某发动机燃烧室高空点火试验研究

蔡茂

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

燃烧室点火性能是燃烧室的重要性能之一，其影响因素很多，包括头部流场、油雾场和点火器性能等[1]。文献[2]使用数值计算方法研究了点火器性能（包括火核半径、点火能量和点火持续时间）对燃烧室点火性能的影响。文献[3]针对某型燃烧室高空点火故障，从火焰筒头部油气匹配入手，通过涡流器流场试验以及涡流器加工分析，定位了故障原因。

本文以某涡桨发动机燃烧室为平台，研究了双油路喷嘴的副油路喷口直径和点火电嘴的火花能量对燃烧室高空点火性能的影响。

1.试验相关情况简介

1.1 试验件介绍

试验件主要由扩压器、外机匣组件、内机匣组件、火焰筒、2套离心喷嘴（分别为喷嘴A和喷嘴B）、燃油总管及2套点火器（点火器H和点火器Q）组成，试验件见图1。

图1 试验件结构图

两个方案喷嘴的区别在喷口直径，喷嘴A直径较大，喷嘴B直径较小。两个方案的点火器区别在火花能量，点火器H火花能量较小，点火器Q火花能量较大。

1.2 测量装置

（1）温度及压力采用测试探针测量。进口压力和温度探针沿周向均匀分布，其中总压与总温探针各3支，每支2点。出口温度探针采用3支5点热电偶耙沿周向均匀分布。进口及出口温度、压力探针周向分布如图2～图3所示。

图2 进口探针分布

图3 出口探针分布

（2）空气流量测量。空气流量采用标准流量喷嘴测量。

（3）燃油流量测量。燃烧室燃油流量采用质量流量计测量。

1.3 参数测量精度

参数测量精度见表1，Pt3为进口总压，Tt3为进口总温，Tt4为出口总温，Wa为空气流量，Wf为燃油流量。

表1 参数测量精度表

2.试验内容及测量参数

高空点火试验方案如下：

（1）方案1：喷嘴A+点火器H；（2）方案2：喷嘴B+点火器H；（3）方案3：喷嘴B+点火器Q。

试验时，调节进口空气至试验状态要求参数，在保证进口空气参数不变的条件下，起动点火电嘴，并开始采集燃烧室进出口参数，3s后给燃烧室供油，供油的同时开始计时，点火电嘴工作15s后停止工作[4]。

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，则保持燃烧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，直到点火成功为止，并录取燃烧室进出口参数、燃油供油参数、点火时间。

3.试验结果及分析

方案1、方案2和方案3的点火边界见图4，图中纵坐标为点火成功时的相对油气比，横坐标为Vrθδ（Vrθδ=Vr×Tt3/288×Pt3/0.101325，Vr为火焰筒参考速度）。

图4 燃烧室点火试验结果

由图4可知，方案2与方案3的点火边界明显优于方案1，说明喷嘴的副油路特性对高空点火性能的影响很大。

喷嘴A和喷嘴B的雾化特性对比见图5，随着流量的增大，喷嘴A和喷嘴B的SMD均变小，在相同流量下，喷嘴B的SMD更小，雾化性能更优，故在相同进口条件下，喷嘴B更容易点火成功。图6为喷嘴A和喷嘴B的流量特性对比，由于喷嘴2的喷口直径更小，所以在相同流量下，喷嘴B的压差更大，喷射速度更高，燃油在强压和高速的共同作用下，搅拌和相互间的碰撞更为激烈，更容易产生小粒径的燃油液滴，这就解释了为什么喷嘴B的雾化优于喷嘴A[5]。

图5 改进前后喷嘴雾化特性对比

图6 喷嘴流量特性对比

由图4可知，方案2和方案3的点火边界相当，所以在该燃烧室中，电嘴的火花能量对高空点火边界影响不大。原因可能如下：（1）火花持续时间的影响。电嘴的火花能量虽然增大，但是火花持续时间并未发生变化，这可能会导致点火能量并未被油气混合物充分吸收，火核就被冷气吹走，所以虽然点火能量提升了，点火功率增大了，但由于作用时间短，导致油气混合物对能量吸收不充分，导致点火无法成功。（2）燃烧室流场的影响。油气混合物无法与电嘴形成的火核充分接触，所以虽然点火能量增强了，但是热量的传递出现了断层，导致点火无法成功。

4.结论

（1）减小副油路喷口的直径，能拓宽燃烧室的点火边界，很好改地善燃烧室高空点火性能，其原因是：副油路喷口直径减小，导致同流量下副油路压差变大，从而改善副油路的雾化性能，使点火更加容易。（2）增大电嘴的火花能量对燃烧室高空点火边界影响不大，其原因可能是：1）火花持续时间太短，限制了油气混合物对火花能量的吸收；2）燃烧室流场的限制，导致火核向回流区的热量传递形成了断层。