流量放大喷嘴放大比例对航空发动机燃烧性能的影响

赵鹏，刘小克，秦起龙，韩勇勇

(沈阳发动机设计研究所，沈阳110015)

1 引言

某型发动机燃烧室安装的喷嘴分为标准型和放大型2种，其中的放大型喷嘴可以保证燃烧室有较好的点火与熄火性能。为提供解决燃烧室在起动过程中出现的出口温度分布过度恶化问题的初始方案，本文对比研究了主燃烧室点火电嘴附近的副油路流量放大喷嘴的流量放大比例，对燃烧室慢车熄火特性和出口温度场分布特性的影响。

2 试验件和试验设备

2.1 试验件

原型流量放大喷嘴的流量比标准型喷嘴的放大96.83%。为了进行对比研究，加工了3组节流嘴，流通内径分别为0.6、0.8、1.0 mm。安装节流嘴后的喷嘴相对于标准型喷嘴的放大比例分别为：A组－22.46%；B组－45.45%；C组－79.27%。

2.2 试验设备

2.2.1 试验器

该试验在全环形燃烧室试验器上进行，其空气系统原理如图1所示。

全环燃烧室试验器由进气、排气、冷却气、燃料、冷却水、测量、电气、控制等系统组成。根据模化准则，燃烧室进口温度高于空压机来流温度，要求与发动机真实状态一致。对此，在试验时，采用间接加温和直接加温相结合的方式来实现。间接加温是让燃气通过回热器，利用高温余热对进气进行换热加温，以达到预热空气的目的，其优点是不会改变空气的成分；直接加温是采用加温燃烧室，直接向来流空气中喷入燃油，使之燃烧，以得到所需的燃烧室进口温度。

2.2.2 测量装置

燃烧室进口空气流量由安装在进气系统上的标准喷嘴来测量。通过测量流量喷嘴前的压力、温度和喷嘴前后的压差，利用该流量喷嘴的计算公式，对进口空气流量进行计算。燃烧室进口参数测量截面布置在进口测量段后部；在壁面上的同一截面，沿周向设置2个总压测量点和4支温度测量热电偶，在每支热电偶感头上按等直径设计有3个测点，所有受感元件的堵塞面积不大于通道面积的5%。燃烧室出口燃气温度由安装在后测量段摆动机构上的温度受感部来测量。

出口测量段是1个水、气双冷高温自动扫描检测装置。在旋转测量装置上布置4支温度受感部，每个电偶沿径向有5个按等环面布置的测点。旋转装置按一停一转方式旋转90°，每转3°测量1次；位置信号由转角编码器采集和输出，到达测量位置时自动采集，则可以得到燃烧室出口600点的温场数据。

在测量段进口与燃烧室出口头部相对应的位置安装单点温度受感部，测量出口温升，以满足慢车熄火试验要求。

3 试验结果

3.1 慢车熄火试验

在给定状态下，熄火边界随进口速度系数及流量放大比例的变化规律分别如图2、3所示。

从图2、3中可以看出，在相同进口速度系数下，燃烧室熄火边界受流量放大喷嘴的放大比例影响：安装A组节流嘴喷嘴的放大比例最小，燃烧室熄火边界最窄；安装C组节流嘴的喷嘴放大比例最大，燃烧室熄火边界最宽；安装B组节流嘴喷嘴的燃烧室熄火边界在A组与C组熄火边界之间。

与未加节流嘴的原型喷嘴的燃烧室贫油熄火余气系数相比，安装A组节流嘴喷嘴的减小28%～35%，安装B组节流嘴喷嘴的减小11%～20%，安装C组节流嘴喷嘴的减小4%～15%。可见，安装节流嘴的燃烧室贫油熄火边界小于原型喷嘴的，并随流量放大型喷嘴的放大比例增大而变宽。

3.2 出口温度场分布

在指定试验状态下，进行燃烧室出口温度分布系数以及出口径向温度分布系数验证。试验结果如图4、5所示。

图4为不同流量放大喷嘴的燃烧室出口温度分布系数OTDF随放大比δ的变化曲线。从图4中可见，出口温场的均匀性受到流量放大喷嘴的放大比例δ的影响。当N2r＝30%时，在0.498-1.083范围内变化，增幅为117%左右；当N2r＝50%时，在0.484～0.746范围内变化，增幅为54%左右；当N2r＝72%（慢车状态）时，在0.411～0.573范围内变化，增幅为39%左右。此时，随流量放大喷嘴的放大比例δ的减小而减小，出口温场的均匀性较好；在相同放大比例下，随N2r的增大而减小，出口温场的均匀性较好。

图5为RTDF随放大比δ变化的曲线。从图5中可见，在所模拟的发动机不同工作状态下，即N2r＝30%、50%、72%（慢车状态）时，安装节流嘴喷嘴的燃烧室随流量放大喷嘴的放大比例δ的减小呈微弱增大的趋势，RTDF在0.072～0.082范围内变化；未安装节流嘴喷嘴的燃烧室RTDF受N2r的影响较大，在0.056～0.111范围内变化。

这是因为与安装原型喷嘴的燃烧室相比，安装节流嘴喷嘴的燃烧室由于流量放大喷嘴出口面积变小，若满足模拟试验的燃油流量与原型燃烧室的一致的要求，则必须增大燃油供油压力；供油压力的增大使标准喷嘴的雾化性能得到了提高，出口温度场的均匀性得到了增强。出口温场的均匀性受到流量放大喷嘴的放大比例δ的影响，燃烧室OTDF随流量放大喷嘴的δ的减小而减小，即出口温场的均匀性随流量放大喷嘴δ的减小而增强。

图6～9分别为在燃油总管的流量放大喷嘴有4种放大比例的情况下，在N2r＝30%状态时，燃烧室的出口温度分布情况。从图中可以明显看出，高温区全部出现在4个流量放大喷嘴区域，出口温度分布的均匀性几乎完全取决于该区域的温度分布；随着放大比例的减小，燃烧室出口最高温度明显减小，由1386℃减小至1118℃，OTDF随之减小，即出口温度场的品质得到了增强。

4 结论

综上所述，放大型喷嘴的流量放大比例对燃烧室慢车熄火边界和出口温度场均匀性影响很大。（1）安装节流嘴喷嘴的燃烧室慢车熄火边界小于原型喷嘴的，并随流量放大型喷嘴的流量放大比例的增大而变宽。（2）安装节流嘴喷嘴的燃烧室出口温度场均匀性比原型喷嘴的略好，燃烧室出口温度分布系数随流量放大喷嘴放大比例的减小而减小；燃烧室出口径向温度分布系数随流量放大喷嘴放大比例的减小，呈微弱增大的趋势。

[1] 金如山．航空燃气轮机燃烧室[M]．北京：宇航出版社，1988．

[2] 侯晓春，季鹤鸣，等．高性能航空燃气轮机燃烧技术[M]．北京：国防工业出版社，2002.