头部回流区对燃烧室点火性能的影响研究

李春江 彭剑勇 肖为 刘涛

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

航空发动机燃烧室点火过程的复杂性不言而喻，其包含了一系列的物理和化学相互作用；整个点火过程受控于燃烧室头部回流区湍流流动、油雾分布和火核运动。全环燃烧室的点火过程可以分为以下4个阶段：第一阶段，燃烧室头部喷嘴供油后，在油压的作用下，实现燃油雾化并与头部的空气进行掺混形成混合油气，继而点火电嘴在高电压的作用下，实现对外放电，形成初始火核。第二阶段，在头部回流区湍流场和油雾场适合点火的条件下，初始火核会逐渐发展壮大，但是对于点火延迟过程，初始火核会熄灭产生热气团，热气团逐渐隐匿生长，再次产生火核并发展壮大，最终产生火焰，进而点燃头部回流区更多的燃气。第三阶段，湍流火焰会逐渐充满整个头部回流区，在回流区流场的作用下，实现火焰稳定的燃烧，从而完成单个头部的成功点火。第四阶段，湍流火焰会从已燃头部向未燃头部传播，点燃未燃头部的新鲜混合油气，实现全环燃烧室所有头部的联焰，进而成功点燃全环燃烧室。

国内外学者对燃烧室的点火过程开展了一系列研究。William P.Jones[1]等采用大涡模拟的计算方法仿真出整个单头部燃烧室的点火过程。研究了点火位置变化和尺寸大小对燃烧室点火性能的影响。结果表明，在燃烧室头部回流区的剪切层附近点火更加容易成功，另外，初始火核的半径为5mm点火失败，将点火半径增加为7.5mm时点火成功，并且数值模拟结果与高速摄影拍摄到点火过程基本相似。A.Neophytou[2]等通过采用大涡模拟的计算方法对三头部燃烧室的点火以及联焰过程进行了模拟，并对比分析了计算结果和试验结果。探究了油雾液滴直径和电嘴点火能量等参数对点火性能的影响。结果表明，液滴直径越小，点火能量越大，越容易点燃。彭剑勇[3]等采用PIV分析了涡流器出口流场对燃烧组织的影响情况，研究得出，燃烧室头部回流区面积的增大，轴向速度以及径向速度分布梯度大，有利于拓宽燃烧室头部的油雾场，进而促使燃烧室具有较宽工作范围。

本文采用粒子图像测速仪（PIV）分析了的燃烧室头部回流区之间的相互作用，获得了燃烧室头部回流区的流场云图，揭示了头部回流区对燃烧室点火性能的影响，验证了初始火核能够穿越头部回流区的边界是燃烧室实现点火成功的必要条件，总结出点火的最佳位置在头部回流区低压中心的正上方。

1.试验系统

1.1 PIV测试

由于全环燃烧室各个头部之间流场会存在相互干扰，选用单头部燃烧室试验件会测量不出各头部流场之间的相互影响，所以设计了三头部燃烧室矩形简化模型试验件，该试验件选自具有先进点火性能的航空发动机燃烧室，主要由喷嘴、涡流器、夹具、玻璃罩等组成。三头部试验件可以很好地测试出燃烧室相邻头部之间的流场相互作用，这与燃烧室实际的工作状况相似。

试验用的主要测试设备是粒子图像测速仪（PIV），主要由激光发生器、激光臂、相机、同步控制系统、计算机等组成，PIV测试系统图如图1所示，其中激光发生器的功率为200mJ，频率为15Hz，相机分辨率为2048×2048，曝光时间间隔为3μs，速度测量精度为3%。

图1 PIV测试系统图

在试验的过程中，激光发生器发射出来的激光需要打在示踪粒子上，才会被拍摄的相机捕捉，进而映射出整个的流场情况，所以配置示踪粒子发生器是本试验过程中必不可少的步骤之一。植物油各方面的物理特性完全符合试验所用示踪粒子的要求，并且经过示踪粒子发生器喷入流场中，粒径可达到1μm，进而选用植物油的作为本试验的示踪粒子。

1.2 点火试验

对某型号航空发动机的全环燃烧室进行点火试验，试验装置如图2所示，主要由进气段、位移旋转机构、试验段、排气段等组成。定义着火时间为供油开始到燃气温度开始上升的时间，联焰时间为供油开始到燃烧室出口热电偶所测温度都大于X℃的时间。着火时间越短，表明着火性能越好，反之则越差；联焰时间越短，表明联焰性能越好，反之则越差。

图2 全环燃烧室试验装置示意图

2.试验结果与分析

本试验选用了2种不同型号的燃烧室：A型和B型燃烧室，2种燃烧室的区别仅在于头部涡流器不同：A型燃烧室采用双级涡流器，B型燃烧室采用三级涡流器。2种燃烧室头部流场的PIV试验结果如图3所示，着火时间和联焰时间如图4所示。可以发现，A型燃烧室的点火位置不在头部回流区低压中心的正上方，B型燃烧室的点火位置在头部回流区低压中心的正上方；B型燃烧室的着火性能和联焰性能是明显优于A型燃烧室的，这表明点火位置在头部回流区低压中心的正上方的燃烧室点火性能最优。2种燃烧室相邻头部之间的流场是存在相互干扰的，A型燃烧室的相邻头部回流区的干扰强度相比于B型燃烧室更强，并且A型燃烧室的头部回流区没有B型燃烧室的饱满、一致性好。所以燃烧室想要获得更加稳定的点火，燃烧室各个头部回流区应该尽量相互独立，并且各个回流区要饱满，具有一致性，这样点火过程中初始火核才不会由于回流区之间的相互干扰作用而被耗散，致使火核被熄灭。另外，各个回流区相互独立，相邻回流区的气流扰动弱，回流区的边界会相对稳定，不会产生大量的湍流涡团，这是有利于初始火核穿越回流区的边界的。

图3 燃烧室头部流场试验结果

图4 燃烧室的着火时间和联焰时间

高保真模拟和高速可视化测量是研究燃烧室点火及联焰过程和机理的有效手段。Yingjie Qiao[4]等对单头部燃烧室的点火过程进行了数值模拟和试验研究。结果表明火焰核心能否进入头部回流区是燃烧室点火成败的关键因素。肖为[5]等采用光学相机拍摄单头部燃烧室内的点火过程，得到了电火花点火的火核传播过程图像。研究表明，电嘴放电加热了附近的油气，随后形成一个热气核。燃烧从热气核中心向外传播，并逐渐形成一个初始火核，一部分子火核进入头部回流区内部，而其余子火核向头部回流区下游移动。通过文献[4-5]的研究结果，结合本文试验结果，可以得出，燃烧室点火过程中会出现初始火核分裂的现象，初始火核分裂为两部分，一部分进入头部回流区，火核（或火核衍变成的热气团）会继续发展壮大，进而点燃整个燃烧室；另一部分被回流区边界的湍流涡团气流所耗散，并随气流离开头部回流区，直至熄灭。这进一步证明了头部回流区边界的稳定，会更好地促使初始火核运动进回流区内部，否则，回流区的边界相互扰动产生大量的湍流涡团，致使边界不稳定，初始火核穿越回流区边界势必会消耗大量的能量，从而点火可靠性会随之下降。综上所述，燃烧室各个头部回流区之间的干扰不能太强，尽量保证各个回流区独立，并且饱满、充盈，具有一致性，使得初始火核（或火核衍变成的热气团）更好地在回流区内“孕育”壮大，进而点燃整个燃烧室头部，实现成功点火。点火位置应尽量位于头部回流区低压中心的正上方，燃烧室会获得更好的点火性能。

3.结论

本文通过对燃烧室头部回流区的流场进行PIV测量分析以及点火试验研究，获取了燃烧室相邻头部之间的流场试验结果，对比了两型燃烧室的点火性能，主要得出了以下结论：

（1）燃烧室点火过程中，初始火核能够穿越头部回流区边界进入回流区内部是实现点火成功的必要条件。燃烧室点火的最佳位置在头部回流区低压中心的正上方，即在该位置初始火核会更容易穿越回流区边界。

（2）燃烧室头部回流区形态饱满并具有一致性是提升点火性能的关键因素，充盈的头部回流区可以更好地“孕育”初始火核，使得火核在回流区内部发展壮大，从而可以点燃整个燃烧室。

（3）燃烧室各个头部回流区之间的相互干扰，对点火性能有着极大的影响；相互独立的头部回流区，其边界较稳定，初始火核可以更加容易的穿越边界进入回流区内部，燃烧室点火性能更好。