高志剛,趙 明,陳養(yǎng)惠,姜波舟

（1. 西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072；2. 西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，西安 710021）

近年來，隨著氣候變化和環(huán)境污染等全球性環(huán)境問題的出現(xiàn)[1]，飛機(jī)的污染物排放問題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。為減少飛機(jī)的污染物排放，目前已經(jīng)研發(fā)出不同的燃燒技術(shù)。Wulff等[2]提出了可變幾何燃燒室、分段燃燒室、貧燃預(yù)混燃燒室、富燃-快淬-貧燃燃燒室（RQL）和催化燃燒室等燃燒器的概念。

在不損失性能和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，為了減少傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和未燃碳?xì)浠衔铮║HC）的排放，近幾十年來已經(jīng)提出了多種解決方案，其中一種便是采用可變幾何燃燒室。

可變幾何燃燒室是一種非傳統(tǒng)的技術(shù)，既可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放量，又可通過控制各個(gè)燃燒區(qū)域之間空氣的主動(dòng)分布來提高燃燒效率[3]?？刂迫紵覂?nèi)的氣流分布便可控制火焰溫度的能力，而火焰溫度在NOx的產(chǎn)生中起了重要作用，主要是依據(jù)NOx的澤爾多維奇（Zeldovich）機(jī)理（見圖1）。發(fā)動(dòng)機(jī)在較大功率下運(yùn)行時(shí)向主燃燒區(qū)供應(yīng)大量空氣，降低了主燃區(qū)溫度，從而減少了NOx的產(chǎn)生；發(fā)動(dòng)機(jī)在較低功率運(yùn)行時(shí)，更多空氣被引入到燃燒室的稀釋區(qū)，保持了足夠的溫度以實(shí)現(xiàn)低CO的排放。另外，具有控制燃燒計(jì)量能力的可變幾何燃燒室提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射極限并增強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)整體的可操作性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，其燃燒室的入口壓力、溫度、空氣流量和燃料流量等參數(shù)在不同的飛行狀態(tài)下都會(huì)發(fā)生顯著變化。傳統(tǒng)常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)，燃燒室的設(shè)計(jì)點(diǎn)為一定的大功率運(yùn)行狀態(tài)，其他狀態(tài)下燃燒室可能出現(xiàn)工作不穩(wěn)定、效率低等問題。因此不同工作條件下通過可變幾何的控制是保持燃燒室工作穩(wěn)定、可靠、有效和低排放的有效方法之一。

總體來說，可變幾何燃燒室最大的特點(diǎn)就是通過一些燃燒室內(nèi)重要位置結(jié)構(gòu)的改變，從而對(duì)進(jìn)入燃燒室的氣流進(jìn)行靈活的分配，使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何飛行狀態(tài)下都能發(fā)揮最佳的性能，如在低功率運(yùn)行條件下提高燃燒室的燃燒效率，在不降低燃燒性能的同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空熄火時(shí)提高重新點(diǎn)火[4]的能力等。

就目前所知，可變幾何燃燒室大致可分4類：（1）在燃燒室頭部加一個(gè)可變幾何氣流分配器，可對(duì)進(jìn)入火焰筒和環(huán)腔的氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)；（2）火焰筒頭部的旋流器可以控制火焰筒內(nèi)的火焰，葉片角度可以調(diào)整的旋流器可以在不同飛行狀態(tài)下更好地穩(wěn)定火焰；（3）火焰筒壁面上存在一些相對(duì)而言較大的進(jìn)氣孔，通過改變進(jìn)氣孔的面積來改變氣流的分配問題，如可變幾何摻混孔；（4）加力燃燒室中V型火焰穩(wěn)定器中葉片角度可以調(diào)整的可變幾何火焰穩(wěn)定器。本文對(duì)這4種可變幾何結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行著重介紹。

可變幾何氣流分配器

文獻(xiàn)[5]提出了擋流板可以轉(zhuǎn)動(dòng)的可變幾何燃燒室，其中由液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能驅(qū)動(dòng)氣流分配器向前或向后移動(dòng)，以改變橫截面積比，從而改變主燃區(qū)的空氣流量比，如圖2所示。氣流分配器位于燃燒室的上游，并且距離溫度最高的燃燒氣體較遠(yuǎn)。通過控制氣流分配進(jìn)而控制火焰溫度、燃燒的穩(wěn)定性和燃燒室的排放物。

關(guān)于可變幾何燃燒室控制問題，Li等[5]提出了兩種方案：

圖1 主燃區(qū)溫度對(duì)CO和NOx排放的影響Fig.1 Effect of main combustion zone temperature on CO and NOx emissions

圖2 可變幾何氣流分配器燃燒室工作原理Fig.2 Working principle of variable geometry airflow splitter combustion chamber

方案A：如圖3所示，控制系統(tǒng)的起點(diǎn)是引入火焰溫度預(yù)測(cè)器并將燃燒室主燃區(qū)中的火焰溫度控制在設(shè)定值。燃燒室的入口壓力、溫度、質(zhì)量流量、燃料流量和燃燒室的幾何參數(shù)可以充分預(yù)測(cè)主燃區(qū)的火焰溫度[6]。通常對(duì)貧燃低排放燃燒室而言，最好的火焰溫度范圍在1900～2300K之間。在該范圍內(nèi)，較高的火焰溫度會(huì)造成NOx排放增加，較低的火焰溫度會(huì)造成熄火或者不穩(wěn)定燃燒?？刂凭纫蕾囉谙嚓P(guān)燃燒室參數(shù)的精確測(cè)量和火焰溫度的預(yù)測(cè)。這種控制方案的缺點(diǎn)是該控制系統(tǒng)可能使燃燒室的設(shè)計(jì)和制造變得更加復(fù)雜，并且由于存在許多傳感器和火焰溫度預(yù)測(cè)器，需要更多的關(guān)注其可靠性。同時(shí)，精確測(cè)量燃燒室內(nèi)空氣流速也很困難。

方案B：如圖4所示，由于上述幾個(gè)參數(shù)測(cè)量時(shí)存在較大的誤差，可以通過其他與火焰溫度有關(guān)系的控制參數(shù)來推導(dǎo)出另一種比較簡(jiǎn)單的控制方案。由試驗(yàn)可知，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)改變功率時(shí)，主燃區(qū)中為保持火焰溫度恒定所需流體流速大致與流進(jìn)燃燒室的燃油速率成正比?？紤]到環(huán)境和運(yùn)行條件的廣泛性，選擇無量綱燃油流量作為間接控制參數(shù)，建立了一個(gè)通過控制燃油流速來控制燃燒室內(nèi)火焰溫度的控制系統(tǒng)。這種空氣分配器可調(diào)整的可變幾何燃燒室在最大工作狀態(tài)下顯著降低了NOx的排放，在較小的工作狀態(tài)下可以減少CO和未燃碳?xì)浠衔铮║HC）的排放，并且燃燒室的燃燒效率和穩(wěn)定性可以在低運(yùn)行條件下得到改善。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、工作范圍廣泛，所以氣流分配器有時(shí)可能必須移動(dòng)到極限位置來滿足控制目標(biāo)，但這可能導(dǎo)致燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的嚴(yán)重變形，并導(dǎo)致大的壓力損失，還可能導(dǎo)致冷卻空氣的量遠(yuǎn)離其設(shè)計(jì)值，從而大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工作壽命。因此，在試驗(yàn)中采用了圓周燃料分級(jí)的辦法，以減少氣流分配器的移動(dòng)范圍。

可變幾何旋流器

燃燒室頭部的旋流器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的一個(gè)非常重要的部件，又叫渦流器，其工作性能會(huì)直接影響燃燒室的性能。在進(jìn)入燃燒室的空氣中，大約5%～10%的空氣從旋流器進(jìn)入火焰筒，由于旋流器的作用在燃燒室內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的回流區(qū)，實(shí)現(xiàn)了火焰穩(wěn)定和放熱速度的提高，從而使旋流器成為控制火焰的一種手段[7]。實(shí)現(xiàn)燃料、空氣混合物的均勻性以及減少NOx排放的關(guān)鍵取決于主流量結(jié)構(gòu)的旋流流場(chǎng)和燃油分布的匹配。

1 葉片角度可變的雙級(jí)軸向旋流器

Eldrainy等[8]提出了一種可用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和工業(yè)燃燒室的具有可變幾何的新型旋流器，其設(shè)計(jì)了一個(gè)可以改變旋流器葉片角度的裝置來控制葉片角度，并使用大渦模擬（LES）探索研究了旋流器下游的流體動(dòng)力學(xué)。試驗(yàn)結(jié)果表明新的旋流器產(chǎn)生了旋流火焰穩(wěn)定所必須的中心再循環(huán)區(qū)域和Rankine渦結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)中引入了可變幾何多級(jí)軸向旋流器，其能夠通過圖5所示的新機(jī)構(gòu)產(chǎn)生同向和反向流。旋流器為雙級(jí)軸向旋流器，其中第一級(jí)旋流器的葉片是固定不動(dòng)的，是具有8個(gè)角度為45°的平板葉片；第二級(jí)旋流器的葉片的角度是可以改變的。為了使第二級(jí)旋流器葉片角度旋轉(zhuǎn)，葉片安裝在八邊形截面通道內(nèi)，使得葉片端部的外表面和內(nèi)表面的接觸無縫隙，通過這種裝置可以實(shí)現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)的噴射流。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于改變旋流器葉片的角度，它由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，一個(gè)控制著奇數(shù)編號(hào)的葉片旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)控制著偶數(shù)葉片。該機(jī)構(gòu)可以確保所有葉片都沿相同方向旋轉(zhuǎn)，上端電機(jī)驅(qū)動(dòng)奇數(shù)葉片的旋轉(zhuǎn)，偶數(shù)葉片與上端電機(jī)無關(guān)，由下端電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖5展示了葉片旋轉(zhuǎn)的機(jī)理。

圖3 控制方案AFig.3 Control scheme A

圖4 控制方案BFig. 4 Control scheme B

圖5 可變幾何旋流器葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理Fig.5 Rotation mechanism of variable geometry cyclone blades

該旋流燃燒試驗(yàn)的結(jié)果表明，經(jīng)過旋流器進(jìn)入的空氣與燃料充分混合是實(shí)現(xiàn)低NOx排放的有效方式。Gupta等[9-10]運(yùn)用可變幾何旋流器來控制燃燒室頭部區(qū)域的初始燃料-空氣混合和火焰的結(jié)構(gòu)，表明通過旋流器配置和操作參數(shù)的小變化可以獲得NOx排放水平的顯著變化。一個(gè)具有預(yù)混火焰的旋流燃燒室的溫度場(chǎng)表明，與反向旋流相比，同向旋流燃燒的火焰具有寬而長(zhǎng)的低溫波動(dòng)區(qū)域。對(duì)于預(yù)混燃燒而言，雖然反向旋流器會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切層從而形成強(qiáng)烈的湍流場(chǎng)，但反向旋流產(chǎn)生更加緊湊的火焰、更低的溫度場(chǎng)和更少的NOx的排放。

2 可伸縮多同心環(huán)可變幾何燃燒室

文獻(xiàn)[11]提出了可伸縮多同心環(huán)燃燒室形式的可變幾何旋流燃燒室（VGC），其利用的原理是：在湍流條件下，可以通過匹配反應(yīng)物濃度的方式來控制體積放熱速率，使得高燃料濃度區(qū)域與流動(dòng)中的大剪切應(yīng)力區(qū)域重疊。

圖6為研究中使用的VGC的示意圖，其結(jié)構(gòu)是具有擴(kuò)散火焰裝置的5個(gè)同心環(huán)可變幾何旋流燃燒室。

圖6 可伸縮多同心環(huán)可變幾何旋流燃燒室示意圖Fig.6 Schematic diagram of a scalable multi-concentric ring variable geometry swirl chamber

該可變幾何旋流燃燒室的5個(gè)同心環(huán)可伸縮，在給出的結(jié)果中，可以通過同心環(huán)1（最內(nèi)側(cè)）和（或）同心環(huán)3噴射燃料。該試驗(yàn)中使用的是商用天然氣，通過同心環(huán)1引入，并通過使用不同形式的燃油噴嘴噴射到燃燒器中。氣體燃料的噴射角度沿流體流動(dòng)的方向從0°遞增變化到 45°、60°、90°，通過所需角度的噴嘴安裝在同心環(huán)1的出口。并使用氣體流量計(jì)監(jiān)測(cè)通過每個(gè)同心環(huán)的流速，每個(gè)同心環(huán)的旋流角度的控制范圍為 0°～75°，從而通過同時(shí)旋轉(zhuǎn)每個(gè)環(huán)中的旋流葉片來實(shí)現(xiàn)同向和反向旋轉(zhuǎn)布置。因此可以通過改變渦流的靈活性提供了改變?nèi)紵抑袦u流的徑向分布能力。同時(shí)為了從給定的幾何平面獲得排放水平的測(cè)量數(shù)據(jù)，最外環(huán)與燃燒室出口的延伸部分連在一起。

文獻(xiàn)[11]中試驗(yàn)結(jié)果表明燃燒室?guī)缀涡螤睢u流強(qiáng)度、燃油噴射器等幾何形狀和輸入?yún)?shù)對(duì)油氣混合、燃燒過程以及污染物的排放有著顯著影響。這種新設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是由渦流產(chǎn)生的離心力將高溫燃燒氣體朝著燃燒室中心移動(dòng)，形成一個(gè)穩(wěn)定的回流區(qū)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更好的油氣混合、更高的燃燒效率、低排放水平以及燃燒室較低的壓降。特別是流動(dòng)狀態(tài)和燃燒室的幾何形狀，產(chǎn)生了非常低的NOx的排放水平。結(jié)果表明，使用該可變幾何燃燒室在所有飛行狀態(tài)下可以達(dá)到非常低的NOx排放水平以及高的燃燒效率。所以該裝置在燃?xì)鉁u輪中的應(yīng)用具有非常大的潛力。

可變幾何摻混孔

燃燒室出口是渦輪的入口，燃燒室出口的溫度分布對(duì)渦輪有著很大的影響，也是燃燒室重要的性能指標(biāo)之一[12]。同時(shí)，摻混區(qū)對(duì)燃燒室出口溫度的分布有著極大的影響，若摻混區(qū)設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致高溫，導(dǎo)致渦輪葉片穩(wěn)步分布不合理，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，甚至降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

文獻(xiàn)[13]研究的對(duì)象是微型燃?xì)廨啓C(jī)GTM-120，主要用作無人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)。其提出的可變幾何燃燒室是GTM-120燃燒室的改型?？勺儙缀稳紵业南敕ㄊ腔诟淖儞交炜椎倪M(jìn)氣量來實(shí)現(xiàn)的。在該燃燒室后段的第一排摻混孔上安裝一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的套環(huán)，套環(huán)上有和摻混孔一樣的開孔（見圖7）。該套環(huán)可以圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)，可以覆蓋摻混孔面積的一部分，從而減少供應(yīng)到摻混區(qū)的空氣量。該套環(huán)最大允許5.5°的旋轉(zhuǎn)角度，這樣可以覆蓋掉高達(dá)86%的摻混孔面積。

圖7 可變幾何摻混孔示意圖Fig.7 Schematic diagram of variable geometry dilution holes

理論研究結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。新型燃燒室與標(biāo)準(zhǔn)幾何的燃燒室相比，可變幾何燃燒室NOx的排放減少了40%以上，CO排放量減少50%。兩者在性能和減排方面都顯示出可變幾何燃燒室的顯著優(yōu)點(diǎn)。

可變幾何火焰穩(wěn)定器

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于可變幾何燃燒室的研究還不是很多，其中的一項(xiàng)是柳楊等[14-15]研究的可變幾何火焰穩(wěn)定器。

V型火焰穩(wěn)定器是基于鈍體穩(wěn)焰原理，高速氣體通過火焰穩(wěn)定器后形成低速回流區(qū)用以穩(wěn)定火焰，但與此同時(shí)也帶來了比較大的流動(dòng)損失。在衡量?jī)烧咧g的得失方面，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。

基于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的V型火焰穩(wěn)定器，設(shè)計(jì)了可變幾何火焰穩(wěn)定器，并對(duì)新型的火焰穩(wěn)定器進(jìn)行了數(shù)值模擬，在二元燃燒試驗(yàn)臺(tái)上研究了該火焰穩(wěn)定器在不同工況下的燃燒效率、出口溫度分布和火焰穩(wěn)定幾何形狀之間的關(guān)系。該可變幾何火焰穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)（見圖8）由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、安裝座、噴油桿、整流罩和可活動(dòng)的葉片5部分組成，火焰穩(wěn)定器的葉片可繞O1和O2軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其葉片尾端之間距離在4～48mm的范圍內(nèi)變化。此外還對(duì)可變幾何穩(wěn)定器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了程序化設(shè)計(jì)，通過軟件將葉片要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度準(zhǔn)確傳達(dá)給步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)葉片的精確控制。其控制原理如圖9所示。

圖8 可變幾何火焰穩(wěn)定器機(jī)構(gòu)及其變化原理Fig.8 Mechanism and principle of variable geometric flame-holder

圖9 可變幾何火焰穩(wěn)定器控制原理圖Fig.9 Schematic diagram of variable geometric flame-holder control

結(jié)論

可變幾何燃燒室目前還處于研發(fā)階段，還存在許多問題有待解決：（1）由于燃燒室內(nèi)或者靠近燃燒室的結(jié)構(gòu)所處的溫度高，可變幾何結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形、燒蝕等問題，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行性能；（2）燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分布復(fù)雜，且燃燒室內(nèi)還要進(jìn)行燃料燃燒反應(yīng)，使燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)變得更加難以預(yù)測(cè)，要想通過可變幾何結(jié)構(gòu)精確地控制燃燒室的流場(chǎng)分布也變得更加困難，需要通過大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)去驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)的可靠性、實(shí)用性等；（3）可變幾何燃燒室涉及的學(xué)科多，且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引入可變幾何結(jié)構(gòu)肯定會(huì)引入更加復(fù)雜的機(jī)械以及控制問題，實(shí)施起來技術(shù)要求高、難度大。所以可變幾何燃燒室要應(yīng)用在工程上還需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。

雖然目前可變幾何燃燒室的技術(shù)尚未應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，但可變幾何燃燒室具有巨大的發(fā)展前景，特別是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的進(jìn)一步提升、污染物排放量的進(jìn)一步減少和高空熄火后重新點(diǎn)火都具有重大意義。

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