燃烧室头部激励的等离子体强化燃烧特性实验研究

等离子体助燃是一种新型的强化燃烧技术，近年来受到国内外学者的广泛关注。本文开创性地研制了基于旋转滑动弧等离子体的强化燃烧头部，建立了某型航空发动机三头部燃烧室实验件的等离子体助燃实验平台，验证了该等离子体强化燃烧技术应用于型号发动机燃烧室的可行性。实验研究等离子体助燃在不同余气系数和不同输入电压条件下对平均出口温度、燃烧效率、温度分布系数以及熄火边界的影响。实验结果表明，与正常燃烧相比，施加等离子体助燃后的燃烧效率有明显的提高，在输入电压为U0=240V，余气系数为 α=0.8时，等离子体助燃的燃烧效率提高3.24%。实施等离子体助燃后，燃烧室出口温度分布场分布得到明显的改善，在富油工况α=0.8，出口温度分布系数减少39.8%。等离子体助燃输入电压越高熄火边界扩展程度越明显，相比于正常工况条件下，等离子体助燃U0=240V的熄火边界扩宽了7.34%。     

替代燃料贫油熄火边界影响因素

为了研究燃油以及入口空气压力对于贫油熄火(LBO)边界的影响大小及规律,采用航空煤油(RP-3)、高沸点费托油(FT)和柴油进行了三种不同燃烧室入口压力工况下的贫油熄火实验并进行规律分析。分析结果表明:入口压力对贫油熄火边界的影响(19.17%)要大于燃油性质造成的影响(6.26%)。导致熄火油气比变化的主要因素包括入口空气压力,火焰体积,燃烧室温度,燃油雾化直径以及燃油的热值和密度,其中火焰体积和燃油雾化直径主要受燃油性质影响,而燃烧室温度则与入口压力有很大关系。入口压力影响的贫油熄火油气比变化会受其影响的火焰体积和燃烧室温度变化而削弱。碳数高支链烷烃含量少的燃油可能会提高火焰体积对熄火油气比的影响,使其在低入口压力下有更好的贫油熄火边界。      

带CDFS的核心机过渡态数值模拟方法研究

针对带核心驱动风扇级(CDFS)的核心机过渡态数值模拟获得的CDFS加、减速工作线趋势与试验结果不一致的问题,进行了原因解析和模型改进。通过分析影响CDFS加、减速工作线的主要因素,发现引起该问题的原因,是外涵放气系统节流位置随核心机状态改变,容腔容积偏离了物理容积。在分析容腔效应原理的基础上,提出以虚拟容积代替物理容积计算CDFS工作线的方法,并对模型进行了改进。改进后的模拟结果表明:采用虚拟容积计算的CDFS加、减速工作线趋势与试验结果一致,可满足带CDFS的核心机过渡态数值模拟要求。     

短螺旋型燃烧室旋流结构及气动边界发展规律数值模拟研究

短螺旋型燃烧室的头部轴线沿发动机周向与发动机轴线偏转一定角度,可以在保证燃烧效率不变的条件下有效缩短燃烧室轴向长度。短螺旋型燃烧室流场的最大特点是旋流流动单侧受限。为了研究头部安装角α变化对燃烧室旋流流动特性的影响,基于数值方法对短螺旋型燃烧室进行了计算分析。结果表明:随着α变化,旋流器下游旋涡依次出现对称环状、马蹄状、环状结构;随着α增加,气动边界逐渐出现并抑制旋流的周向扩张,导致流场出现不同的旋涡结构;不同α下的切向角动量随轴向距离增加而衰减,但α为35°和45°时,气动边界在非受限侧出现并对旋流产生约束,角动量衰减变慢;当α为0°,15°,35°,45°时,燃油液滴依次集中分布在旋流器下游两旋涡边缘、侧壁面和头部端壁、非受限旋涡边缘。本文研究了不同α下的旋涡结构及气动边界沿轴向的演化过程,为短螺旋型燃烧室进一步的设计与优化提供基础。     

逆向进气复合角发散冷却孔流量系数试验

针对回流燃烧室外环壁面冷气与燃气流动方向相反的情况,试验研究了发散孔进气方向与环腔通道气流流动方向相反的条件下,复合角发散冷却孔流量系数随发散孔倾角(25°~55°)、偏角(90°~180°)及压降系数等参数的变化规律。研究结果表明:复合角发散孔的流量系数随倾角的增大而增大,随偏角的增大而减小；随着压降系数的增大,复合角发散孔的流量系数先呈近似线性增长,当压降系数大于0.95后,呈非线性增长且增长速度减缓。      

环管燃烧室火焰筒空气流量试验

为确保环管型燃烧室火焰筒流量分布的均匀性,要求单台火焰筒流量相对偏差δ位于±1.5%之内。采用模拟压比法与相似理论,建立了火焰筒空气流量特性对比试验的数学模型,并对数据处理模型的误差传递进行分析,得出现有模型存在一个不能对火焰筒真实特性进行判定的区间,火焰筒入口空气压力偏差Δp_1是引起δ误差的关键因素。为此,设计了一种基于两级扩散、整流集气装置的空气流量试验系统,并对一组16台火焰筒试验件进行了入口压力p_1为20 kPa,40 kPa,60 kPa及80 kPa下的空气流量试验研究。数据显示火焰筒入口压力偏差小于±0.05 kPa,入口压力脉动相对值小于0.25%,产品特性参数C值的相对误差不大于±0.01%,可以实现对火焰筒流量特性一致性的判定。     

不同旋流器方案下旋流驻涡燃烧室性能

为研究旋流驻涡燃烧室的燃烧性能，设计了3种旋流器方案（基准型、小流通面积和外加套筒），在进口温度493 K、常压条件下，采用RP-3航空煤油作为燃料，凹腔当量比在0.8～1.8之间，开展了热态试验。结果表明：基准型和小流通面积的主燃区火焰为脱体火焰，而外加套筒则为V型驻定火焰，且小流通面积和加套筒的主燃区火焰更加集中。燃烧效率方面，基准型最低，而小流通面积最高，试验中获得的最高燃烧效率为96.3%。随着凹腔当量比的增加，基准型的燃烧效率不断增加，而小流通面积的则先基本不变，随后略有增加，外加套筒的则先快速增加，然后缓慢增加。此外，小流通面积的冷态总压损失高于基准型，在进口马赫数为0.31时，两者的冷态总压损失分别为7.2%和4.5%。     

旋转滑动弧涡流器点火探索试验

基于中小发燃烧室常用的斜切孔+径向叶片式涡流器，结合滑动弧的产生位置，开展了4种方案的旋转滑动弧涡流器设计及加工，并完成了冷态放电试验及点火试验验证。放电试验结果表明：4种方案的涡流器均能在预设位置产生稳定的旋转滑动弧。三头部点火试验结果表明：方案4的点火效果最好，其最小点火油气比低于常规点火方法。方案2次之，方案3仅能在较低的参考速度下实现燃烧室的点火，方案1的点火效果最差。滑动弧当地的气流速度及油气分布对点火效果影响显著，建议滑动弧处的气流速度不超过20 m/s。     

中心分级燃烧室慢车工况油雾场特性

为获得中心分级燃烧室慢车工况下主副级油雾场特性，采用粒子图像测速仪（PIV）对单管燃烧室不同头部方案和不同喷嘴燃油比例的油雾场进行试验测量，开发了油雾场图像后处理软件，对油雾场图像进行后处理，获得了中心分级燃烧室油雾场空间分布。慢车工况下油雾场试验结果表明：大粒径油珠在燃烧室富油头部区域呈锥形分布，同时索太尔平均直径（SMD）沿径向呈V型分布，即中间小、两侧大。燃烧室头部折流板扩张角的减小，使得燃烧室富油头部区域油珠数目集中、同时平均SMD较大。保持来流条件和油气比一定时，改变燃油比例对燃烧室雾化效果影响不大。油雾场中油珠数目最多的粒径是25μm，而体积占比最大的粒径范围是30～50μm。