未帶渦輪導(dǎo)葉的周向點火過程

從圖4中可以清晰地看到火焰面在傳播過程中沖刷渦輪導(dǎo)葉，火焰面上沿與導(dǎo)葉接觸部分出現(xiàn)明顯的偏折，這也進一步證明了環(huán)形燃燒室的周向點火過程與渦輪之間存在耦合作用．而在圖5中可以看到，當(dāng)渦輪葉盤被等高的金屬圓筒壁替代時，火焰面上沿由于卷吸作用進入了金屬圓筒壁內(nèi)側(cè)．

3?分析與討論

3.1?周向點火時間

周向點火時間是衡量環(huán)形燃燒室點火的一個重要參數(shù)指標(biāo)．一般地，將初始火核形成時刻記作周向點火過程的起點，將所有噴嘴被點燃時刻記作周向點火過程的終點，兩者之間的時間間隔即為周向點火時間．因此通過高速相機拍攝的影像就能得到各個工況下兩種構(gòu)型的周向點火時間，由此來探究環(huán)形燃燒室出口加裝渦輪導(dǎo)葉對周向點火過程的影響．為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每個工況都進行了至少3次獨立實驗，選取其中合理的結(jié)果取平均，下述所得的結(jié)果都為實驗平均結(jié)果．

圖6?熱功率一定時，周向點火時間t的變化規(guī)律

圖7 當(dāng)量比一定時，周向點火時間t 的變化規(guī)律

3.2?周向火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

這里考慮到實際的實驗環(huán)境，燃后氣體溫度取90%的絕熱火焰溫度．

綜上所述，各參數(shù)數(shù)值以及周向火焰?zhèn)鞑ニ俣裙浪阒蹬c實驗值列于表3中．

表3?帶渦輪導(dǎo)葉構(gòu)型下周向火焰?zhèn)鞑ニ俣裙浪慵芭c實驗值的比較

Tab.3?Circumferential flame speed evaluation under the configuration with turbine guide vanes and the comparison with experimental values

4?結(jié)?論

本文在TurboCombo實驗平臺上研究了帶渦輪導(dǎo)葉的環(huán)形燃燒室的周向點火過程，并將結(jié)果與獨立的環(huán)形燃燒室構(gòu)型相比較，試圖探究渦輪導(dǎo)葉對周向點火過程的影響．實驗中運用一對徑向?qū)χ玫母咚?/p>

(１) 實驗結(jié)果表明，兩種構(gòu)型下的周向點火過程基本相似；受湍流脈動及火焰褶皺的影響，熱功率或當(dāng)量比一定時，周向點火時間均隨主流速度的增大而縮短，并且?guī)u輪導(dǎo)葉的環(huán)形燃燒室相較于獨立環(huán)形燃燒室在相同工況下周向點火時間更短，這很有可能是燃燒室出口加裝的渦輪導(dǎo)葉使得周向點火過程中的非定常流場結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變．

本文中的實驗結(jié)果可以用來驗證模擬實際航空發(fā)動機點火過程的數(shù)值模型．

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Ignition Dynamics in Annular Combustor with Turbine Guide Vanes

Ye Chenran，Wang Gaofeng，F(xiàn)ang Yuanqi，Ma Chengbiao

(School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Ignition dynamics in an annular combustor with turbine guide vanes was experimentally studied on a TurboCombo platform．High-speed cameras were used to observe and record the light-round sequence and the interaction between flame and turbine guide vanes．The light-round sequence and the light-round time were compared between the annular combustor with or without turbine guide vanes at different equivalence ratios，thermal powers and bulk velocities．The experimental results indicate that the light-round sequences are similar in the two configurations，but the annular combustor with turbine guide vanes features shorter light-round time in the same condition．With the turbulent wrinkling and burnt gas expansion effect considered，the circumferential flame speed was estimated，which fitted the experimental results well at a larger Reynolds number．

annular combustor；turbine guide vane；light-round

V23

A

1006-8740(2020)01-0075-06

10.11715/rskxjs.R201903014

2019-03-12．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51976184；91841302)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(2019FZA4025)．

葉沉然（1993—??），男，碩士研究生，yechenran@zju.edu.cn.

王高峰，男，博士，副教授，gfwang@zju.edu.cn.