■ 劉逸博 彭暢新 楊浩 龔卡 曹婷婷 姜世界 李元星 龔鍵/中國航發(fā)動研所

針對現(xiàn)有“可變幾何”及“主動燃燒控制”兩類智能燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不足的缺點(diǎn)，創(chuàng)新團(tuán)隊根據(jù)旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火、助燃的原理，提出了基于光纖感知和滑動弧調(diào)控的全新智能燃燒室方案。

燃燒室的設(shè)計一般選擇較惡劣的狀態(tài)作為設(shè)計點(diǎn)，但非設(shè)計點(diǎn)的燃燒室性能卻不是最佳的，由此研究人員提出了氣動或結(jié)構(gòu)能隨著工作狀態(tài)變化而相應(yīng)變化的智能燃燒室（intelligent combustor）概念。智能燃燒室主要由監(jiān)測機(jī)構(gòu)、處理機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成，采用基于等離子體放電的點(diǎn)火系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅能夠快速響應(yīng)處理機(jī)構(gòu)所下達(dá)的指令，同時還能有效改善高原、高寒等惡劣工況下化學(xué)反應(yīng)速率下降，以及燃油霧化質(zhì)量下降等點(diǎn)火問題，具有十分可觀的應(yīng)用前景。針對現(xiàn)有智能燃燒室離子點(diǎn)火裝置壽命極短的缺點(diǎn)，創(chuàng)新團(tuán)隊根據(jù)旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火的原理，提出了基于光纖感知和滑動弧調(diào)控的全新智能燃燒室方案，借助光纖測溫進(jìn)行出口溫度分布的實時重構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)滑動弧的開啟與關(guān)閉實現(xiàn)對出口溫度分布的調(diào)整，使燃燒室性能在不同工況下均能達(dá)到最優(yōu)。

技術(shù)原理

創(chuàng)新團(tuán)隊提出的適用于智能燃燒室的旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火/值班技術(shù)的工作原理是：在燃燒室常用的多級渦流器內(nèi)布置正、負(fù)兩個環(huán)形金屬電極，在旋流空氣的作用下于環(huán)形通道內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動弧，如圖1 所示；當(dāng)燃油從噴嘴噴出后，其路徑正好經(jīng)過放電區(qū)域，相遇后燃油直接被旋轉(zhuǎn)滑動弧放電過程中釋放的能量點(diǎn)燃。

圖1 在旋流空氣的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動弧

基于旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火的燃燒室不需要常規(guī)燃燒室的點(diǎn)火電嘴，更新了常規(guī)燃燒室的點(diǎn)火理念，優(yōu)點(diǎn)是能夠顯著減少點(diǎn)火時間，同時明顯拓寬燃燒室的點(diǎn)/熄火邊界，提升燃燒室點(diǎn)火的可靠性。

從點(diǎn)火過程來看，旋轉(zhuǎn)滑動弧放電過程中擊穿空氣產(chǎn)生的大量活性粒子及高能電子。后者與燃油粒子發(fā)生撞擊，高碳燃油分子內(nèi)的化學(xué)鍵被打斷，形成更小的碳?xì)淞Ｗ?，從而加速化學(xué)反應(yīng)速率，有利于燃燒和火焰?zhèn)鞑ミ^程，極大地降低了點(diǎn)火的“門檻”，有望徹底解決常規(guī)點(diǎn)火方式下點(diǎn)火性能受限于燃油流量及燃油霧化質(zhì)量的難題，甚至能實現(xiàn)“噴油即著”，顯著地降低燃燒室點(diǎn)火油氣比。在熄火方面，旋轉(zhuǎn)滑動弧可以在需要時持續(xù)工作，故能在極低油氣比條件下持續(xù)提供穩(wěn)定的點(diǎn)火源，其所在頭部能夠?qū)崿F(xiàn)“值班”的功能，因此能夠有效降低燃燒室的熄火油氣比，提升燃燒室的熄火性能。

技術(shù)路線

創(chuàng)新團(tuán)隊從旋轉(zhuǎn)滑動弧產(chǎn)生的原理出發(fā)，通過進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滑動弧工程應(yīng)用的可行性分析，開展基于旋轉(zhuǎn)滑動弧的簡易放電試驗，掌握其放電特性，完成旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火的基本原理試驗驗證工作。然后將旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火概念應(yīng)用到燃燒室部件中，在常規(guī)燃燒室的基礎(chǔ)上，保持其他組件不變，去除電嘴組件，對渦流器組件進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滑動弧放電，形成一種基于旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火/值班的燃燒室方案。

旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器設(shè)計及試制

基于中小型發(fā)動機(jī)燃燒室兩類常用的渦流器（斜切孔徑向葉片式和雙級軸流式渦流器），創(chuàng)新團(tuán)隊開展了旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器設(shè)計。

旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則是：保持結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，特別是使流道參數(shù)與常規(guī)渦流器一致，便于比較常規(guī)渦流器及旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器的點(diǎn)熄火性能；保證良好的絕緣能力，避免不必要的介質(zhì)阻擋放電，以降低對電源的輸出電壓要求，保證電弧在預(yù)定位置產(chǎn)生；渦流器安裝固定方式不變。

根據(jù)設(shè)計原則，歷經(jīng)多輪次優(yōu)化設(shè)計，創(chuàng)新團(tuán)隊最終獲得了基本適用于回流燃燒室的斜切徑向旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器及適用于直流燃燒室的雙級軸向旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。以斜切徑向渦流器為例，對改進(jìn)前渦流器與改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器的出口流場進(jìn)行了數(shù)值仿真，計算結(jié)果表明，改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器結(jié)構(gòu)基本未對火焰筒內(nèi)的流場產(chǎn)生影響，如圖3 所示。

圖3 渦流器改進(jìn)前后流場對比

點(diǎn)火試驗

基于雙級軸流式旋轉(zhuǎn)滑動弧渦流器，創(chuàng)新團(tuán)隊開展了燃燒室單頭部常規(guī)點(diǎn)火及旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火試驗。團(tuán)隊對旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火及常規(guī)點(diǎn)火兩種條件下的燃燒室點(diǎn)火油氣比（常溫常壓工況）進(jìn)行了比較，如圖4所示。采用旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火，燃燒室的點(diǎn)火油氣比下降明顯。在試驗工況范圍內(nèi)，相比常規(guī)點(diǎn)火方法，采用旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火后，燃燒室的點(diǎn)火油氣比下降超過30%，參考速度較高時，點(diǎn)火油氣比下降甚至超過50%以上。

圖4 旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火與常規(guī)點(diǎn)火油氣比對比

結(jié)束語

采用旋轉(zhuǎn)滑動弧點(diǎn)火的燃燒室，一方面可大幅拓寬發(fā)動機(jī)點(diǎn)火包線，有望解決渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)高原高寒地區(qū)起動困難的問題，有效提升直升機(jī)的活動與使用范圍；另一方面可為未來高溫升燃燒室設(shè)計提供解決方案，解決高溫升燃燒室主燃區(qū)進(jìn)氣量增加與點(diǎn)熄火性能下降之間的矛盾，為智能燃燒室的設(shè)計提供技術(shù)途徑。