某型全环燃烧室点火特性试验_丁国玉.pdf

文章编号：1000-8055（2023）06-1299-07doi：10.13224/ki.jasp.20210532某型全环燃烧室点火特性试验丁国玉1，马丹2，高雅1，陶焰明1，刘达兵1（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002；2.中国航发南方工业有限公司，湖南株洲412002）摘要：对某型全环燃烧室进行了模拟地面起动和高空状态下的点火性能试验，研究表明：着火及联焰油气比均随燃烧室进口马赫数的增大而减小；随着模拟点火高度增加，点火变得越来越困难，特别是在试验工况中的低进口马赫数状态下；着火、联焰边界对应的油气比均随换算参考速度的增加而减小，且符合幂函数的函数形式，通过拟合得到着火、联焰边界对应的油气比与换算参考速度之间的函数关系式，经与试验值对比，着火、联焰边界预估值的误差大多分别不超过 10%和 15%。关键词：全环燃烧室；着火边界油气比；联焰边界油气比；点火特性；换算参考速度中图分类号：V231.3文献标志码：AExperimentonignitionperformanceofafullannularcombustorDINGGuoyu1，MADan2，GAOYa1，TAOYanming1，LIUDabing1（1.HunanAviationPowerplantResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，ZhuzhouHunan412002，China；2.SouthIndustryCompanyLimited，AeroEngineCorporationofChina，ZhuzhouHunan412002，China）Abstract:Experiments were conducted to study the ignition performance on a full annularcombustorbysimulatingthegroundstartandhigh-altitudeignitionparameters.Thetestresultsshowedthatthefuel-airratioofboththestableflameestablishmentandtheflamepropagationfromtheignitiondometotheunburneddomedecreasedwiththeincreasinginletairflowMachnumber;ignitionbecamemore and more difficult with the increase of simulating ignition height，especially at low inlet Machnumbercondition;thefuel-airratioofstableflameestablishmentlimitandthelightaroundlimitdecreasedwiththeincreaseofcorrectedreferencevelocity，andtherewasapowerfunctionrelationshipbetweenthem;thefunctionalrelationshipwasobtainedbyfitting;ifcomparedwiththetestvalues，theerrorsoftheestimatedfuel-airratioofstableflameestablishmentlimitandlightaroundlimitweremostlylessthan10%and15%，respectively.Keywords:fullannularcombustor；fuel-airratioofstableflameestablishmentlimit；fuel-airratioofthelightaroundlimit；ignitionperformance；correctedreferencevelocity对航空发动机而言，迅速、可靠起动极其关键，特别是在低温、低压等恶劣条件下的可靠起动。从燃烧的角度来讲，发动机的可靠起动首先需要燃烧室的可靠点火作为支撑。对于航空发动机燃烧室的点火问题，其本质上是气液两相间的液雾强迫点火和火焰传播问题。收稿日期：2021-09-22基金项目：国家科技重大专项（2017-0007-0032）作者简介：丁国玉（1985），男，高级工程师，博士，主要从事航空发动机燃烧室和燃烧理论的研究。E-mail：引用格式：丁国玉,马丹,高雅,等.某型全环燃烧室点火特性试验J.航空动力学报,2023,38（6）：1299-1305.DINGGuoyu,MADan,GAOYa,etal.ExperimentonignitionperformanceofafullannularcombustorJ.JournalofAerospacePower,2023,38（6）：1299-1305.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023在航空发动机燃烧室点火方面，国内外开展了大量的研究，对燃烧室点火设计具有较好的指导作用。这些研究工作主要体现在：点火基础研究。Lefebvre 在点火基础研究方面做了较为全面的工作，系统研究了压力、温度、速度、油雾参数、油气比等对点火的影响1，并根据多个型号发动机燃烧室的点火数据建立了燃气轮机燃烧室的点火经验关系式2；Read 等3对低温、低压条件下燃烧室中受湍流作用影响的点火过程及流场结构进行了分析。单头部/多头部燃烧室点火。近些年在单头部/多头部燃烧室点火方面开展了大量的点火试验研究，研究了各级旋流器旋流数4-5、空气流量分配6、预燃级旋流组织7、套筒出口形状8、主燃孔轴向位置9等对点火性能的影响。全环燃烧室点火。李继保等10对某全环燃烧室开展了贫油点熄火试验研究，发现火焰筒头部局部富油可拓宽贫油点熄火边界；赵明龙等11对比了单头部、扇形和全环燃烧室的点火性能，并基于 Lefebvre 点火模型，通过数据拟合获得了各试验件贫油点火边界的经验公式，并得到它们之间的换算方程；王高峰等、令狐昌鸿等12-13总结了环形燃烧室周向点火机理基础研究进展，并采用高速摄像技术对 16 头部环形燃烧室的点火和火焰传播过程进行了试验研究，分析了两种不同点火模式下点火过程的火焰形态和发光强度；Boileau 等14采用大涡模拟的方法对一个环形回流燃烧室的点火过程进行了数值仿真，为预测点火，许多研究者15-17也开展了基于大涡模拟的点火仿真；肖为等18基于点火恢复时间建立了燃烧室点火边界预测模型，并对预测模型的精度进行了验证。从已有的研究来看，在全环燃烧室点火方面开展的研究还比较少，主要原因在于开展全环燃烧室点火试验代价较大，尤其是模拟高空点火试验，而仿真计算模型又缺乏试验数据校核。此外，国内外对全环燃烧室高空点火性能及其变化规律的研究相对较少，尤其是在工程上缺少精度较高的经验/半经验公式。本文针对某型发动机燃烧室开展全环燃烧室模拟地面起动和高空点火试验，通过对试验数据的分析与处理，得到着火、联焰边界曲线，为更全面地认识全环燃烧室点火过程、点火性能规律变化与工程上实用的点火性能预测提供技术支持。1燃烧室模型、试验系统和研究参数1.1燃烧室模型研究中设计了某型燃烧室全环模型，图 1 为燃烧室模型示意图。该燃烧室为环形回流燃烧室，由火焰筒、燃烧室机匣、燃油总管、燃油喷嘴、点火电嘴等组成，其中在位于燃烧室外环通道的燃烧室机匣上布有引气环。在该燃烧室中，火焰筒头部布有若干进气孔和旋流片，这种设计一方面是为了在火焰筒头部形成冲击+气膜冷却，以保护火焰筒头部不被烧蚀，另一方面可在火焰筒内头部区域形成切向流动，有利于头部联焰；燃油喷嘴轴向位置位于主燃孔与冲击气膜孔之间，轴向位置位于两主燃孔正中间，为双油路离心喷嘴，全环共有 6 个燃油喷嘴，该喷嘴主要由喷嘴座、隔热罩、主/副喷口和油滤网等零件组成；全环燃烧室采用一个点火电嘴点火，该点火电嘴为高能点火电嘴，点火能量不小于 2J，火花频率不小于1.9Hz，点火电嘴位于火焰筒外壁面，轴向位置上与燃油喷嘴位置基本一致，周向位置上位于相邻两个燃油喷嘴中间；火焰筒壁面上开有主燃孔、掺混孔和冷却孔，其中火焰筒壁面冷却方式为多斜孔冷却。燃烧室机匣燃烧室空气进口燃烧室燃气出口掺混孔进口空气高温燃气出口燃气主燃孔燃油喷嘴火焰筒图1燃烧室模型Fig.1Combustormodel1.2试验系统图 2 为试验系统示意图，试验系统主要包括燃烧室全环试验件、供气系统、供油系统、点火系统和测试系统。供油系统由油泵、阀门和喷嘴组成，试验所用燃油为 RP-3 航空煤油；点火系统含高能点火器、电缆和点火电嘴；测试系统包括测试装置、补偿导线和数据采集设备等，空气流量采用标准质量流量喷嘴测量，燃油流量采用质量流量计测量，燃烧室进出口压力参数通过压力受感部进入 PSI9016 压力测量系统进行测量，燃烧室进出口温度参数测量采用热电偶接入 VXI总线测试系统（VXIbustestingsystem）。试验中所有压力、温度、流量等测量参数均通过 PSI9016压力测量系统、VXI 数据采集系统进入数据采集计算机进行采集处理，试验中所用测量设备的测量范围及精度如表 1 所示。1300航空动力学报第38卷图 3 为进口测点分布示意图，进口总压通过3 支沿周向 120均布的总压管测量，每支 1 点，共3 点；进口静压通过 3 个沿周向均布的壁面静压孔进行测量，共 3 个测点；图 4 为出口测点分布示意图，出口总压通过 3 支沿周向 120均布的梳状总压耙进行测量，每支 3 个测点，共 9 点；出口静压通过梳状总压耙上的静压孔进行测量，每支 1个测点，共 3 点；进口总温通过 3 支沿周向均布的热电偶进行测量，每支 1 点，共 3 点；出口总温通过 3 支沿周向均布的梳状热电偶进行测量，每支4 个测点，共 12 点。其中，进口参数测量位置位于燃烧室进口上游 60mm 处，出口参数测量位置位于燃烧室出口截面。1.3参数及方法研究中开展了模拟地面起动和模拟高空点火状态下点火性能试验，如表 2 所示，主要包括 5 个状态：模拟地面点火、模拟 4500m 点火、模拟6000m 点火、模拟 7500m 点火和模拟 8500m点火。对于不同的状态，还考察了燃烧室进口空气流量对点火性能的影响。试验研究中确定燃烧室贫油点火边界的方法如下：保持燃烧室进口空气参数不变，起动点火电嘴的同时开始计时，并开始数采燃烧室进出口参数，23s 后给燃烧室按等流量方式供油，如果点火成功，则保持燃烧室进口空气参数不变，逐步减少燃油流量，继续进行点火试验，直到点火不成功为止；如果点火不成功，则继续保持燃烧表1主要测试设备Table1Mainmeasurementdevice参数名称测试设备测量范围精度进出口压力PSI9016（0.21.5）105Pa0.5%进口温度K 型热电偶（60100）1出口温度B 型热电偶（1001700）5燃油流量流量计（1100）g/s0.5%空气流量质量流量喷嘴（0.052.0）kg/s1.0%燃油温度K 型热电偶（60100）1标准质量流量喷嘴计算机压缩机阀门试验件油桶K型热点偶B型热电偶图2全环燃烧室试验系统示意图Fig.2Experimentalsystemdiagramoffullannularcombustor4040静压测点(三点均布)总压测点(三点均布)总温测点(三点均布)图3进口测点分布示意图Fig.3Diagramofinletmeasuringpoints出口总压测点出口静压测点出口总温测点6060图4出口测点分布示意图Fig.4Diagramofoutletmeasuringpoints第6期丁国玉等：某型全环燃烧室点火特性试验1301室进口空气参数不变，逐步增加燃油流量，继续进行点火试验