加力燃燒室熱射流點(diǎn)火的燃油自燃規(guī)律研究

徐興平，張孝春，游慶江，高家春

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

熱射流點(diǎn)火是加力燃燒室的1種點(diǎn)火方式。其基本原理是在主燃燒室的后部，利用1個(gè)直流噴嘴噴入1股定量燃油，燃油穿過渦輪的同時(shí)，進(jìn)行霧化蒸發(fā)與周圍燃?xì)鈸交欤Ⅻc(diǎn)燃成火炬。熱射流點(diǎn)火方式在國(guó)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)成功應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間，點(diǎn)火穩(wěn)定而且成功率高，但是在國(guó)內(nèi)還是1種新的點(diǎn)火方式。關(guān)于熱射流點(diǎn)火方式的深入研究文獻(xiàn)極少，有必要對(duì)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(dòng)機(jī)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(dá)到1300K后，燃油自燃時(shí)間少于1ms[1]。如果按此自燃時(shí)間指導(dǎo)加力燃燒室設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)必須解決的問題。

本文通過模擬試驗(yàn)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(shí)間與燃?xì)饬鲃?dòng)速度、燃?xì)鉁囟取娪土康鹊年P(guān)系，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的熱射流點(diǎn)火系統(tǒng)和供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供初步的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

高溫高速氣流的模擬通過如圖1所示的試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)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(jìn)氣條件。試驗(yàn)段是180mm×150mm的矩形通道，前方設(shè)置前測(cè)量段，后方設(shè)置后測(cè)量段。前測(cè)量段有1支5點(diǎn)總壓測(cè)量耙、1支5點(diǎn)總溫測(cè)量耙和3點(diǎn)靜壓測(cè)量座，后測(cè)量段有3支5點(diǎn)總壓測(cè)量耙、3支5點(diǎn)總溫測(cè)量耙和2點(diǎn)靜壓測(cè)量座。通過電動(dòng)、液壓、循環(huán)噴油的定量調(diào)節(jié)器向直射噴嘴提供瞬時(shí)高壓燃油。自燃延遲距離示意圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

圖2 自燃延遲距離

2 試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 自燃延遲距離與氣流流動(dòng)速度的關(guān)系

在狀態(tài)2下進(jìn)行改變氣流速度系數(shù)的試驗(yàn)。結(jié)果顯示：在所模擬的范圍內(nèi)氣流流動(dòng)速度系數(shù)對(duì)自燃延遲距離的影響比較明顯，隨氣流流動(dòng)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(shí)間t。試驗(yàn)中溫度、壓力、噴嘴形式、噴油壓力等因素都不變，所以不會(huì)影響t；又因?yàn)閲娪头较蚪咏槆姡瑲饬魉俣鹊脑龃髮?duì)霧化效果影響小；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(dòng)的距離增加。在曲線左端，隨著速度不斷減小，燃?xì)饬髁繙p小，紊流度減小，燃?xì)馀c燃油傳熱傳質(zhì)的能力降低，削弱了因燃?xì)馑俣葴p小而使與燃油傳熱傳質(zhì)的時(shí)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?xì)饬髁吭黾樱闪鞫仍龃螅細(xì)馀c燃油傳熱傳質(zhì)的能力提高，削弱了因燃?xì)馑俣仍龃蠖古c燃油傳熱傳質(zhì)的時(shí)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?xì)鉁囟鹊年P(guān)系

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

試驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(yàn)結(jié)果顯示：在試驗(yàn)?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?yàn)楫?dāng)射油壓力小時(shí)，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(shí)，燃油霧化效果好，有利于自燃，但同時(shí)相當(dāng)于增加了油量，會(huì)使氣流溫度降低得多，又使蒸發(fā)變慢，不利于自燃。因此對(duì)應(yīng)同一狀態(tài)，應(yīng)該存在1個(gè)最佳射油壓力使自燃延遲距離和延遲時(shí)間最短。但是在本試驗(yàn)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(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3.4 自燃延遲時(shí)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(dòng)機(jī)中，渦輪出口溫度最高能超過1300K，在此高溫下的燃油自燃時(shí)間少于1ms[1]，如圖5所示。А.В.Кудрявцев 對(duì)噴嘴霧化的液態(tài)燃油自燃特點(diǎn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟确秶s1400K）內(nèi)，自燃延遲時(shí)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?yàn)樵谠摐囟确秶鷥?nèi)油滴的蒸發(fā)時(shí)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(yàn)結(jié)果添加到圖5、6中可見，本次試驗(yàn)結(jié)果和國(guó)外所做同類試驗(yàn)的結(jié)果非常接近。2個(gè)國(guó)外的試驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不同，所以試驗(yàn)結(jié)果略有差異。

圖5 自燃延遲時(shí)間和來流溫度的關(guān)系[1]

圖6 自燃延遲時(shí)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(shí)間

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的綜合對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

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

（2）氣流壓力、氣流速度等對(duì)自燃的影響在本次試驗(yàn)?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(shí)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(gè)最佳射油壓力使自燃延遲距離和延遲時(shí)間最短，在本試驗(yàn)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(shí)間有待進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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