发动机环形燃烧室点火过程可视化实验研究

王慧，钟亮，王高峰

(浙江大学 航空航天学院，杭州 310027)

0 引 言

辅助动力装置APU是一个小型的燃气涡轮发动机[1]，具有体积小、重量轻的特点，可改善发动机气动性能、降低使用费用，能独立输出压缩空气或者供电，同时也是保证发动机空中停车后再启动的主要装备，直接影响飞行安全。

近年来，辅助动力装置APU的点火问题受到了越来越多的关注，因为其直接影响发动机工作的可靠性和安全性，同时，APU在高压、高空、低温等恶劣条件下的正常启动与再点火能力也一直是航空发动机领域的研究重点[2-3]。另外，随着对污染物排放要求的不断提高，贫油预混预蒸发等技术手段的逐渐应用，使得其燃烧室点火过程面临更严苛的挑战。根据燃烧室点火和火焰周向传播规律，点火过程分为三个阶段[4]：①初始火核形成；②火核扩张发展形成单个稳定的旋流火焰；③火焰面周向传播，点燃全部喷嘴。周向点火联焰受到点火模式、点火能量、当量比、流速、喷嘴间距、油气分布、压力和温度等诸多因素影响，其物理机制和控制规律十分复杂。因此，深入研究环形燃烧室中的复杂点火过程具有重要指导意义。

使用全尺度工业级燃烧室进行点火实验研究，会面临测量困难和代价高昂问题。因此，发展实验室尺度的燃烧室模型，在尽可能保留真实燃烧系统流场特性的同时，增加光学诊断窗口，成为研究环形燃烧室点火机理的有效手段[3]。目前，国内外也已经发展了一些较为成熟的环形燃烧室模型，例如，法国EM2C实验室的研究人员基于MICCA装置[5-7]，在环形燃烧室中进行点火研究，实验中观测到拱形火焰结构，火焰沿着燃烧室两侧传播方式为周向向前；剑桥大学的E.Machover等[8-9]研究了预混和非预混条件下的火焰传播过程，发现了火焰在喷嘴之间“锯齿状”的传播方式，而且平均速度越大锯齿状传播模式中向下游传播就越明显。国内王高峰等[10-11]基于浙江大学的TurboCombo环形燃烧室与涡轮耦合模型，对比分析了先通燃气后点火(FFSL)和先点火后通燃气(SFFL)两种模式的不同形态特征，发现了喷嘴旋流方向的排列会破坏周向点火过程的对称性，使得沿顺时针和逆时针方向火焰面传播速度差别较大。

本文着重研究不同构型燃烧室下火焰传播过程的形态特征，通过搭建环形燃烧室实验平台，使用高速相机记录周向火焰传播过程，探究直流喷嘴燃烧室、斜流喷嘴燃烧室以及引入导叶后的燃烧室火焰传播的差异。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

TurboCombo实验平台如图1所示，主要由环形燃烧室及涡轮两部分组成，其中环形燃烧室壁面由透明石英玻璃壁面构成，满足了可视化实验需求。

实验中丙烷与空气经混气管路充分预混后送入配气室，之后再经旋流喷嘴进入燃烧室腔体，在环形基座上等间距地布置了16个旋流喷嘴，采用6个径向斜孔形成旋流，旋流数S=0.82。常规竖直喷嘴，敞口环形燃烧室即在TurboCombo实验平台中仅保留环形燃烧室部分，同时将内壁支承金属圆筒也改为透明石英玻璃壁；倾斜喷嘴，敞口环形燃烧室即在此基础上改变喷嘴入射角度，使喷嘴轴向与燃烧室轴向成45°；带涡轮导叶环形燃烧室，就是TurboCombo涡轮部分保留涡轮导叶，研究下游涡轮导叶对点火过程的影响。

1.2 实验方法

整个点火过程由高速相机记录，帧率为1 000 Hz(相机位置如图2所示)。针对带涡轮导叶环形燃烧室，由于内壁支承金属圆筒的遮挡，需要2台高速相机才能记录完整的点火过程，此外为了更好地记录火焰传播形态，在相机镜头前加装了带通为400～680 nm的可见光滤镜。

图2 实验装置及测量设备布置示意图Fig.2 Layout of the experimental configuration and diagnostic equipment

实验中空气与丙烷流量分别采用七星D07-60B和D07-9E质量流量计控制，可燃混气在以设定的配比进入燃烧室腔体后由贴近环形基座的点火针点燃，点火针的频率为100 Hz，平均点火能量约为100 mJ。实验中的具体操作方式如下：首先将空气按照预设值通入燃烧室，启动点火针，之后打开丙烷流量计阀控，在流量计响应时间之后，可燃混气被点燃，点火过程开始。本文中所有实验均在常温常压下进行，并且针对每个工况都进行了至少3次的重复实验，确保实验结果可靠。此外由于燃烧室壁面温度对点火过程存在较大影响[12]，每次实验前都将燃烧室壁面预热至500 K。

2 实验结果

本文所有点火过程序列图片均为高速相机拍摄的灰度图经渲染之后的结果。

2.1 直喷环形燃烧室的点火过程

直喷环形燃烧室的点火过程如图3所示，白色对应于火焰最大发光强度，而灰色对应于火焰最小发光强度，可以看出：整个点火过程可以分为3个阶段：(1)可燃混气遇到足够能量的火花，产生初始火核；(2)初始火核不断扩张发展，并在点火针临近的喷嘴处形成单个稳定的旋流火焰；(3)单个旋流火焰分为两支，沿着两个方向逐次点燃全部喷嘴，最终达到稳定工作状态，实验中将初始火核生成时刻定义为周向点火起点，将两侧火焰面融合时刻定义为终点。在t=80 ms时，两侧火焰面的融合，但融合位置并非在点火针的正对处，而是在燃烧室左半侧，即两侧火焰面的传播存在着不对称性，右侧火焰面处于领先位置。

图3 直喷环形燃烧室的点火过程Fig.3 Ignition process of the annular combustor with upright inject

2.2 斜喷型环形燃烧室的点火过程

斜喷型环形燃烧室的点火过程如图4所示，可以看出：此时火焰的传播模式与直喷环形燃烧室点火过程不同，由原先的沿两侧双向传播转变为仅沿单侧传播。这是因为改变喷嘴入射方向后，环形燃烧室内形成了一个俯视逆时针的周向速度分量，在这个周向速度分量的作用下，左侧火焰面的传播得到了加强，而右侧火焰面的传播被完全抑制，形成了单向火焰传播模式。这说明，此时火焰的传播行为主要是由燃烧室内的流场结构所决定的。

图4 斜喷型环形燃烧室的点火过程Fig.4 Ignition process of the annular combustor with oblique inject

2.3 带涡轮导叶环形燃烧室的点火过程

带涡轮导叶环形燃烧室的点火过程如图5所示，可以看出：此时火焰传播形态与直喷环形燃烧室中相似，均沿双向传播。但由于出口涡轮导叶的存在，火焰面上沿在冲刷涡轮导叶时传播方向发生了偏折。

图5 带涡轮导叶环形燃烧室的点火过程Fig.5 Ignition process of the annular combustor with turbine vane

3 周向点火时间的结果分析

周向点火时间t可以反映火焰在环形燃烧室中传播的历程，t是指从初始火核生成到火焰面融合或点燃所有喷嘴间经历的时间。本文研究了当量比一定或热功率一定时，周向点火时间随工况变化的实验结果，并以此来分析倾斜喷嘴结构和燃烧室出口涡轮导叶对周向点火时间的具体影响。

直喷环形燃烧室和斜喷型环形燃烧室的周向点火时间变化规律对比图如图6所示，可以看出：由于改变喷嘴入射角度带来的流场结构变化会造成两者周向点火时间的显著差异，在斜喷型环形燃烧室中，火焰仅沿单侧传播，所以周向点火时间明显延长。

(a) 当量比一定(φ=0.80)

(b) 热功率一定(P=18.6 kW)图6 喷嘴角度对周向点火时间的影响Fig.6 Influence of nozzle angle on circumferential ignition time

从图6(a)可以看出：当量比一定时，两者周向点火时间均随主流速度Ub增大而缩短，这是由于流速增大，湍流脉动加剧，湍流火焰传播速度ST加快。但两者对于流速增大的响应有所不同，斜喷型环形燃烧室的周向点火时间随流速增大的缩短更为显著，这是因为随着主流速度增大，周向速度分量的作用也愈发明显，它能更好地加速火焰传播，缩短周向点火时间。

从图6(b)可以看出：热功率一定时，周向点火时间随主流速度增大或当量比减小而缩短。一方面，主流速度的增大会加快湍流火焰传播；另一方面，随着当量比的减小，在贫燃范围内，燃后气体温度Tb以及层流火焰传播速度SL均会下降，两者都会使火焰传播减慢。因此根据实验结果可以推测，相较于燃后气体温度及层流火焰传播速度，流动对火焰传播速度有重要影响，特别是对于斜喷型环形燃烧室，当主流速度足够大时，燃烧室内的周向速度分量就决定了火焰的周向传播速度。

燃烧室出口带有涡轮导叶和不带涡轮导叶的周向点火时间变化规律对比图如图7所示，可以看出：两者随各参数的变化规律相同，但在燃烧室出口涡轮导叶的影响下，整体周向点火时间缩短，在图7所示的工况范围内，周向点火时间缩短了约15%，这是因为在出口涡轮导叶的影响下，点火过程中的非定常流场结构发生了改变。

(a) 当量比一定(φ=0.80)

(b) 热功率一定(P=15.5 kW)图7 涡轮导叶对周向点火时间的影响Fig.7 Influence of turbine vane on circumferential ignition time

4 结 论

(1) 在直喷竖直喷嘴的敞口环形燃烧室内，初始火核发展为旋流火焰后向两侧传播，之后两侧火焰持续点燃所有喷嘴直至融合。

(2) 在倾斜喷嘴的敞口环形燃烧室内，火焰转变为仅沿单向传播，这是由于改变喷嘴入射角度而引入的周向速度分量造成的。

(3) 在带涡轮导叶环形燃烧室内，火焰传播形态与常规竖直喷嘴燃烧室相似，仍沿双向传播，但火焰面上沿在涡轮导叶作用下发生偏折。

(4) 改变喷嘴角度后，由于火焰仅沿单侧传播，周向点火时间明显延长并且更易受流动影响；而在涡轮导叶的影响下，虽然火焰传播形态相似，但周向点火时间有所缩短，这是由于点火过程中的非定常流场结构变化造成的。

(5) 在大光学窗口的透明环形燃烧室模型下，利用高速可视化方法开展周向点火机理研究的方法是有效性的。