高性能多级旋流单头部燃烧室点火试验研究

1 引言

随着航空发动机向高推重比、低排放方向发展，其循环参数持续提升，高温升燃烧室技术面临严峻挑战[1]。当前，先进航空发动机总压比已超过40，涡轮前温度升至 2300K 以上，进一步提高了燃烧室进口压力和温度，对燃烧室在更广工况范围内稳定可靠运行提出了更高要求。此外，军用发动机对高推重比的需求加剧，要求燃烧室在保障综合性能的同时，尽量缩短结构长度以减轻重量。这对燃油雾化效率、油气快速均匀混合以及在有限空间内完成燃烧的能力提出了更高标准[2]。

在燃气涡轮发动机燃烧室中，近年来提出并研究了多种高温升燃烧组织形式，如多旋流燃烧、中心分级燃烧、驻涡燃烧以及可变几何燃烧等。其中，多旋流燃烧与中心分级燃烧因其性能优势，成为当前研究的主要方向[3]。典型的多旋流燃烧设计包括GE 公司的双旋预混旋流燃烧室（TAPS）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的 Lean-staged 燃烧室和罗罗公司的Lean-burn 燃烧室。旋流燃烧技术通过在高速气流中维持火焰稳定，促进油气充分混合，保证燃烧效率与完全性，在燃烧室技术发展中占据重要地位。

燃烧室的点火性能受流场结构、燃油雾化分布及点火能量传递路径等多种复杂因素的影响。研究表明，中心分级燃烧室的贫油点火性能与火焰筒压降密切相关。此外，在保持总有效面积和内旋流数不变的情况下，双级轴向旋流器的外旋流数从1.77 增至2.15 时，点火性能呈现先降后升的趋势，较低的外旋流数有利于改善点火性能。同时，内外有效面积比对燃烧室在高空低压条件下的点火性能也有显著影响，研究发现，当内外有效面积比为3：7 时，点火性能达到最佳[4]。整体来看，围绕多旋流燃烧与中心分级燃烧的点火特性优化研究，为高性能燃烧室的设计提供了重要参考，但在贫油极限条件下的点火机理及性能提升方面仍需进一步探索。

主燃级的设计参数对燃烧室点火性能具有重要影响。研究表明，延长分层隔板长度可增大回流区的轴向和径向尺度，从而改善点火性能；而内级气量分配的增加可能引发主燃级流动的不稳定性，导致点火性能下降；此外，尽管外级旋流强度的减小会缩小回流区尺度，但却能提高火焰传播路径上的燃油浓度，从而有助于点火性能的提升[5]。付镇柏等[6]针对商用大涵道比涡扇发动机设计了 LESS 低污染燃烧室，试验研究了台阶高度和预燃级喷嘴流量数对点火性能的影响。结果表明：更大的台阶高度改善了点火性能，而较小的喷嘴流量数在低流量下表现出更优的雾化性能，同时降低了点火油气比[7]。Kobayashi 等[8]则研究了预燃级燃油喷嘴参数与燃烧室几何形状对点火性能的影响，而 Bake 等[9]通过试验分析了预燃级喷嘴雾化方式对地面点火的作用。研究一致表明，主、预两级的旋流强度越高，燃烧室点火性能越优。综上，国内外针对燃烧室点火性能的研究涵盖了燃油喷嘴参数、气流分配、旋流强度等多个方面，并取得了重要进展。然而，针对不同设计参数间的耦合效应以及贫油极限下点火特性的研究仍存在不足，尤其在多旋流燃烧室中，进一步探讨点火性能提升的优化策略具有重要意义。

相较于传统头部富油燃烧室，多级旋流燃烧室由于头部进气量占总进气量的 40%-70% ，对其燃烧稳定性边界构成了严峻挑战，尤其在极端贫油条件下的点火特性表现尤为关键。为深入探究多级旋流燃烧室的贫油点火机理及其影响因素，本文首先通过喷嘴流量特性试验精准量化喷嘴的流动特性，为油气匹配特性分析提供数据支持；随后，在常温常压条件下，系统开展贫油点火特性试验，量化点火极限及其变化规律。本研究不仅有助于揭示多级旋流燃烧室贫油点火特性的关键影响因素，还为高性能多级旋流燃烧室的气动设计优化提供了科学依据，具有重要的工程应用价值。

2 研究对象及试验系统

2.1 单头部燃烧室

本文研究的燃烧室为高性能多级旋流单头部燃烧室，燃烧室头部采用同心布置，中心级由离心喷嘴和一级旋流器组成，主燃级由直射喷嘴和轴向旋流器组成，主燃级环绕中心级外侧布置。火焰筒设计为多斜孔冷却结

构，点火时仅由离心喷嘴供油。

点火位置设置在头部出口下游适当位置，点火电嘴与火焰筒内壁齐平。数值计算表明，点火电嘴位于主燃区低速回流区附近，燃油在此区域形成具有一定质量分数分布的油雾场，有利于点火过程的顺利进行。

2.2 试验系统

点火试验在中国航发四川燃气涡轮研究院的某试验台上进行。燃烧室进口配备复合总温总压测量耙和静压测点，出口则安装了 5 点总压耙、5 点总温耙和静压测点。其中，总压与静压的测量精度为± 0.5% ，温度测量精度为 ±1‰ 。燃烧室出口的排气管道设置有观察窗，用于监测点火过程。

总压与静压的测量采用 16 通道 PSI 9116 智能压力扫描阀，仪器量程为 15 PSI，测量精度为 ± 0.05 FS（Full Scale）。温度测量使用 16 通道PSI 9146 智能温度扫描阀，测量精度为± 1‰ 。燃烧室空气流量通过标准孔板测量，结合测量孔板前压力、温度及前后孔板压差计算燃烧室进口空气流量，精度为± 0.5‰ 。燃油流量使用量程为 0-25g/s 、精度为± 0.5% 的质量流量计测量。经误差传递函数分析计算，贫油点火余气系数的测量精度为 ±0.56‰

2.3 试验方法

在点火实验中，首先打开燃油开关阀，随后启动点火器。如果在15 秒内成功点燃，并且在关闭点火器后火焰能够保持稳定燃烧，则判定点火成功。若点火成功，则逐步降低燃料流量并再次进行点火试验，以确定燃料流量的最低点火值；若未点燃，则逐步增加燃料流量，直至点燃为止。对于点火临界状态，重复进行 3 次点火试验以验证该工况下的点火可靠性，若结果一致，则将该状态定义为点火边界。在改变燃烧室压降或流量的条件下，可进一步绘制燃烧室的点火边界曲线。

3 试验结果与分析

3.1 喷嘴流量特性试验

图 3 给出了离心喷嘴的质量流量 W_f （单位为 g/s ）与压降平方根（△p_f^0.5 ）（单位为 MPa^0.5 ）的关系。理论上，离心喷嘴的流量与喷嘴两端的压降满足以下关系： ，其中，K 是喷嘴流量数（flow number），用于表征喷嘴的几何结构和液体物理性质对流量的影响。

从图 3 可见，在研究的流量范围内，喷嘴流量 W_f 与压降平方根△ p_f^0.5 成正比关系，流量 W_f 随压降平方根△ p_f^0.5 增大而线性增加，这表明喷嘴的流量特性在工作范围内稳定且可控，与流体动力学理论预测相符，体现了离心喷嘴设计的可靠性和可操作性，为燃烧室内燃油供给的精确调控提供了理论依据和实验验证。

图4 展示了离心喷嘴的流量数 K 与压降平方根（△ p_f^0.5} ）（单位为 MPa^0.5 ）的关系。经计算，本文设计的离心喷嘴流量数 K 为 1.61 g/（s·MPa^0.5 ）。研究结果表明，流量数 K 几乎不受燃料压降的影响，这一特性可以通过燃料流经离心喷嘴的物理过程进行解释。

燃料以切向方式进入离心喷嘴，在离心力作用下在喷嘴出口处形成中空的燃料液膜。随后，受表面不稳定性与气动力的共同作用，液膜变得不稳定并形成“ 伞状” 液体喷雾。较高的燃料压降带来更大的离心力和液膜更高的切向速度，从而增强了燃油的雾化效果，并加速了燃油与空气的混合过程。这一过程中，喷嘴流量数 K 通常仅受离心喷嘴几何结构及流体性质影响，而与工作条件（如压降）无关，这与试验结果相符。

需要注意的是，当燃料流量超过某一特定值时，流量数 K 出现轻微下降，这可能是由于喷嘴流量系数的减小所致。总体而言，离心喷嘴在研究范围内的流量数表现稳定，验证了喷嘴在燃油供给及雾化过程中的可靠性和一致性，为燃烧室性能优化提供了重要依据。

3.2 点火试验结果

在常温常压试验条件下，针对燃烧室压力降在 1.5%-5.5% 范围内，开展了贫油点火性能试验。本次试验仅对中心级供油，点火电嘴产生的火花需穿透主燃级的大量旋流空气以点燃中心级。试验中使用的燃料为RP-3 航空煤油。试验过程中，预设燃烧室进口压力、进口温度及火焰筒压降，通过调节中心级喷嘴的燃油流量，研究点火特性。

具体点火流程如下：当燃烧室点火成功后，逐步减少燃油流量，再次进行点火试验；若燃烧室无法点燃，则逐步增加燃油流量，探索最大能够点燃的余气系数。在每一工况下，重复进行三次点火试验，确认最大余气系数为该工况的最大点火余气系数。若某一燃烧室进口流速下点火不成功，则停止更高进口流速条件下的试验。

在不同的火焰筒进出口总压降下进行点火试验，整理得到最大点火余气系数随火焰筒进出口总压降的关系曲线，从而绘制出燃烧室的贫油点火边界。以余气系数为纵坐标，燃烧室压降为横坐标，将常温常压下的试验数据整理后绘制出曲线。试验结果如图5 所示。

由图 5 所示的点火边界线可以看出，在常温常压条件下，贫油点火余气系数随燃烧室压降的增加而逐渐减小，点火边界呈现出逐步收窄的趋势。

当燃烧室压力降从 1.47% 增加到 3.22% 时，贫油点火余气系数从 6.55 降至3.58，下降幅度达到 45.3‰ 。在燃烧室压力降为 1.47% 时，贫油点火余气系数达到最大值 6.55

然而，当燃烧室压力降增至 4.5% 和 5.5% 时，经过多次点火尝试均未成功点燃。分析其原因可能为：随着燃烧室进口空气流量或流速的增大，火花附近区域的空气与燃料蒸汽的混合比未达到着火范围。此外，对流热损失显著增加，导致火花释放的热量过快传递至燃烧室下游区域，无法在火花附近形成足够能量密度的稳定火核，进而难以实现点火。这一现象表明，在高压降条件下，燃烧室点火的气动设计需进一步优化，以改善空气与燃油的混合特性及火焰的热稳定性。

贫油点火边界受燃烧区局部气流条件和燃油雾化质量的共同影响。对于常规燃烧室，随着压力降增加，进入燃烧室的空气流量和离心喷嘴的燃油流量同步增大，雾化压力随之提高，从而改善燃油的雾化质量。同时，压力降的增加加强了气动力作用，使燃油在旋转气流中的雾化和蒸发效率提升，颗粒粒径减小，更易在高能火花作用下形成油蒸汽，从而增加贫油点火油气比。然而，进口气流速度的增加会导致点火位置的轴向速度升高，火核散热加剧，温度上升减缓，进而影响点火效果。

在高性能多级旋流燃烧室中，由于头部进气量显著高于常规燃烧室，相同压力降下的头部平均流速更大，燃油穿透距离增加，点火位置的湍流强度和湍动能显著提升。这种高速气流加剧了电火花的散热，削弱火焰传播和稳定性，进一步增加点火难度。在本文试验研究的燃烧室进口压降范围内，空气流速增大对点火性能的抑制作用超过了雾化质量改善的积极影响，最终导致点火边界范围收窄，表现出点火性能的显著下降趋势。

4 结论

本文基于高性能多旋流单头部燃烧室，分别在喷嘴压降为0.3MPa-3.50MPa 和燃烧室压降为 1.5%5.5% 的试验条件下，研究了中心级喷嘴的流量特性和燃烧室的常温常压点火性能，得出以下结论：

1）随着喷嘴供油压差Δ pf 的增加，燃油流量Wf 呈线性增加。当燃油流量超过一定值时，喷嘴的流量数K 略有减小；

2）随着多旋流单头部燃烧室压降的增加，贫油点火余气系数逐渐减小，贫油点火性能变差，且存在最大的燃烧室点火压降，超过该值后点火无法成功。

参考文献

[1].杨金虎.多级旋流分级燃烧室点火/熄火特性，机理和预测方法研究[D].中国科学院大学（中国科学院工程热物理研究所），2020

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[5].杨金虎，刘存喜，刘富强，等.分级燃烧室预燃级旋流组织对点熄火性能影响的试验研究[J].推进技术， 2019（9）：10

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[7].Yao Kang， Yuzhen Lin， Zhenbo Fu， et al.， EXPERIMENTAL ANDNUMERICAL STUDY OF THE EFFECT OF STEP HEIGHT ON A LESSCOMBUSTOR UNDER LOW-POWER OPERATION， Proceedings of ASMETurbo Expo 2014， GT2014-25271.

[8].M. Kobayashi， H. Ogata， T. Oda， R. Matsuyama， H. Fujiwara，Improvement on Ignition Performance for a Lean Staged Low NOX Combustor[J]. Proc. Of ASME Turbo Expo 2011， ASME Paper No. GT2011-46187.

[9].S. Bake， W. Lazik， T. Doerr. Development of Lean-Burn Low-NOxCombustion Technology at Rolls-Royce Deutschland [C]// Asme Turbo Expo.2008.

作者简介：曾帅，男，汉族，河南商丘人，高级工程师，硕士研究生，从事航空发动机燃烧室点火试验研究工作 41140219901211851X

基金项目：四川省自然科学基金青年项目（2023NSFSC0834）；西南科技大学博士基金（23ZX7155）（一般项目）