徐興平，張孝春，游慶江，高家春

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

0 引言

熱射流點火是加力燃燒室的1種點火方式。其基本原理是在主燃燒室的后部，利用1個直流噴嘴噴入1股定量燃油，燃油穿過渦輪的同時，進行霧化蒸發(fā)與周圍燃氣摻混，并點燃成火炬。熱射流點火方式在國外的航空發(fā)動機上已經(jīng)成功應(yīng)用了很長時間，點火穩(wěn)定而且成功率高，但是在國內(nèi)還是1種新的點火方式。關(guān)于熱射流點火方式的深入研究文獻極少，有必要對其展開基礎(chǔ)性理論和應(yīng)用研究。此外，隨著加力式渦扇發(fā)動機的發(fā)展，渦輪后溫度不斷提高，已經(jīng)接近甚至超過1300K，在這樣的高溫氣流中噴油，噴嘴口處燃油極有可能“自燃”，可能影響油珠在氣流中的穿透深度，從而影響油珠蒸發(fā)率和燃油濃度分布，甚至?xí)苽鹧娣€(wěn)定器。Colket和Spadaccini的研究表明，渦輪出口溫度達到1300K后，燃油自燃時間少于1ms[1]。如果按此自燃時間指導(dǎo)加力燃燒室設(shè)計，傳統(tǒng)的設(shè)計理念將很大程度上失去指導(dǎo)意義。因此為掌握燃油“自燃”規(guī)律，避免“自燃”的不利影響，已經(jīng)成為新型加力燃燒室設(shè)計必須解決的問題。

本文通過模擬試驗開展燃油在高溫高速氣流中著火的研究，給出燃油在高溫高速氣流中自燃延遲時間與燃氣流動速度、燃氣溫度、噴油量等的關(guān)系，為航空發(fā)動機加力燃燒室的熱射流點火系統(tǒng)和供油系統(tǒng)設(shè)計等提供初步的試驗依據(jù)。

1 試驗設(shè)備

高溫高速氣流的模擬通過如圖1所示的試驗設(shè)備實現(xiàn)。試驗設(shè)備上安裝了輔助加溫器和引射器可以模擬加力燃燒室高溫低壓的高空進氣條件。試驗段是180mm×150mm的矩形通道，前方設(shè)置前測量段，后方設(shè)置后測量段。前測量段有1支5點總壓測量耙、1支5點總溫測量耙和3點靜壓測量座，后測量段有3支5點總壓測量耙、3支5點總溫測量耙和2點靜壓測量座。通過電動、液壓、循環(huán)噴油的定量調(diào)節(jié)器向直射噴嘴提供瞬時高壓燃油。自燃延遲距離示意圖如圖2所示。

圖1 試驗設(shè)備

圖2 自燃延遲距離

2 試驗狀態(tài)

試驗狀態(tài)參數(shù)見表1。

表1 試驗狀態(tài)參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 自燃延遲距離與氣流流動速度的關(guān)系

在狀態(tài)2下進行改變氣流速度系數(shù)的試驗。結(jié)果顯示：在所模擬的范圍內(nèi)氣流流動速度系數(shù)對自燃延遲距離的影響比較明顯，隨氣流流動速度的增大，自燃延遲距離增加，如圖3所示。其原因是：油珠在氣流中完成霧化、蒸發(fā)過程需要一定的時間t。試驗中溫度、壓力、噴嘴形式、噴油壓力等因素都不變，所以不會影響t；又因為噴油方向接近順噴，氣流速度的增大對霧化效果影響??；因此氣流速度增大后，油珠隨氣流完成霧化、蒸發(fā)過程所移動的距離增加。在曲線左端，隨著速度不斷減小，燃氣流量減小，紊流度減小，燃氣與燃油傳熱傳質(zhì)的能力降低，削弱了因燃氣速度減小而使與燃油傳熱傳質(zhì)的時間增加的增益，結(jié)果使左端曲線變得緩和；同樣，隨著速度的增大，燃氣流量增加，紊流度增大，燃氣與燃油傳熱傳質(zhì)的能力提高，削弱了因燃氣速度增大而使與燃油傳熱傳質(zhì)的時間減少的損失，結(jié)果使右端曲線變得緩和。

圖3 在狀態(tài)2下變速度系數(shù)曲線

3.2 自燃延遲距離與燃氣溫度的關(guān)系

在狀態(tài)1下進行改變氣流溫度（分別為1120、1160、1173K）的試驗。

試驗結(jié)果表明：當(dāng)氣流溫度升高到1160K才能使燃油自燃，而且隨溫度的升高自燃延遲距離縮短。試驗中氣流溫度提高到1173K，相當(dāng)于氣流溫度升高了13K，自燃延遲距離縮短了21%～43%，可見氣流溫度對自燃延遲距離的影響比較大。如圖4所示。其原因是溫度的升高，加快了油珠的蒸發(fā)速度，縮短了自燃延遲距離。

圖4 自燃延遲距離隨溫度變化比較曲線

3.3 自燃延遲距離與射油壓力的關(guān)系

如圖4所示的試驗結(jié)果顯示：在試驗?zāi)M范圍內(nèi)自燃延遲距離隨射油壓力增大而縮短或基本保持不變。其原因為當(dāng)射油壓力小時，燃油霧化效果差，不利于自燃，但是燃油流量小，燃油受熱蒸發(fā)速度快，有利于自燃；當(dāng)射油壓力大時，燃油霧化效果好，有利于自燃，但同時相當(dāng)于增加了油量，會使氣流溫度降低得多，又使蒸發(fā)變慢，不利于自燃。因此對應(yīng)同一狀態(tài)，應(yīng)該存在1個最佳射油壓力使自燃延遲距離和延遲時間最短。但是在本試驗中由于射油壓力的調(diào)整范圍有限，尚未得出充分結(jié)論，有待進一步試驗研究。

3.4 自燃延遲時間和來流溫度的關(guān)系

從Colket和Spadaccini的研究中得知，在高性能發(fā)動機中，渦輪出口溫度最高能超過1300K，在此高溫下的燃油自燃時間少于1ms[1]，如圖5所示。А.В.Кудрявцев 對噴嘴霧化的液態(tài)燃油自燃特點進行研究，結(jié)果表明，在新一代發(fā)動機燃氣溫度范圍（約1400K）內(nèi)，自燃延遲時間t 隨溫度的升高而縮短的比氣體混氣自燃的經(jīng)典研究結(jié)果慢，因為在該溫度范圍內(nèi)油滴的蒸發(fā)時間、霧化錐內(nèi)油滴尺寸分布成為自燃的決定因素[2]，如圖6所示。L 為自燃延遲距離，氣流速度由公式t=L/v，可將圖4中L 換算為t，結(jié)果見表2。將試驗結(jié)果添加到圖5、6中可見，本次試驗結(jié)果和國外所做同類試驗的結(jié)果非常接近。2個國外的試驗結(jié)果都只給出了氣流的溫度，而燃油溫度、噴嘴形式、氣流壓力、氣流速度等的差異都會導(dǎo)致結(jié)果的不同，所以試驗結(jié)果略有差異。

圖5 自燃延遲時間和來流溫度的關(guān)系[1]

圖6 自燃延遲時間和來流溫度的關(guān)系[2]

表2 在不同來流溫度下的自燃延遲時間

4 結(jié)論

經(jīng)過對試驗結(jié)果的綜合對比，可以得出如下結(jié)論：

（1）氣流溫度對自燃的影響較大，在本次試驗?zāi)M的范圍內(nèi)氣流溫度低于1160K時，幾乎不會自燃，而溫度達到1160K后就肯定自燃；

（2）氣流壓力、氣流速度等對自燃的影響在本次試驗?zāi)M的范圍內(nèi)不是很明顯；

（3）氣流溫度、壓力的升高使自燃延遲距離和延遲時間減小，氣流速度的增大使自燃延遲距離增加；

（4）應(yīng)存在1個最佳射油壓力使自燃延遲距離和延遲時間最短，在本試驗中由于射油壓力的調(diào)整范圍有限，尚未得出充分結(jié)論，不同射油壓力下的自燃延遲時間有待進行進一步試驗研究。

[1]Lovett J A,Brogan T P,Philippona D S,et al.Development needs for advanced afterburner designs[R].AIAA-2004-4192.

[2]張孝春，付藻群，陸飛.旁路式、長明燈兩相加力點火系統(tǒng)的研制[J].航空發(fā)動機，2002，28（4）：1-4.ZHANG Xiaochun,FU Zaoqun,LU Fei.Development of side-mounted,all time and two-phase ignition system for afterburner[J].Aeroengine,2002，28（4）：1-4.(in Chinese)

[3]LU Tianfeng，Law Chung K.A directed relation graph method for mechanism reduction[J].Proceeding of the Combustion Institute，2005,30:1333-1341.

[4]LU Tianfeng，Law Chung K.Strategies for mechanism reduction for large hydrocarbons:n-heptane[J].Combustion and Flame，2008,154:153-163.

[5]Lin SP,Reitz R D.Drop and spray formation from a liquid jet[J].Annu Rev Fluid Mech，1998,30：85-105.

[6]Reitz R D,Bracco F V.Mechanism of atomization of a liquid jet[J].Physics of Fluids，1982,25:1730-1742.

[7]Tanner F X.Liquid jet atomization and droplet breakup modeling of none-vaporating diesel fuel sprays [R].SAE 970050,1997.

[8]Taylor A M K P,Whitelaw J H.Velocity characteristics in the turbulent near wakes of confined axisymmetric bluff bodies[J].Fluid Mech,1984,139:391-416.

[9]Raffoul C N,Nejad A S,Gould R D,et al.An experiment and numerical study of the isothermal flow field behind a bluff body flame holder[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,Transaction of the ASME,1997,119:328-339.

[10]Raffoul C N,Nejad A S,Spring SA,et al.Entrainment and mixing characteristics of bluff body flame holders an experimental and numerical study[R].AIAA-94-0710.

[11]程秋芳.渦扇發(fā)動機加力燃燒室的軟點火[J].航空發(fā)動機，1994，20（4）:22-27.CHENG Qiufang.Softignition of turbofan engine afterburner[J].Aeroengine,1994，20（4）:22-27.(in Chinese)

[12]Hossainpour S,Binesh A R.Investigation of fuel spray atomization in a DI heavy-duty diesel engine and comparison of various spray breakup models[J].Fuel，2009,88:799-805.

[13]Raju M S.Numerical investigation of various atomization models in the modeling of a spray flame[R].AIAA-2006-0176.

[14]Hongsuk K,Nakwon S.The effect of ambient pressure on the evaporation of a single droplet and a spray[J].Combustion and Flame，2003,135：261-270.

[15]Lin SP,Kang D J.Atomization of a liquid Jet[J].Physics of Fluids，1987,30：2000-2006.