變幾何火焰穩(wěn)定器燃燒特性試驗(yàn)研究

變幾何火焰穩(wěn)定器燃燒特性試驗(yàn)研究

加力燃燒室技術(shù)是根據(jù)短期渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推質(zhì)量比的重要手段。對(duì)于各種軍用飛機(jī)來(lái)說，具有加力燃燒室的航空發(fā)動(dòng)機(jī)被廣泛用于以提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性?，F(xiàn)在，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件性能的日益提高以及人類對(duì)飛機(jī)高飛機(jī)性能的不斷追求，加力燃燒室的工作在更寬的工作范圍內(nèi)，這對(duì)加力燃燒室的火焰穩(wěn)定裝置提出了更高的要求。在大場(chǎng)景的變化范圍內(nèi)，火穩(wěn)定裝置能否始終保持高火、穩(wěn)定火焰和燃燒的性能，以及低流量損失是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。另一方面，如果車輛的工作在“非加速度”狀態(tài)，則固定在加力燃燒室的火焰穩(wěn)定系統(tǒng)的流阻誤差是無(wú)用的，并且降低了燃料消耗。理想的火焰穩(wěn)定裝置應(yīng)盡量減少送空氣阻力。加力燃燒室中所采用的典型火焰穩(wěn)定器為V型火焰穩(wěn)定器,該型穩(wěn)定器基于鈍體穩(wěn)焰機(jī)理,通過高速氣流中在穩(wěn)定器尾緣后方形成低速回流區(qū)來(lái)穩(wěn)定火焰.然而,鈍體穩(wěn)焰的基本原理告訴我們,鈍體火焰穩(wěn)定裝置所帶來(lái)流動(dòng)損失視乎是穩(wěn)定火焰所必須付出的代價(jià).因此,人們希望在火焰穩(wěn)定和流動(dòng)損失之間找到1個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn),以最小的流動(dòng)損失換來(lái)最大的穩(wěn)焰及燃燒能力.國(guó)內(nèi)外在尋求高效低阻的加力燃燒室穩(wěn)焰方式和穩(wěn)焰裝置上做了大量的研究工作,也取得了一定的進(jìn)展.變幾何火焰穩(wěn)定裝置可以通過改變自身的幾何形狀或結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同的工作狀態(tài),這是一種非常直接且有效的解決上述問題的思路,但是難點(diǎn)在于能夠可靠地運(yùn)行在高溫高速環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),并且不能有過多額外重量的增加.然而,隨著機(jī)械設(shè)計(jì)水平的提升和新型材料的應(yīng)用,變幾何火焰穩(wěn)定裝置的可實(shí)現(xiàn)性大幅度增加,對(duì)其的相關(guān)研究也勢(shì)必有著重要的意義.國(guó)內(nèi)外關(guān)于變幾何火焰穩(wěn)定裝置的相關(guān)文獻(xiàn)主要集中在早期的專利,而缺少對(duì)其流阻特性、燃燒特性及控制規(guī)律的相關(guān)研究.本文作者在文獻(xiàn)中提出一種基于V型火焰穩(wěn)定器、尾緣槽寬可變的火焰穩(wěn)定器試驗(yàn)件設(shè)計(jì)方案,并以其為研究對(duì)象,在北京航空航天大學(xué)二元加力/沖壓燃燒試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)穩(wěn)定器的流阻特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,主要研究了試驗(yàn)件在冷態(tài)及燃燒狀態(tài)下,總壓恢復(fù)系數(shù)與穩(wěn)定器槽寬的變化關(guān)系,并討論了不同的槽寬變化方式對(duì)流阻特性影響.本文是對(duì)該變幾何穩(wěn)定器試驗(yàn)件的第2篇試驗(yàn)研究文章,試驗(yàn)系統(tǒng)除測(cè)試外與文獻(xiàn)基本相同,重點(diǎn)研究了在不同的燃燒工況下,穩(wěn)定器燃燒效率與穩(wěn)定器尾緣槽寬的變化關(guān)系、出口溫度分布與穩(wěn)定器幾何變化的關(guān)系,并且通過穩(wěn)定器尾緣后方回流區(qū)的燃燒圖像討論了幾何變化對(duì)于該區(qū)域的燃燒狀態(tài)及火焰結(jié)構(gòu)的影響.本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論有助于加深對(duì)該型變幾何火焰穩(wěn)定器燃燒特性的了解,并對(duì)該型穩(wěn)定器的數(shù)值模擬和進(jìn)一步試驗(yàn)研究提供參考.1試驗(yàn)系統(tǒng)1.1穩(wěn)定器尾緣槽寬度控制變幾何火焰穩(wěn)定器試驗(yàn)件主要由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、安裝座、噴油桿、固定整流罩和活動(dòng)葉組成,主體部分的實(shí)體結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示,其中固定整流罩和兩個(gè)活動(dòng)葉片構(gòu)成了二元的V型鈍體穩(wěn)焰基本結(jié)構(gòu).圖1(b)示意性的描述了穩(wěn)定器的幾何變化原理,整流罩固定不動(dòng),當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)兩個(gè)活動(dòng)葉片圍繞O1,O2對(duì)稱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),穩(wěn)定器尾緣槽寬w則做出相應(yīng)改變,本試驗(yàn)件w可在4～48mm之間無(wú)級(jí)變化.其中整流罩最大寬度h=24mm,活動(dòng)葉片長(zhǎng)l=30mm.變幾何火焰穩(wěn)定器試驗(yàn)件可通過控制軟件實(shí)時(shí)控制尾緣槽寬變化.該控制軟件采用C++Builder可視化編程環(huán)境編程實(shí)現(xiàn),具體可完成以下功能:1)單步控制穩(wěn)定器尾緣槽寬.2)單步控制穩(wěn)定器尾緣槽寬變化速度.3)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)變化速度、穩(wěn)定器尾緣槽寬、葉片張角數(shù)值.4)實(shí)時(shí)模擬顯示穩(wěn)定器葉片運(yùn)行情況.5)可編程進(jìn)行多步自動(dòng)運(yùn)行控制.6)可與試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊.圖2為變幾何火焰穩(wěn)定器的控制原理圖,計(jì)算機(jī)可根據(jù)試驗(yàn)操作人員的指令,通過控制軟件向步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度及轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù).步進(jìn)電機(jī)控制器根據(jù)角度參數(shù)和速度參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),并通過角度傳感器和速度傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行精確控制.減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使活動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩達(dá)到試驗(yàn)的實(shí)際要求.試驗(yàn)段中的壓力/溫度傳感器可以通過測(cè)試系統(tǒng)將試驗(yàn)工況傳輸給計(jì)算機(jī),為試驗(yàn)者提供控制依據(jù)和控制效果反饋.1.2進(jìn)入試驗(yàn)段試驗(yàn)段試驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)二元加力/沖壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示.壓氣站氣源分為2路進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng),分別為主氣路和冷卻氣路.主氣路經(jīng)過流量控制閥和孔板流量計(jì)進(jìn)入加溫段,加溫(或未加溫)后的氣流進(jìn)入前測(cè)量段,在前測(cè)量段由皮托管、壓力傳感器和熱電偶測(cè)量燃燒試驗(yàn)段進(jìn)口參數(shù);然后氣流進(jìn)入試驗(yàn)段,試驗(yàn)段具有試驗(yàn)件的安裝、供油及點(diǎn)火功能,并設(shè)有石英觀察窗;試驗(yàn)段后是后測(cè)量段,通過壓力傳感器和熱電偶測(cè)量試驗(yàn)段出口參數(shù).試驗(yàn)段及后測(cè)量段配有冷卻氣路,加溫段和試驗(yàn)段都配有獨(dú)立可控的燃油供給系統(tǒng).前測(cè)量段、試驗(yàn)段和后測(cè)量段為150mm×170mm的矩形通道.如圖4所示,試驗(yàn)件水平安裝在試驗(yàn)段中,火焰穩(wěn)定水平長(zhǎng)度為160mm.試驗(yàn)重點(diǎn)采集穩(wěn)定器前后的溫度信息,用于分析穩(wěn)定器的燃燒特性.由于加溫段與前測(cè)量段之間有著較長(zhǎng)的摻混距離,加溫后的氣流到達(dá)前測(cè)量段時(shí)有著很好均勻性,因此穩(wěn)定器前方的溫度測(cè)量采用單點(diǎn)采集.而穩(wěn)定器后方的溫度測(cè)量設(shè)置有15個(gè)采集點(diǎn),用于獲取溫度場(chǎng)信息.圖5示意了穩(wěn)定器前后總溫采集點(diǎn)在流向垂直截面上的位置分布及總溫測(cè)量耙的安裝方式.總溫測(cè)量耙與穩(wěn)定器試驗(yàn)件沿流向的位置關(guān)系如圖6所示,其中L1=420mm,L2=680mm.在試驗(yàn)時(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)前后總溫測(cè)量耙的16個(gè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行10次/s的采集與存儲(chǔ).1.3高能電火花點(diǎn)火器試驗(yàn)如圖7所示,試驗(yàn)采用1個(gè)直射式噴油桿逆向噴射對(duì)穩(wěn)定器進(jìn)行供油,噴油桿上開有3個(gè)孔徑為0.7mm的燃油噴射孔,噴油桿距離穩(wěn)定器前端的距離D1為20mm.試驗(yàn)采用高能電火花點(diǎn)火器進(jìn)行穩(wěn)定器點(diǎn)火,點(diǎn)火桿垂直安裝于穩(wěn)定器尾緣后回流區(qū)附近的試驗(yàn)段側(cè)壁.點(diǎn)火位置與穩(wěn)定器尾緣的水平距離D2為32mm(尾緣槽寬40mm時(shí)).電火花能量為5J,火花頻率為3～6次/s.1.4穩(wěn)定器用量試驗(yàn)本次試驗(yàn)中,試驗(yàn)段入口處來(lái)流馬赫數(shù)范圍為0.14～0.19、溫度范圍為430～530K,使用航空煤油RP-3作為燃料,穩(wěn)定器供油流量的變化范圍為3.0～13.0g/s,試驗(yàn)壓力為常壓.2燃燒溫度的測(cè)定本文以燃燒效率來(lái)反應(yīng)穩(wěn)定器的燃燒性能,燃燒效率通過溫升法來(lái)計(jì)算,計(jì)算公式如下:ηc=ΔTprΔTthηc=ΔΤprΔΤth其中ηc為燃燒效率;ΔTpr為實(shí)際溫升;ΔTth為理論溫升.實(shí)際溫升采用燃燒試驗(yàn)段前后溫升,在計(jì)算時(shí),穩(wěn)定器后方溫度采用測(cè)試截面15點(diǎn)溫度的質(zhì)量流量平均值;理論溫升通過能量平衡關(guān)系查表迭代計(jì)算得到.本文以穩(wěn)定器尾緣槽寬與整流罩最大寬度比w/h來(lái)描述穩(wěn)定器的幾何特征.2.1穩(wěn)定器燃燒效率試驗(yàn)固定來(lái)流溫度T0=530K、來(lái)流馬赫數(shù)Ma=0.16、穩(wěn)定器供油流量mf=10g/s.將穩(wěn)定器槽寬固定在40mm進(jìn)行點(diǎn)火,點(diǎn)火成功后將槽寬增大到48mm,待燃燒穩(wěn)定后,通過軟件控制穩(wěn)定器槽寬以1mm為步進(jìn)距離自動(dòng)減小至4mm.測(cè)試系統(tǒng)在整個(gè)變化過程中實(shí)時(shí)采集穩(wěn)定器前后溫度信息.試驗(yàn)結(jié)果圖8所示,圖中橫坐標(biāo)為w/h,縱坐標(biāo)為穩(wěn)定器燃燒效率ηc.從圖8中可以看到隨著w/h從2.00逐漸減小,ηc平緩上升,當(dāng)w/h減小到1.25附近時(shí),ηc出現(xiàn)了一個(gè)急劇的下降過程,然后逐漸趨近于0.很明顯,在w/h變化到1.25附近時(shí)穩(wěn)定器熄火,我們需要重點(diǎn)關(guān)注的是穩(wěn)定器在熄火前ηc隨w/h的變化關(guān)系,可以看到當(dāng)w/h從2.00變化到1.25時(shí),ηc從90%緩慢上升,最大值出現(xiàn)在w/h=1.33,為96%.值得注意的是:對(duì)于本試驗(yàn)件,在試驗(yàn)工況下,穩(wěn)定器燃燒效率的最高點(diǎn)并不是出現(xiàn)在穩(wěn)定器尾緣槽寬的最大值處(w/h=2.00),而是出現(xiàn)在小于最大值的某個(gè)位置(w/h=1.33).初步認(rèn)為這是因?yàn)?燃燒效率是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果,對(duì)于本試驗(yàn)系統(tǒng),隨著穩(wěn)定器w/h的減小,穩(wěn)定器后方的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、回流區(qū)大小、尾緣附近的氣流速度、穩(wěn)定器的集油率、燃油在尾緣處的二次霧化等因素都發(fā)生了相應(yīng)的變化,而這些變化對(duì)燃燒的影響各不相同,因此存在一個(gè)最佳的w/h值,在該點(diǎn)穩(wěn)定器的燃燒效率最高.對(duì)于該現(xiàn)象,有待于做進(jìn)一步深入研究.2.2燃燒效率的變化本節(jié)的試驗(yàn)方法和分析方法與上節(jié)相同,但選擇了2個(gè)不同的來(lái)流溫度T0進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),得到不同來(lái)流溫度下穩(wěn)定器幾何變化對(duì)燃燒效率的影響.試驗(yàn)固定Ma=0.16,mf=10g/s,選取T0=430,530K.如圖9所示(T0=530K所對(duì)應(yīng)的曲線在上節(jié)已經(jīng)分析,這里用作對(duì)比),可以看出:與T0=530K相比較,T0=430K對(duì)應(yīng)著較低的燃燒效率,這是因?yàn)閬?lái)流溫度降低不利于燃油的霧化和蒸發(fā),同時(shí)也降低化學(xué)反應(yīng)速率,從而使燃燒效率降低.從變化規(guī)律看,當(dāng)w/h從2.00減小到1.25時(shí),ηc從21%上升到28%然后回落到23%,最大值出現(xiàn)在w/h=1.46;與T0=530K相似,曲線在w/h=1.25附近出現(xiàn)大幅下降,在該點(diǎn)出現(xiàn)熄火.這說明在本試驗(yàn)的工況下,對(duì)于不同的來(lái)流溫度,在穩(wěn)定器處于燃燒狀態(tài)時(shí),穩(wěn)定器的幾何變化對(duì)燃燒效率的影響不同,但熄火位置相同.2.3不同來(lái)流速度下的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)保持T0=500K,mf=10g/s,選取Ma=0.14,0.19兩個(gè)來(lái)流馬赫數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.首先,Ma=0.14所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線有著較高的燃燒效率,這主要因?yàn)?組試驗(yàn)采用相同的燃油流量,較小的來(lái)流速度下燃燒區(qū)有著更高的油氣比.其次,從數(shù)據(jù)曲線的變化規(guī)律來(lái)看,Ma=0.19所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線,當(dāng)w/h從2.00減小到1.25時(shí),ηc從57%上升到64%,最大值出現(xiàn)在w/h=1.29,曲線在w/h=1.25附近出現(xiàn)大幅下降,在該點(diǎn)熄火.Ma=0.14所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線,當(dāng)w/h從2.00減小到1.25時(shí),ηc從88%上升到94%,但是當(dāng)w/h<1.25后并沒有急劇地下降到零點(diǎn)附近,而是在1.25到0.67之間有1個(gè)較為緩慢的下降過程,在該過程ηc從94%下降到51%.說明在該工況下,w/h<1.25時(shí)并沒有發(fā)生熄火,熄火發(fā)生在w/h=0.67附近.因此,通過不同來(lái)流速度下的試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論:在本試驗(yàn)所選擇的工況中,較小的來(lái)流速度下,穩(wěn)定器熄火時(shí)的w/h值變小;與高來(lái)流速度不同,w/h的變化對(duì)ηc的影響規(guī)律可分為3個(gè)過程,w/h=2.00到w/h=1.25之間ηc平穩(wěn)升高,w/h=1.25到w/h=0.67之間ηc隨著w/h的減小而降低,w/h<0.67熄火ηc降到0.2.4w/h的燃燒特征從上文對(duì)4個(gè)工況下的試驗(yàn)結(jié)果可看出,w/h從2.00減小到1.25這個(gè)階段,燃燒效率均在較小的幅度內(nèi)變化,工況不同變化的規(guī)律有所不同,當(dāng)w/h<1.25時(shí),穩(wěn)定器在3個(gè)試驗(yàn)工況下均熄火.而在Ma=0.14的試驗(yàn)工況下未熄火,燃燒效率隨著w/h的減小而減小,當(dāng)w/h<0.67時(shí)熄火.下面通過試驗(yàn)視頻截圖并結(jié)合燃燒效率曲線的3個(gè)變化過程,重點(diǎn)分析Ma=0.14工況下的燃燒狀態(tài)與火焰結(jié)構(gòu).圖11是本次試驗(yàn)燃燒圖像采集區(qū)域的示意圖,圖像采集區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定器尾緣后方回流區(qū).圖12為不同w/h下的燃燒圖像,通過上文的分析可以認(rèn)為,第1個(gè)過程為穩(wěn)定燃燒過程,圖12(a)顯示了w/h=2.00時(shí)的燃燒狀態(tài),主要特征是:穩(wěn)定器回流區(qū)充滿較均勻的藍(lán)白色火焰.隨著槽寬的減小,該燃燒狀態(tài)持續(xù)到w/h=1.75,而當(dāng)w/h減小到1.67時(shí),回流區(qū)的火焰顏色開始呈現(xiàn)出現(xiàn)紅色,但仍較為均勻,如圖12(b)所示.而當(dāng)w/h減小到1.58時(shí),見圖12(c),可以清楚地在圖像上看到穩(wěn)定器上下尾緣各掛有1條藍(lán)白色火焰面,而在2條藍(lán)白色火焰面之間的回流區(qū)中出現(xiàn)顏色不均勻的紅色火焰.隨著槽寬的繼續(xù)減小,2條藍(lán)白色火焰面之間的紅色火焰區(qū)域開始減小,向穩(wěn)定器方向回縮.當(dāng)w/h=1.25時(shí),如圖12(e)所示,回流區(qū)內(nèi)的紅色火焰僅在上下葉片之間有少量的殘余,而上下尾緣后的兩道藍(lán)白色的火焰面非常明顯.至此,第1個(gè)過程結(jié)束,從圖像中看到火焰的顏色和布局發(fā)生了改變,此過程中穩(wěn)定器的燃燒效率緩慢上升.當(dāng)穩(wěn)定器尾緣槽寬繼續(xù)減小,穩(wěn)定器上下葉片之間的紅色火焰消失,只有尾緣后的兩道藍(lán)白色火焰,進(jìn)入第2個(gè)過程,燃燒圖像如圖12(f)～圖12(h)所示,通過圖像可以看出,在這個(gè)過程中,上下2條藍(lán)白色火焰在尾緣后接觸并融合,融合后火焰的寬度隨著w/h的減小而減小.當(dāng)w/h減小到0.67附近時(shí),藍(lán)白色火焰消失穩(wěn)定器熄火,效率曲線進(jìn)入第3個(gè)過程.通過對(duì)本文其他3個(gè)工況的燃燒視頻分析可知,當(dāng)w/h從2.00到1.25之間變化時(shí),回流區(qū)的燃燒圖像基本與Ma=0.14工況相同,但是當(dāng)w/h<1.25時(shí),伴隨著回流區(qū)的紅色火焰消失,穩(wěn)定器隨后熄火,并未出現(xiàn)Ma=0.14的試驗(yàn)工況下繼續(xù)燃燒的現(xiàn)象.2.5穩(wěn)定器不同形狀對(duì)邊緣溫度的影響圖13是T0=530K,Ma=0.16,mf=10g/s工況下穩(wěn)定器不同幾何形狀所對(duì)應(yīng)的燃燒段出口溫度沿垂直方向的分布(水平方向取算術(shù)平均).通過上文的分析可知,該工況下,當(dāng)w/h<1.25時(shí)發(fā)生熄火,因此只在圖里列出了1.25以上的3組數(shù)據(jù)(w/h=1.33,1.66,2.00).可以看出:對(duì)于穩(wěn)定器不同的幾何形狀,出口溫度呈拋物線狀分布,越接近出口中心溫度越高;形狀的變化對(duì)于邊緣溫度的影響較小,出口中心溫度的變化幅度大于邊緣位置;在燃燒過程中,隨著w/h的減小,火焰張角減小,中心溫度不斷的增大,溫度分布均勻性降低.3燃燒狀態(tài)及火焰結(jié)構(gòu)本文對(duì)一種基于V型火焰穩(wěn)定器的槽寬幾何可變火焰穩(wěn)定器試驗(yàn)件進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)研究,重點(diǎn)描述了穩(wěn)定器幾何變化對(duì)燃燒效率的影響,并進(jìn)一步通過燃燒圖