加力燃烧室热射流点火的燃油自燃规律研究

徐兴平，张孝春，游庆江，高家春

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

热射流点火是加力燃烧室的1种点火方式。其基本原理是在主燃烧室的后部，利用1个直流喷嘴喷入1股定量燃油，燃油穿过涡轮的同时，进行雾化蒸发与周围燃气掺混，并点燃成火炬。热射流点火方式在国外的航空发动机上已经成功应用了很长时间，点火稳定而且成功率高，但是在国内还是1种新的点火方式。关于热射流点火方式的深入研究文献极少，有必要对其展开基础性理论和应用研究。此外，随着加力式涡扇发动机的发展，涡轮后温度不断提高，已经接近甚至超过1300K，在这样的高温气流中喷油，喷嘴口处燃油极有可能“自燃”，可能影响油珠在气流中的穿透深度，从而影响油珠蒸发率和燃油浓度分布，甚至会灼伤火焰稳定器。Colket和Spadaccini的研究表明，涡轮出口温度达到1300K后，燃油自燃时间少于1ms[1]。如果按此自燃时间指导加力燃烧室设计，传统的设计理念将很大程度上失去指导意义。因此为掌握燃油“自燃”规律，避免“自燃”的不利影响，已经成为新型加力燃烧室设计必须解决的问题。

本文通过模拟试验开展燃油在高温高速气流中着火的研究，给出燃油在高温高速气流中自燃延迟时间与燃气流动速度、燃气温度、喷油量等的关系，为航空发动机加力燃烧室的热射流点火系统和供油系统设计等提供初步的试验依据。

1 试验设备

高温高速气流的模拟通过如图1所示的试验设备实现。试验设备上安装了辅助加温器和引射器可以模拟加力燃烧室高温低压的高空进气条件。试验段是180mm×150mm的矩形通道，前方设置前测量段，后方设置后测量段。前测量段有1支5点总压测量耙、1支5点总温测量耙和3点静压测量座，后测量段有3支5点总压测量耙、3支5点总温测量耙和2点静压测量座。通过电动、液压、循环喷油的定量调节器向直射喷嘴提供瞬时高压燃油。自燃延迟距离示意图如图2所示。

图1 试验设备

图2 自燃延迟距离

2 试验状态

试验状态参数见表1。

表1 试验状态参数

3 试验结果及分析

3.1 自燃延迟距离与气流流动速度的关系

在状态2下进行改变气流速度系数的试验。结果显示：在所模拟的范围内气流流动速度系数对自燃延迟距离的影响比较明显，随气流流动速度的增大，自燃延迟距离增加，如图3所示。其原因是：油珠在气流中完成雾化、蒸发过程需要一定的时间t。试验中温度、压力、喷嘴形式、喷油压力等因素都不变，所以不会影响t；又因为喷油方向接近顺喷，气流速度的增大对雾化效果影响小；因此气流速度增大后，油珠随气流完成雾化、蒸发过程所移动的距离增加。在曲线左端，随着速度不断减小，燃气流量减小，紊流度减小，燃气与燃油传热传质的能力降低，削弱了因燃气速度减小而使与燃油传热传质的时间增加的增益，结果使左端曲线变得缓和；同样，随着速度的增大，燃气流量增加，紊流度增大，燃气与燃油传热传质的能力提高，削弱了因燃气速度增大而使与燃油传热传质的时间减少的损失，结果使右端曲线变得缓和。

图3 在状态2下变速度系数曲线

3.2 自燃延迟距离与燃气温度的关系

在状态1下进行改变气流温度（分别为1120、1160、1173K）的试验。

试验结果表明：当气流温度升高到1160K才能使燃油自燃，而且随温度的升高自燃延迟距离缩短。试验中气流温度提高到1173K，相当于气流温度升高了13K，自燃延迟距离缩短了21%～43%，可见气流温度对自燃延迟距离的影响比较大。如图4所示。其原因是温度的升高，加快了油珠的蒸发速度，缩短了自燃延迟距离。

图4 自燃延迟距离随温度变化比较曲线

3.3 自燃延迟距离与射油压力的关系

如图4所示的试验结果显示：在试验模拟范围内自燃延迟距离随射油压力增大而缩短或基本保持不变。其原因为当射油压力小时，燃油雾化效果差，不利于自燃，但是燃油流量小，燃油受热蒸发速度快，有利于自燃；当射油压力大时，燃油雾化效果好，有利于自燃，但同时相当于增加了油量，会使气流温度降低得多，又使蒸发变慢，不利于自燃。因此对应同一状态，应该存在1个最佳射油压力使自燃延迟距离和延迟时间最短。但是在本试验中由于射油压力的调整范围有限，尚未得出充分结论，有待进一步试验研究。

3.4 自燃延迟时间和来流温度的关系

从Colket和Spadaccini的研究中得知，在高性能发动机中，涡轮出口温度最高能超过1300K，在此高温下的燃油自燃时间少于1ms[1]，如图5所示。А.В.Кудрявцев 对喷嘴雾化的液态燃油自燃特点进行研究，结果表明，在新一代发动机燃气温度范围（约1400K）内，自燃延迟时间t 随温度的升高而缩短的比气体混气自燃的经典研究结果慢，因为在该温度范围内油滴的蒸发时间、雾化锥内油滴尺寸分布成为自燃的决定因素[2]，如图6所示。L 为自燃延迟距离，气流速度由公式t=L/v，可将图4中L 换算为t，结果见表2。将试验结果添加到图5、6中可见，本次试验结果和国外所做同类试验的结果非常接近。2个国外的试验结果都只给出了气流的温度，而燃油温度、喷嘴形式、气流压力、气流速度等的差异都会导致结果的不同，所以试验结果略有差异。

图5 自燃延迟时间和来流温度的关系[1]

图6 自燃延迟时间和来流温度的关系[2]

表2 在不同来流温度下的自燃延迟时间

4 结论

经过对试验结果的综合对比，可以得出如下结论：

（1）气流温度对自燃的影响较大，在本次试验模拟的范围内气流温度低于1160K时，几乎不会自燃，而温度达到1160K后就肯定自燃；

（2）气流压力、气流速度等对自燃的影响在本次试验模拟的范围内不是很明显；

（3）气流温度、压力的升高使自燃延迟距离和延迟时间减小，气流速度的增大使自燃延迟距离增加；

（4）应存在1个最佳射油压力使自燃延迟距离和延迟时间最短，在本试验中由于射油压力的调整范围有限，尚未得出充分结论，不同射油压力下的自燃延迟时间有待进行进一步试验研究。

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