防火試驗用NexGen油燃燒器火焰溫度特性研究

陳 元,萬羽翼,王玉琢,陳 龍,包雯婷,丁 瀟,李松陽,崔振濤

(1.中國民用航空局第二研究所,四川 成都 610041;2.民航航油航化適航與綠色發(fā)展重點實驗室,四川 成都 610041;3.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室,安徽 合肥 230022;4.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司,上海 200241)

飛行安全問題是民航關注的重點,為盡可能降低飛機失火對飛行安全的影響,適航條款要求發(fā)動機零部件在失火狀態(tài)下依然能有效工作一段時間,確保發(fā)動機安全關閉[1]。防火試驗是驗證發(fā)動機零部件、艙內材料防火及耐火性能最有效的方法。美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)、國際標準化組織和中華人民共和國工業(yè)和信息化部分別發(fā)布了行業(yè)標準《AC 20-135》[2]、《ISO 2685》[3]和《HB 6167.14—2014》[4],規(guī)定了防火試驗的試驗準則、設備要求等細則,要求使用油燃燒器進行飛機材料與結構防火耐火驗證。

動力裝置報告No.3A[5]列出的早期防火試驗使用的燃燒器有Lennox OB-32、Carlin 200 CRD、Stewart-Warner model HPR 250、Stewart-Warner model HPR 600和FAA防火試驗手冊《aircraft materials fire test handbook》[6]第11章指定的Park DPL 3400油燃燒器。早期油燃燒器由于火焰穩(wěn)定性較差等因素逐漸停產。在不斷研究和改進下,FAA研制出了新一代油燃燒器,即NexGen油燃燒器,又稱Sonic油燃燒器[7]。NexGen油燃燒器逐漸成為唯一在生產的用于防火試驗的燃燒器。對于防火試驗的研究主要有試驗與數(shù)值模擬兩種方式。KAO[8]通過試驗研究NexGen燃燒器的特征,并調整燃燒器使之滿足規(guī)章要求,同時還研究了測溫熱電偶尺寸、試樣尺寸對測試結果的影響。白杰等[9]研究不同湍流模型對NexGen燃燒器出口流場模擬結果的影響,選出一種適用于防火試驗數(shù)值模擬的湍流模型。王偉等[10]采用數(shù)值模擬軟件對NexGen燃燒器火焰進行模擬,分析相同空氣流量不同燃油流量下燃燒器的火焰特征。但已有研究對于NexGen油燃燒器火焰溫度特性的試驗研究略顯不足,導致數(shù)值仿真結果沒有數(shù)據(jù)佐證,不利于相關研究的發(fā)展。

因此,筆者對比分析NexGen油燃燒器與Carlin 200 CRD油燃燒器結構與溫度分布;改變燃油壓力、空氣壓力,研究燃油流量、空氣流量對NexGen油燃燒器火焰特性的影響;在防火試驗典型燃油空氣參數(shù)(空氣壓力為40～60 psi,燃油流量2 gal/h)條件下,研究測試NexGen油燃燒器火焰不同區(qū)域的溫度場,以期為NexGen油燃燒器數(shù)值模擬提供直接的數(shù)據(jù)支持,為艙內材料、動力裝置的防火耐火設計提供參考。

1 油燃燒器特征對比

1.1 結構對比

老一代油燃燒器(以Carlin 200 CRD油燃燒器為例)為風機一體式,油燃燒器槍體末端配置電機和風輪,通過通風管內部空氣分配結構分散空氣流向并輸送至燃燒筒內,空氣流量通過進氣道開口度進行控制。燃油通過泵和過濾器輸送到燃燒器燃油導管和燃油噴嘴。NexGen油燃燒器由槍體、燃油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)三大部分組成。燃油系統(tǒng)由油箱、燃油泵、電磁閥、壓力表、燃油噴嘴和控制系統(tǒng)等組成。燃油泵向燃油噴嘴提供一定壓力,從而產生一定的燃油流量。空氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、壓力調節(jié)閥、音速節(jié)流器、紊流器和定片等組成,一定壓力的空氣在音速節(jié)流器下游產生恒定的空氣流量。

老一代油燃燒器結構相對簡易,使用環(huán)境無特殊要求,可方便更換工作環(huán)境,但空氣、燃油的溫度與壓力等參數(shù)因實驗室的條件而異,影響因素較多,火焰穩(wěn)定性差。NexGen油燃燒器輔助設備較多,對實驗室配套設施要求較高,燃燒器移動使用較為麻煩。但其對空氣和燃油控溫處理,保證了各種試驗環(huán)境下參數(shù)的一致性,火焰穩(wěn)定性較好。

1.2 兩種燃燒器火焰溫度對比

按照FAA防火試驗手冊中關于火焰校準的方法,采用有7根K型鎧裝熱電偶耙(規(guī)格為Φ1.6 mm)測量Carlin 200 CRD油燃燒器(風速為1 800 ft/min)與NexGen油燃燒器(空氣壓力為45 psi)在2 gal/h燃油流量下的火焰溫度,燃燒器均為水平方向,熱電偶耙距離燃燒筒出口面為4 in,結果如圖1所示。

圖1 兩代油燃燒器在2 gal/h燃油流量下的火焰溫度

從圖1可以看出,Carlin 200 CRD油燃燒器火焰分布不均勻,3號和5號熱電偶測點位置出現(xiàn)明顯低溫區(qū)。NexGen油燃燒器火焰分布較為均勻,火焰左側溫度略微偏高,中間和右側溫度均勻,未出現(xiàn)明顯低溫區(qū)。NexGen油燃燒器配置的音速節(jié)流器可以控制入口壓力,在下游得到與入口壓力成正比的穩(wěn)定空氣流量[11],且由紊流器和定片組成穩(wěn)定的空氣分配結構進一步保證空氣分配的均勻性[12],因此其火焰狀態(tài)更為穩(wěn)定,各測點位置的火焰溫度更均勻,具有更穩(wěn)定的火焰溫度特性。

2 燃油流量對NexGen燃燒器火焰特性影響

油燃燒器的火焰由空氣和燃油油霧混合點火產生。燃油在一定的壓力條件下,通過噴嘴霧化,混合空氣遇點火源發(fā)生燃燒。選取垂直狀態(tài)的NexGen油燃燒器為對象,研究燃油壓力對NexGen油燃燒器火焰特性的影響。試驗選取燃料為符合GB 6537—2018的三號噴氣燃料(即航空煤油),燃油噴嘴為Delavan 2.0、80°W型。測溫所用熱電偶為K型鎧裝熱電偶,規(guī)格為Φ1.6 mm。

油燃燒器通過燃油齒輪泵供油,燃油流量與燃油噴嘴類型和燃油壓力密切相關。由于流體在管道中流動會產生沿程損失和局部損失,且每個油燃燒器的管路長短和彎道均有差異,諸多因素均會導致理論流量與實際流量有一定的偏差。因此,有必要對特定型號的燃油噴嘴進行實際流量測量。試驗所選燃油噴嘴(型號為Delavan 2.0、80°W)在一定燃油壓力范圍內燃油流量實測值如表1所示。

表1 噴嘴在不同壓力下的燃油流量

將NexGen油燃燒器空氣壓力設置為45 psi,選擇典型的燃油壓力范圍100～150 psi進行火焰校準,不同油壓下的火焰特性如圖2所示。從圖2(b)可以看出,隨著燃油壓力的增加,火焰更加飽滿明亮,火焰長度也逐漸增長。從圖2(b)和圖2(c)可以看出,隨著燃油壓力的增大,每支熱電偶溫度、火焰平均溫度和熱流值均隨之增加,即NexGen油燃燒器在典型的空氣壓力下,在100～150 psi燃油壓力范圍內,燃油流量與火焰溫度、熱流值呈正相關關系。

圖2 NexGen燃燒器在不同燃油壓力下的火焰特性

3 空氣流量對燃燒器火焰溫度影響

油燃燒需要空氣中的氧氣,油燃燒器入口空氣流量越大,可供燃燒反應的氧氣量越足,但空氣也會帶走部分火焰熱量。此外,油燃燒器的空氣分配結構均為機械式組合,其相互位置關系(包括燃燒器的方向)對空氣流向和油氣混合效果均有一定影響。選取垂直和水平狀態(tài)下的Carlin 200 CRD油燃燒器與NexGen油燃燒器,對比分析空氣流量對燃燒器火焰特性的影響。

垂直和水平狀態(tài)下Carlin 200 CRD油燃燒器火焰平均溫度與燃油壓力和入口風速的變化關系如圖3所示,可知垂直狀態(tài)下,風速為1 500～2 400 ft/min時,火焰平均溫度隨燃油壓力的增加而降低;風速為2 400～3 000 ft/min時,火焰溫度隨風速的增加變化不大;風速為3 000～3 300 ft/min時,火焰溫度隨著風速的增加略微下降。水平狀態(tài)下,油燃燒器火焰溫度隨著風速的增加先增大(風速1 500～2 400 ft/min)后趨平(風速2 400～3 000 ft/min),最后略微下降(風速2 400～3 000 ft/min)。隨著燃油壓力的增加,在整個風速范圍內,火焰溫度均不斷增加。Carlin 200 CRD燃燒器在較高燃油壓力(125 psi、150 psi、175 psi)下,風速在1 500～2 400 ft/min范圍內,火焰溫度偏低,火焰穩(wěn)定性較差。風速在2 400～3 000 ft/min范圍內火焰溫度不隨風速增加而變化,火焰穩(wěn)定性較好。

圖3 不同風速、燃油壓力下Carlin 200 CRD油燃燒器火焰平均溫度

垂直和水平狀態(tài)下NexGen油燃燒器火焰平均溫度與燃油壓力和入口風速的變化關系如圖4所示,可以看出NexGen油燃燒器不論是垂直方向還是水平方向,在一定空氣壓力范圍內,火焰平均溫度均隨空氣壓力增大而降低。在相同空氣壓力條件下,燃油壓力與火焰平均溫度呈正相關關系,與前文結論相符。

圖4 不同空氣壓力、燃油壓力下NexGen油燃燒器火焰平均溫度

以上兩代油燃燒器的火焰特性顯示,NexGen油燃燒器火焰穩(wěn)定性和規(guī)律性優(yōu)于Carlin 200 CRD油燃燒器。為深入研究NexGen油燃燒器的火焰特性,選取垂直放置NexGen油燃燒器,在空氣壓力為40～60 psi、燃油流量為2 gal/h(即燃油壓力為125 psi)情況下進行火焰校準,不同空氣壓力下對應的火焰形態(tài)和火焰溫度如圖5所示。由圖5可知,隨著空氣壓力的增加,火焰明亮度略微增加,火焰長度逐漸減小。在40～60 psi空氣壓力范圍內,隨著空氣壓力的增大,火焰平均溫度逐漸降低。

圖5 NexGen油燃燒器在不同空氣壓力下的火焰形態(tài)和火焰溫度

4 NexGen燃燒器火焰溫度分布

在防火耐火試驗過程中,受試件整個暴露在油燃燒器火焰內。受試件可能包含密封組件、承載結構或其他防火耐火薄弱結構,了解其在火焰中受溫情況對于整個結構的防火耐火設計有著重要意義。為直接測量燃燒器火焰溫度場,按照圖6所示設置熱電偶測點,并在距離燃燒筒出口2 in、4 in和6 in位置平面處測量NexGen油燃燒器火焰溫度。調節(jié)燃油壓力為125 psi(燃油流量2 gal/h),空氣壓力為45 psi,測量得到垂直和水平狀態(tài)下燃燒器火焰3個平面的溫度分布云圖,如圖7～圖8所示。

圖6 熱電偶測點分布圖

圖7 垂直狀態(tài)時NexGen油燃燒器火焰溫度場云圖

圖8 水平狀態(tài)時NexGen油燃燒器火焰溫度場云圖

垂直狀態(tài)下,距離燃燒筒2 in位置處火焰溫度分布呈明顯環(huán)狀,外周溫度較高,火焰中部出現(xiàn)低溫區(qū)。距離燃燒筒4 in位置處溫度分布呈兩側高溫、中間低溫的狀態(tài)。距離燃燒筒6 in位置處溫度分布均勻飽滿。

水平狀態(tài)下,距離燃燒筒2 in位置處火焰溫度分布明顯呈單側偏移狀態(tài),火焰溫度均勻性較差。距離燃燒筒4 in位置處溫度分布均勻飽滿,呈左右對稱狀態(tài),由于浮升效應,火焰整體向上漂移。距離燃燒筒6 in位置處溫度分布均勻,火焰進一步向上漂移。

5 結論

(1)通過測量火焰溫度,研究了不同燃油流量、不同空氣流量下NexGen油燃燒器的火焰特性,發(fā)現(xiàn)NexGen油燃燒器配置的音速節(jié)流器及其穩(wěn)定的空氣分配結構使得火焰具有很好的均勻性與穩(wěn)定性。

(2)在100～150 psi燃油壓力范圍內,隨著燃油流量的增大,火焰平均溫度逐漸增大;在40～60 psi空氣壓力范圍內,隨著空氣流量的增大,火焰平均溫度逐漸減小。

(3)NexGen燃燒器垂直狀態(tài)下,距離燃燒筒6 in位置處溫度分布最為均勻飽滿;水平狀態(tài)下,距離燃燒筒4 in位置處溫度分布最為均勻飽滿。