于婷婷，朱 宇，杜 成，包東冉，田俊沖，王 慧

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中必不可少的部件之一，可靠點(diǎn)火及起動(dòng)、在寬廣工況范圍內(nèi)火焰穩(wěn)定和在慢車工況下急減油門不熄火是燃燒室設(shè)計(jì)的基本要求[1-3]。利用漩渦流動(dòng)形成回流區(qū)是燃燒室中穩(wěn)定火焰最有效的方法，同時(shí)，漩渦流動(dòng)能促進(jìn)燃油與空氣的混合。旋流的產(chǎn)生通常使用旋流器實(shí)現(xiàn)，目前對(duì)旋流器的研究已發(fā)展到多級(jí)旋流器配合工作，主燃區(qū)流場(chǎng)的調(diào)節(jié)和控制參數(shù)增多，燃油霧化和火焰筒內(nèi)部流場(chǎng)也變得復(fù)雜[4]。

雙環(huán)預(yù)混旋流（Twin Annular Premixing Swirler，TAPS）燃燒室是應(yīng)用3 級(jí)旋流器的典型代表，是1 種具有廣闊應(yīng)用前景的低污染燃燒室方案[5]。TAPS 燃燒室是GE 公司為CFM56-7、GE90 和GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的1 種低排放燃燒室[6-10]，其預(yù)燃級(jí)采用同向雙級(jí)旋流器將預(yù)燃級(jí)文氏管形成的油膜進(jìn)行霧化；主燃級(jí)采用1 個(gè)軸向或徑向旋流器，將主燃級(jí)燃油直接噴射到高速流過(guò)主燃級(jí)預(yù)混通道的氣體中，形成良好霧化后，與主燃級(jí)的空氣進(jìn)行混合后進(jìn)入燃燒區(qū)。通過(guò)主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)的配合以及燃燒室頭部各部件參數(shù)的調(diào)整，產(chǎn)生不同的旋流強(qiáng)度和流場(chǎng)，獲得不同的燃燒室特性。旋流數(shù)是1 個(gè)旋流器的切向力矩和軸向推力的比值，是表征漩渦流動(dòng)最重要的1 個(gè)參數(shù)[2]。Dinesh 等[11]通過(guò)計(jì)算得出旋流數(shù)對(duì)旋流器下游流場(chǎng)及燃燒性能有很大影響的結(jié)論。旋流器的葉片角度是影響旋流數(shù)的主要參數(shù)之一，對(duì)于組合旋流形式形成的旋流器下游旋流場(chǎng)，旋向組合是最大的影響因素[2]。劉愛(ài)虢等[6]就旋流器旋流角度對(duì)燃燒室特性的影響開(kāi)展了試驗(yàn)研究，研究表明,值班級(jí)旋流角增大，有利于點(diǎn)火特性的改善。除旋流器的影響外，燃燒室的流量分配比例也對(duì)其性能的好壞起到較大的影響，謝法等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在主燃孔總進(jìn)氣面積不變時(shí)，增加主燃孔的個(gè)數(shù)有利于拓寬貧熄邊界。

點(diǎn)火和熄火油氣比是判定燃燒室穩(wěn)定性的重要參數(shù)[13]。本文以TAPS 燃燒室為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究主燃級(jí)旋流器葉片角度、旋轉(zhuǎn)方向和多斜孔壁火焰筒冷卻孔的偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)對(duì)TAPS 燃燒室點(diǎn)、熄火性能的影響，以獲得燃燒室貧油點(diǎn)、熄火油氣比來(lái)考察燃燒室的穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)件方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對(duì)象為主要由預(yù)燃級(jí)雙旋流器、主燃級(jí)徑向旋流器、多斜孔壁火焰筒、機(jī)匣和點(diǎn)火器等組成的單頭部燃燒室。其中，預(yù)燃級(jí)雙旋流器均為軸流葉片旋流器，主燃級(jí)旋流器為徑向葉片旋流器。預(yù)燃級(jí)燃油噴射采用離心噴嘴，主燃級(jí)燃油采用多個(gè)小孔直接噴射。試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件如圖1 所示，燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

圖2 燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

研究中只改變主燃級(jí)旋流器和火焰筒冷卻孔的結(jié)構(gòu)，研究方案共12 個(gè)。包括盡量保持其他參數(shù)不變，通過(guò)改變旋流器葉片角度以改變旋流數(shù)的3 個(gè)方案；對(duì)應(yīng)3 個(gè)旋流數(shù)只改變旋流相對(duì)方向的3 個(gè)方案；改變火焰筒冷卻孔偏轉(zhuǎn)角的2 個(gè)方案分別對(duì)應(yīng)改變旋流器的6 個(gè)方案。

各研究方案的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。表中，SDM（Swirling Direction of Main Stage）為主燃級(jí)旋流器旋向（順航向）；SDP（Swirling Direction of Pilot Stage）為預(yù)燃級(jí)雙旋流器旋向（順航向）；α 為孔傾角；β 為偏轉(zhuǎn)角（順航向順時(shí)針為正）；Sn為旋流數(shù)；ΔSn為旋流數(shù)的變化量。

表1 試驗(yàn)件方案參數(shù)

旋流數(shù)的計(jì)算式為

式中：uV為氣流進(jìn)入切向通道時(shí)的流體速度；αV為葉片角度；bs為葉片寬度；hs為厚道高度；Reo為出口環(huán)形通道的外徑；Rei為出口環(huán)形通道的內(nèi)徑；Rsi為氣流進(jìn)入出口通道的平均入射半徑；n 為葉片數(shù)；U 為通道出口中心處的氣流軸向速度；Ae為出口環(huán)形通道面積；AV為葉片喉道面積。

從式（1）中可見(jiàn)，幾何結(jié)構(gòu)只改變主燃級(jí)旋流器的葉片角度αV時(shí)，除自身改變外還引起Rsi的改變，最終導(dǎo)致旋流數(shù)Sn的不同。

2 種火焰筒冷卻孔方案的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。2 種火焰筒除壁厚和冷卻孔的開(kāi)孔方向不同外，冷卻孔的孔徑、長(zhǎng)徑比、開(kāi)孔數(shù)量及開(kāi)孔位置等均相同。

圖3 火焰筒冷卻孔結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

地面點(diǎn)火和慢車貧油熄火試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、試驗(yàn)段、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)組成。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)閥、來(lái)氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、流量測(cè)量段等組成；試驗(yàn)段主要由前測(cè)量段、試驗(yàn)件、后測(cè)量段組成；排氣系統(tǒng)主要由噴水冷卻段、調(diào)節(jié)閥、引射排氣段和消音塔組成；燃油系統(tǒng)主要由儲(chǔ)油罐、油泵、進(jìn)油和回油油路、電磁閥、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器等組成；測(cè)試系統(tǒng)主要由采集和數(shù)據(jù)處理用計(jì)算機(jī)、1000A-TC、壓力掃描閥、壓差掃描閥、變送器等測(cè)試儀器組成。

在前測(cè)量段對(duì)稱布置2 支2 點(diǎn)的總壓受感部實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣總壓P*3的測(cè)量，測(cè)量精度為±0.5%，調(diào)節(jié)精度為±1%；在前測(cè)量段對(duì)稱布置2 支單點(diǎn)的T 偶溫度受感部（點(diǎn)火）/2 支單點(diǎn)的K 偶溫度受感部（熄火）實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣總溫T*3的測(cè)量，測(cè)量精度為±1.0%，調(diào)節(jié)精度為±5 K；進(jìn)氣流量W3采用標(biāo)準(zhǔn)流量孔板進(jìn)行測(cè)量，其中流量計(jì)算用的孔板前靜壓和孔板前、后壓差以及來(lái)流溫度的測(cè)量分別采用壓力掃描閥、壓差掃描閥和Pt100 溫度變送器完成，測(cè)量精度為±1.0%、調(diào)節(jié)精度為±3 g/s；燃油流量Wf的測(cè)量采用質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度為±0.5%、調(diào)節(jié)精度為±0.3 g/s；在后測(cè)量段正對(duì)燃燒室出口中心位置布置1 支單點(diǎn)S 偶總溫受感部實(shí)現(xiàn)出口燃?xì)鉁囟萒*4的測(cè)量，測(cè)量精度為±1.0%。

3 點(diǎn)火試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)表1 中1～12 號(hào)12 個(gè)試驗(yàn)件方案，給定燃燒室進(jìn)氣總壓、溫度和流量，采用先供油后點(diǎn)火的試驗(yàn)程序，通過(guò)逐步調(diào)整燃料流量的方法得到貧油點(diǎn)火邊界。在試驗(yàn)中，主油路不供油，僅副油路供油。

由于該燃燒室無(wú)單向控制活門，電磁閥到燃油噴嘴間的油路充滿即燃油穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證確定先供油6 s，其后點(diǎn)火器工作5 s，著火并穩(wěn)定燃燒21 s 后試驗(yàn)件開(kāi)始冷吹，冷吹至少30 s 待燃燒室冷卻至原始狀態(tài)后方可進(jìn)行下一輪點(diǎn)火，點(diǎn)火試驗(yàn)的每個(gè)工作過(guò)程均由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自動(dòng)控制，點(diǎn)火時(shí)序如圖5 所示。

圖5 點(diǎn)火試驗(yàn)PLC 時(shí)序設(shè)置

若燃燒室的溫升大于80 ℃，且點(diǎn)燃后火焰穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)20 s，視為單次點(diǎn)火成功。每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)3 次，若3 次試驗(yàn)均點(diǎn)火成功，則此狀態(tài)點(diǎn)為點(diǎn)火成功點(diǎn)；若3 次試驗(yàn)點(diǎn)火均未點(diǎn)火成功，則此狀態(tài)點(diǎn)為點(diǎn)火失敗點(diǎn)；其余情況為點(diǎn)火成功與失敗的過(guò)渡點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中，受設(shè)備調(diào)節(jié)精度的影響，每次點(diǎn)火試驗(yàn)的進(jìn)口參數(shù)存在一定偏差，為消除進(jìn)口參數(shù)不一致對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，通過(guò)Lefebvre 的貧油點(diǎn)火油氣比公式（式（2））中的氣動(dòng)參數(shù)項(xiàng)對(duì)點(diǎn)火油氣比進(jìn)行了修正[14-15]，將所有試驗(yàn)結(jié)果均?；吝M(jìn)口空氣總溫300 K，進(jìn)口空氣總壓110 kPa，進(jìn)口空氣流量分別為W3、1.2 W3、1.4 W3、1.6 W3、1.8 W3下的結(jié)果，便于對(duì)比分析。

式中：等號(hào)右邊第1 項(xiàng)包含通過(guò)某燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)得到的常數(shù)B（該數(shù)值取決于燃燒區(qū)域的幾何尺寸和混合特征，同時(shí)也取決于主燃區(qū)的空氣流量）和燃燒體積VC；第2 項(xiàng)代表燃燒室的工作狀態(tài)，只與燃燒室的進(jìn)口空氣質(zhì)量流量m˙、總壓P3和總溫T3有關(guān)；第3 項(xiàng)與燃料特性相關(guān)，包括平均液滴直徑Dr、有效蒸發(fā)常數(shù)λr和燃料的熱值Hr。

本文主要研究旋流器葉片角度、旋流方向和火焰筒開(kāi)孔方式對(duì)點(diǎn)熄火性能的影響，重點(diǎn)為點(diǎn)熄火邊界的變化趨勢(shì)，故邊界曲線的坐標(biāo)值以基準(zhǔn)值方式表示。W3和FAR分別是以某燃燒室進(jìn)氣流量和某油氣比為基準(zhǔn)繪制的邊界曲線。

燃燒室方案1～6 的地面點(diǎn)火邊界曲線如圖6所示。

從圖中可見(jiàn)，預(yù)燃級(jí)旋流器與主燃級(jí)旋流器旋流方向相反且火焰筒冷卻孔偏轉(zhuǎn)角的旋向與主燃級(jí)旋流器旋流方向相同時(shí)，地面點(diǎn)火性能優(yōu)于預(yù)燃級(jí)旋流器與主燃級(jí)旋流器旋流方向相同但與火焰筒冷卻孔偏轉(zhuǎn)角的旋向相反時(shí)。主燃級(jí)旋流器旋流數(shù)的改變對(duì)燃燒室的點(diǎn)火性能沒(méi)有明顯影響。

燃燒室方案7～12 的地面點(diǎn)火邊界曲線如圖7所示。

從圖中可見(jiàn)，當(dāng)火焰筒壁面冷卻孔偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，燃燒室地面貧油點(diǎn)火邊界對(duì)旋流器的旋轉(zhuǎn)方向不敏感。

在圖6、7 中，各方案的地面點(diǎn)火邊界曲線趨勢(shì)一致。隨著進(jìn)口空氣流量增大，點(diǎn)火油氣比逐漸減小，從基準(zhǔn)流量W3到1.2 W3狀態(tài)點(diǎn)的貧油點(diǎn)火油氣比變化梯度要大于后續(xù)試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)的。這是因?yàn)樵谶M(jìn)氣流量較小時(shí)，在同樣的油氣比下，空氣流量增大，則噴嘴的流量加大，噴嘴壓降增大，使其霧化性能得到改善，有利于點(diǎn)火；當(dāng)空氣流量繼續(xù)增大時(shí)，空氣流速的增大引起火花、火團(tuán)對(duì)流散熱增大，不利于核心火團(tuán)的形成和火焰?zhèn)鞑?，從而使點(diǎn)火的油氣比變化趨于平緩。

當(dāng)旋流器旋向（順航向）為順時(shí)針時(shí)，葉片安裝的3 個(gè)不同角度配合不同的火焰筒方案的地面貧油點(diǎn)火邊界曲線分別如圖8 所示。試驗(yàn)證明，當(dāng)預(yù)燃級(jí)旋流器和主燃級(jí)旋流器的旋向相反時(shí)，火焰筒冷卻孔由帶復(fù)合角的斜切孔改為軸向斜切孔后，地面貧油點(diǎn)火油氣比變大，即點(diǎn)火性能變差，在小流量狀態(tài)下變化最明顯。

圖6 方案1～6 點(diǎn)火邊界曲線

圖7 方案7～12 點(diǎn)火邊界曲線

當(dāng)旋流器旋向（順航向）為逆時(shí)針時(shí)，葉片安裝的3 個(gè)不同角度配合不同的火焰筒方案的地面貧油點(diǎn)火邊界曲線如圖9 所示。試驗(yàn)證明，當(dāng)預(yù)燃級(jí)旋流器和主燃級(jí)旋流器的旋向相同時(shí)，火焰筒冷卻孔由帶復(fù)合角的斜切孔改為軸向斜切孔后，地面貧油點(diǎn)火油氣比變化不明顯。

圖8 方案1～3 與方案7～9點(diǎn)火邊界曲線

圖9 方案4～6 與方案10～12 點(diǎn)火邊界曲線

對(duì)比圖8、9 可知，旋流器的旋向與火焰筒冷卻氣膜的旋向共同影響了燃燒室貧油點(diǎn)火邊界。這是因?yàn)樾髌鞯男蚝突鹧嫱怖鋮s孔的旋向共同影響了燃燒室的流量分配比例。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)帶復(fù)合角的斜切孔火焰筒與旋向相反的旋流器配合且冷卻孔旋向與主燃級(jí)旋流器旋向相同時(shí)，預(yù)燃級(jí)旋流器的空氣量分配比例較與旋向相同的旋流器配合時(shí)的大11.3%。在燃燒室進(jìn)口空氣流速較低時(shí)，制約燃燒室點(diǎn)火性能的是燃油的霧化質(zhì)量。預(yù)燃級(jí)旋流器空氣量增大有助于低速下的燃油霧化，故本文對(duì)帶復(fù)合角的斜切孔火焰筒，預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)旋流器旋向相反方案的綜合點(diǎn)火性能優(yōu)于旋向相同方案的，且進(jìn)氣流量較小時(shí)效果尤為明顯。

帶軸向斜切孔的火焰筒無(wú)論與旋向相反的旋流器配合，還是與旋向相同的旋流器配合，預(yù)燃級(jí)旋流器的空氣量分配比例變化均較小，不足以影響燃燒室的點(diǎn)火性能，故點(diǎn)火邊界差別不大。

4 熄火試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

以表1 中的7～12 號(hào)6 個(gè)試驗(yàn)件方案為研究對(duì)象，通過(guò)逐漸減少燃油供油量，直至燃燒室熄火的方法進(jìn)行貧油熄火試驗(yàn)。

在減油過(guò)程中，緩慢調(diào)節(jié)燃油流量，同時(shí)保證燃燒室進(jìn)口空氣參數(shù)（總溫、總壓和流量等）不變。減少燃料流量后60 s 內(nèi)，燃燒室出口的溫升低于20 ℃視為熄火。熄火時(shí)的油氣比即為貧油熄火油氣比，每次貧油熄火試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次，貧油熄火油氣比取3 次的平均值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中，受設(shè)備調(diào)節(jié)精度的影響，試驗(yàn)件各進(jìn)口參數(shù)與要求狀態(tài)存在一定程度偏離，為消除進(jìn)口參數(shù)的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，通過(guò)Lefebvre 的貧油熄火油氣比計(jì)算關(guān)系式（式（3））中的第2 項(xiàng)對(duì)貧油熄火油氣比進(jìn)行了修正[14-15]，將所有試驗(yàn)結(jié)果均?；癁橥宦嚑顟B(tài)下的結(jié)果，便于進(jìn)行對(duì)比分析。

式中：常數(shù)A 是通過(guò)某燃燒室熄火試驗(yàn)得到的（該數(shù)值取決于燃燒區(qū)域的幾何尺寸和混合特征，同時(shí)也取決于主燃區(qū)的空氣流量）。

方案7～12 的熄火油氣比如圖10 所示。

從圖中可見(jiàn)，火焰筒冷卻孔為軸向斜切孔時(shí)，預(yù)燃級(jí)旋流器和主燃級(jí)旋流器旋向相反方案的慢車貧油熄火性能均優(yōu)于旋向相同方案的慢車貧油熄火性能。

圖10 方案7～12熄火油氣比

5 結(jié)論

（1）在一定進(jìn)氣流量范圍內(nèi)，點(diǎn)火邊界的油氣比隨進(jìn)氣流量的增大逐漸減小，且在小流量時(shí)減小速度最快；

（2）主燃級(jí)旋流器葉片角度對(duì)燃燒室的點(diǎn)火性能影響不大；

（3）火焰筒冷卻孔為帶復(fù)合角的斜切孔且旋向與主燃級(jí)旋流器旋向相同時(shí)的點(diǎn)火性能優(yōu)于二者旋向相反時(shí)的點(diǎn)火性能；

（4）預(yù)燃級(jí)旋流器與主燃級(jí)旋流器旋向相反時(shí)，火焰筒冷卻孔為帶復(fù)合角的斜切孔且旋向與主燃級(jí)旋流器旋向相同時(shí)的點(diǎn)火性能優(yōu)于帶軸向斜切孔的點(diǎn)火性能；

（5）預(yù)燃和主燃級(jí)旋流器旋向相同時(shí)，冷卻孔的結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)火性能無(wú)明顯影響；

（6）火焰筒冷卻孔為軸向斜切孔時(shí)，主燃級(jí)、預(yù)燃級(jí)旋流器旋向相反的慢車貧油熄火性能均優(yōu)于旋向相同的慢車貧油熄火性能。