不同頭部間距下三頭部燃燒室點(diǎn)火過程研究

馮劍寒

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)也提出了越來越高的要求，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的三大核心部件之一，其性能直接影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。其中點(diǎn)火啟動(dòng)過程關(guān)系到飛行器的地面起飛與高空再點(diǎn)火性能，是燃燒室技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)[1]。影響點(diǎn)火性能的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，包括氣動(dòng)熱力參數(shù)、點(diǎn)火器性能參數(shù)、點(diǎn)火位置等，因此研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火中火焰?zhèn)鞑サ倪^程，探究不同因素對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響，能夠?yàn)楦纳坪娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能設(shè)計(jì)提供參考[2]。

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，單頭部燃燒室往往缺失了多個(gè)頭部火焰干涉狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鱗3]，而不能對(duì)燃燒室的周向點(diǎn)火時(shí)間進(jìn)行正確評(píng)估，但直接對(duì)環(huán)形燃燒室進(jìn)行試驗(yàn)研究造成測(cè)量困難及費(fèi)用高昂等問題[3]。所以對(duì)多頭部燃燒進(jìn)行研究十分必要，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一些研究，CORDIER M等[4-5]對(duì)多頭部矩形燃燒室模型進(jìn)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?duì)多頭部和環(huán)形燃燒室點(diǎn)火過程的研究，多采用實(shí)驗(yàn)室尺度模型，而實(shí)際燃燒室加入主燃孔、摻混孔等結(jié)構(gòu)后，流動(dòng)特性及火焰?zhèn)鞑ミ^程也更加復(fù)雜。眾多研究表明，頭部間距與燃燒室周向火焰?zhèn)鞑C(jī)理有著密不可分的關(guān)系，但對(duì)其定量關(guān)系的研究依然十分缺乏。因此使用先進(jìn)激光技術(shù)對(duì)燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合流場(chǎng)對(duì)不同頭部間距下的點(diǎn)火過程進(jìn)行分析具有重要的意義。

本文針對(duì)三頭部燃燒室，使用二維粒子圖像測(cè)速儀(PIV)測(cè)量了燃燒室冷態(tài)時(shí)均流場(chǎng)，使用高速攝像機(jī)拍攝了燃燒室不同頭部間距下的點(diǎn)火過程，將冷態(tài)時(shí)均流場(chǎng)與點(diǎn)火過程相結(jié)合分析，對(duì)三頭部燃燒室的周向點(diǎn)火過程、流動(dòng)與點(diǎn)火過程中火焰發(fā)展的關(guān)聯(lián)及頭部間距對(duì)周向點(diǎn)火過程的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

圖1(a)為燃燒室的整體試驗(yàn)系統(tǒng)圖。燃燒室的試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：燃燒室、供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。通過五路支管分別對(duì)燃燒室進(jìn)行供氣，以實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制。試驗(yàn)采用RP-3液態(tài)航空煤油作為燃料，高能點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)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(shí)現(xiàn)燃燒室軸向平面和周向平面的光學(xué)測(cè)量，在燃燒室的左側(cè)以及后側(cè)分別設(shè)有觀察窗，燃燒室出口設(shè)置在模型的側(cè)面。采用PIV來測(cè)量流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使用高速相機(jī)來記錄點(diǎn)火過程，通過相機(jī)對(duì)焦至特定截面位置來記錄點(diǎn)火過程。試驗(yàn)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(dòng)霧化噴嘴，安裝在旋流器中心位置。在燃燒室主體結(jié)構(gòu)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(yàn)系統(tǒng)及三頭部燃燒室結(jié)構(gòu)圖

圖2為頭部安裝板的結(jié)構(gòu)示意圖，通過更換頭部安裝板實(shí)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(duì)應(yīng)模型A1、模型A2和模型A3。

圖2 頭部安裝板結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

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

從圖中可發(fā)現(xiàn)燃燒室點(diǎn)火過程有階段性的變化，大致分為以下5個(gè)階段：1)點(diǎn)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(qiáng)度迅速減小，并在點(diǎn)火器附近形成點(diǎn)火熱源。2)初始火焰形成(5～9 ms)。隨未燃燃?xì)鉁囟扰c燃油蒸發(fā)速率不斷升高，達(dá)到化學(xué)反應(yīng)邊界，形成初始火焰，這段時(shí)間火焰發(fā)光強(qiáng)度變化不大。3)左側(cè)旋流器點(diǎn)火(9～21 ms)。初始火焰一方面沿徑向傳播，這部分火焰燃燒強(qiáng)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?？梢园l(fā)現(xiàn)，燃燒強(qiáng)度較低的初始火焰更易順流線方向進(jìn)行傳遞。待燃燒強(qiáng)度增大后，火焰在兩旋流器間迅速傳播并點(diǎn)燃左側(cè)頭部。4)中間旋流器點(diǎn)火(21～27 ms)。左側(cè)旋流器點(diǎn)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(shí)其下側(cè)也被點(diǎn)燃，這時(shí)中間旋流器點(diǎn)火成功。5)右側(cè)旋流器點(diǎn)火(27～37 ms)。

圖3 模型A1周向點(diǎn)火過程

中間旋流器點(diǎn)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(kuò)散傳播，燃燒室整體點(diǎn)火成功后，隨下游火焰擴(kuò)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(diǎn)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(yīng)增大，渦系增多，油氣摻混效果增強(qiáng)，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(shí)點(diǎn)火成功，所以模型A2的周向點(diǎn)火時(shí)間要小于模型A1。

圖4 模型A2周向點(diǎn)火過程

圖5 模型A3周向點(diǎn)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(yīng)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(diǎn)燃了左側(cè)旋流器后，在中間旋流器的上側(cè)來回脈動(dòng)傳遞。這段時(shí)間未燃混氣溫度在不斷上升但是發(fā)光強(qiáng)度基本不變，直到中間旋流器點(diǎn)火成功。相較于模型A1、模型A2，模型A3的周向點(diǎn)火時(shí)間顯著增加。

根據(jù)葉沉然等[6]提出流動(dòng)加速系數(shù)的概念，可以計(jì)算3種模型的流動(dòng)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?；τ為周向點(diǎn)火時(shí)間。流動(dòng)加速系數(shù)用來估計(jì)流動(dòng)因素對(duì)周向火焰?zhèn)鞑タ傮w加速的效率。3種模型的周向點(diǎn)火時(shí)間及流動(dòng)加速系數(shù)與頭部間距比的關(guān)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(diǎn)火時(shí)間隨之增大，且頭部間距為72 mm時(shí)，周向點(diǎn)火時(shí)間顯著增加；隨頭部間距增加，流動(dòng)加速系數(shù)減小，表示流動(dòng)因素對(duì)火焰?zhèn)鞑サ淖饔脺p小。

表1 周向點(diǎn)火時(shí)間及流動(dòng)加速系數(shù)與頭部間距比的關(guān)系

3 結(jié)語

本文針對(duì)三頭部燃燒室試驗(yàn)件，探究了燃燒室的周向點(diǎn)火過程以及流動(dòng)與點(diǎn)火過程中火焰發(fā)展的關(guān)聯(lián)，同時(shí)也探究了頭部間距對(duì)周向點(diǎn)火過程的影響。得出了以下結(jié)論：

1)燃燒室的周向點(diǎn)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(jìn)行傳遞，待燃燒強(qiáng)度增大到一定值時(shí)，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(shí)，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(qiáng)。所以隨頭部間距由54 mm增加到72 mm，燃燒室周向點(diǎn)火時(shí)間由26 mm增加到57 mm，其中頭部間距為72 mm時(shí)，周向點(diǎn)火時(shí)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(dòng)加速系數(shù)由2.95 mm減小到1.79 mm，隨頭部間距增加，流動(dòng)因素對(duì)火焰?zhèn)鞑サ淖饔脺p小了。