航空发动机燃烧室点火研究概述

2021-08-01刘正艺陈溯敏周孙宇

燃气涡轮试验与研究 2021年6期

刘正艺，陈溯敏，周孙宇

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

确保航空发动机在极端环境(高寒点火)和特殊情况(高空点火)下点火起动成功，即具有较宽广的稳定燃烧工作范围，是实现发动机运行高可靠性和高安全性的关键。发动机燃烧室的点火过程极为复杂，涉及到小尺度的火焰与湍流的耦合，且影响点火过程及周向点火时间的因素错综复杂。目前，火焰的详细发展过程仍处于观测探索阶段，即其物理过程尚未被完全掌握和认识，理论建设、经验模型、数值计算和试验技术均存在一定挑战[1]。

随着发动机推重比的不断提升，发动机对燃烧室温升、稳定工作范围以及出口温度分布的要求越来越苛刻。为适应燃烧室热容增加，主燃区气流量相应增大，稳定火焰难度提升。此外，随着航空污染物排放标准的提高，分级燃烧室应运而生，但该类燃烧室的头部进气量较高，易导致其在低工况下火焰难稳定且点/熄火性能难保证。为此，需进一步深入开展航空发动机燃烧室稳定性设计，而点火相关研究能对其起支撑和指导作用。

本文通过对国内外多篇航空发动机燃烧室点火研究领域公开文献进行分类统计，介绍了目前点火研究的基本概况，并对点火研究的重点内容——点火特性预测方法、数值模拟方法、试验研究等进行了简述，对点火性能影响因素、点火性能改善方案进行了总结，以期为后期燃烧室点火设计提供参考。

2 燃烧室点火研究基本概况

通过收集、整理、分析多篇国内外大学、研究中心、企业以及行业设计所等有关燃烧室点火研究的文献[1-36]，发现有以下几个特点：

(1) 借助先进的测量仪器，逐步加深对点火过程的认识，深入观察了火核发展、火焰传播、火焰稳定及联焰过程；在推导半经验关系式时，考虑的影响因素越发全面。同时，更加关注经验关系式的普适性与准确性，以求超出理论研究，成功应用于工程设计；不断优化改进数值模拟技术、点火模型，以提高产品设计效率，降低设计成本。

(2) 国外研究早于国内研究，且所涉领域极为全面，推导的经验与半经验关系式至今仍对设计工作起着指导与参考作用；对数值模拟的研究较为深入，从反应模型到自编程软件一步步细化，同时多次调试计算模型，并与试验数据进行了定性验证对比。国内自2007年才开始点火研究，起步较晚。目前，国内外研究的内容均相似，主要关注点火半经验公式提出、关键参数预测、全环点火过程观测等，并在研究中辅以高速摄像、粒子图像测速系统(PIV)、相位多普勒粒子分析仪(PDPA)等测试手段。

(3) 目前仍多是通过试验手段完成观测分析、验证校核、雾化初始参数提供；数值模拟(定性、定量)方面，包括初始输入参数、湍流模型、燃烧模型、点火模型、化学反应模型和两相流模型，仍有较大的发展空间。

(4) 早期点火研究关注的是“点”，而现在关注的是“面”，主要偏向于联焰、火核分裂、火焰结构等方面的研究，且多为结构或位置参数的规律性探讨，而此部分对燃烧室影响较大，对推动燃烧室设计科学发展具有积极作用。

3 点火研究内容

航空发动机起动过程中燃烧室能否稳定、快速地点着火，直接决定着发动机能否成功起动。燃烧室点火过程为典型的强迫点火过程，肖为等[1]对电火花点火的火核衍化过程进行了详细描述，给出了点火成功瞬态图像(图1)。Mastorakos[2]、杨金虎等[3]将环形燃烧室点火过程划分为4 个阶段：①火核生成阶段；②火焰传播阶段；③火焰稳定阶段；④全环联焰阶段。本文将从点火特性预测方法、数值模拟以及试验研究3个方面进行概述。

图1 点火成功瞬态图像[1]Fig.1 Successful ignition sequence

3.1 点火特性预测方法

燃烧室点火特性预测方法可分为两类。一是基于特征时间的点火特征经验预测(特征时间分析+试验标定)[4-5]。该方法主要关注初始火核形成和点火延迟现象，对后续联焰过程无考虑，且由于经验常数的确定与燃烧室结构形状相关，其普适性有待考量。此外，点火延迟现象极难通过CFD模拟观察或复刻。二是基于数值模拟和火核追踪的点火概率预测(数值模拟+理论分析)[6]。该方法可利用冷态流场结构，对点火概率空间分布、点火时间尺度以及点火的4个阶段进行分析，但对计算网格的依赖较强(网格尺寸需适当)，无法准确计算火焰体积和火焰膨胀过程，对旋流雾化喷嘴的预测精度仍待检验。

3.2 数值模拟

目前，航空发动机点火过程数值模拟主要基于大涡模拟(LES)展开，也有将雷诺应力模型(RANS)耦合到LES中尝试提高计算效率。大涡模拟在火花点火后的火焰传播计算中较为精确，能准确捕获点燃和回火工况下的火焰运动，对结构和非结构网格都适用。

Boileau等[7]运用非定常大涡模拟对直升机发动机18 个头部的环形燃烧室的点火过程进行了模拟。Jones等[8]采用欧拉随机轨道滤波概率密度函数的大涡模拟方法对单头部燃烧室点火进行了模拟，结果表明火花尺寸是影响燃烧室内煤油点火性能的关键参数，且此结果与相似几何结构下的高速成像试验结果定性一致。吕浩杰[9]采用LES 捕捉实时流场的脉动、火焰传播细节和非稳态点火过程，采用了能反映点火过程湍流-化学反应相互作用的EDC燃烧模型，电火花点火模拟选择Fluent 自带的电火花模型，火花设置为球形、尺寸固定且不随时间变化。Steil等[10]对航空煤油及其替代燃料的点火延迟时间进行了研究，指出DAG化学反应模型比BBS化学反应模型的预测结果更接近试验结果，且反应温度对点火延迟时间影响显著。Antoshkiv等[11]点明点火性能与喷雾形状及其雾锥的随机性密切相关，气流速度场、喷雾质量流量和雾化质量是影响雾化过程的关键因素。Rao等[12]指出，在最小点火能-常温常压点火时，可暂不考虑最小点火能对火核生成过程的影响，混合物处于可燃极限范围内时电火花的能量便足以将其点燃；但对于高空点火，最小点火能的影响较大，建立点火预测模型时需考虑其影响。马佳敏等[13]采用压力进出口边界条件、VOF两相流模型、Realizablek-ε湍流模型对旋流雾化喷嘴的雾化特性进行数值模拟，模拟结果与试验结果的误差为0.45%，但此方法的燃油雾化流量预测值与试验数据偏差较大(约为8.49%)。

数值模拟时采用不同的模型得到的结论有差异。研究发现，相较于输运PDF模型和条件矩模型，火焰面模型和动态增厚火焰模型在实际燃烧室点火计算中具有明显优势。其原因是这两种模型的计算量较小，计算精度满足工程需要。此外，动态增厚火焰模型能捕捉点火过程中火焰的动态扩散，可通过增厚火焰前锋厚度达到大涡求解尺度并保持火焰传播速度不变来提高点火大涡模拟的计算准确度。

综合考虑计算精度以及运算速度，相较于直接数值模拟和雷诺应力模型数值模拟，大涡模拟具有一定优势，且模型朝着更符合实际的煤油蒸发和化学反应模型、燃烧室内部流动(包括旋流结构、气膜冷却等)、出流条件影响等方向改进。

3.3 试验研究

运用试验的手段对燃烧室点火进行研究，一是通过对试验数据的分析、拟合，得到或修正各种预测模型中的各类经验常数；二是运用高速摄影技术等现代化记录手段描述燃烧室点火过程的细节，特别是火焰传播的路径；三是通过试验的手段研究不同因素对燃烧室点火性能的影响。

赵明龙等[14]开展了单头部、扇形、全环点火试验和油雾粒径测量试验(采用相位多普勒粒子分析仪)，得到了Lefebvre 燃烧室点火经验公式。林宇震等[15]仅使用副油路(单油路离心喷嘴)点火，在常温常压下开展了单头部矩形燃烧室的点火性能试验，并根据试验所得数据对Jasuja关系式的系数进行了修正，得到了无雾化空气时的燃油索太尔平均直径(SMD)预测方程。王延胜等[16]开展了单环腔中心分级燃烧室的常温常压和常温低压点火试验，预估了燃烧室贫油点火边界的燃油SMD，并指出影响燃烧室性能的主要参数是空气总压、空气压降、空气流量和燃油SMD。黄兵等[17]对中心分级燃烧室变频变能点火性能进行了试验研究，得出点火能量较点火频率对点火性能的影响更为显著，燃烧室进口空气流量和主燃区容积主要影响燃烧室参考速度，并结合Lefebvre和王延胜点火模型[16]，拟合得到离心喷嘴经验关系式。

随着高速摄影等技术的发展，燃烧室点火试验观测手段逐渐丰富。Read 等[18]利用高速摄像技术、平面激光诱导荧光(PLIF)技术，描述了贫油直喷燃烧室高空再点火时火焰的形成和稳定过程，并提出了一种可实现火核追踪的图像处理技术。Marchione等[19]借助PDPA、高速摄影技术，分析了液滴速度场、液滴粒径和总当量比(包括燃油液滴和燃油蒸气)对燃烧室点火性能的影响，指出点火成功率与向雾化喷嘴传播的火焰单元有关。Denton[20]对富油燃烧-猝熄-贫油燃烧燃烧室进行了高空点火试验，借助高速摄像讨论了压降、环境压力和环境温度对点火性能的影响，发现火核尺寸对点火性能影响较小，而火核的发展与气流平均速度场密切相关。Dong等[21]通过试验方法观测了点火火核的时-空演变。

为研究不同因素对燃烧室点火性能的影响，通常采取试验的手段进行探索。付镇柏等[22]采用RP-3航空煤油，在高空负压工况下对不同台阶高度单头部矩形试验件的点火性能进行了研究。代威等[23]测量了装配不同旋流器的单头部扇形燃烧室的点熄火性能。薛鑫等[24]分析了火焰筒压力损失为2.0%、2.5%、3.0%时对双旋流轴向旋流器的矩形三头部燃烧室点火边界的影响。林震宇等[25-27]研究了旋流器气量分配、结构变化、旋流数等对燃烧室点火性能的影响。

通过众多燃烧室点火试验研究，得出了一些规律性的结论。如火花位置影响火核的早期发展，当火花位于回流区下游时，由于此处的燃油混合分数适宜且气流湍流强度较低，火核不会立即熄灭；但此处的平均轴向速度较高，而火核需逆流向上游传递，点火难度较高等。尽管目前已开展了大量的点火试验研究，但其也存在以下局限性，一是试验得出的经验常数通用性较差，对模型结构及工况范围的限制较为严格；二是试验时测量手段有限，只是从宏观角度观察和利用试验数据分析点火特性，未能深入机理进行分析；三是试验件加工水平参差不齐，试验成本较高。

4 点火性能影响因素及改善方案

根据上述众多研究结果，总结了影响燃烧室点火性能的几个主要因素：①点火器位置；②电火花能量；③点火频率；④点火器附近燃油的浓度、粒径和局部流场拉伸、热扩散；⑤火焰传播路径及火焰根部区域的燃油浓度、粒径和局部流场拉伸、热扩散；⑥火焰需满足向上游传递的流动条件；⑦燃烧室进口温度；⑧燃烧室进口压力；⑨主燃区流场结构(主回流区尺寸)等。在开展燃烧室相关设计时需重点关注这些因素。

根据影响燃烧室点火性能的主要影响因素，归纳出以下几个燃烧室点火性能改善方案：①增加进气量——有助于改善燃油雾化质量，从而提升点火性能；②提高进口压力——进口温度和流速一定时可降低点火油气比，提升点火性能；③提高燃油温度——有助于提升燃烧室点火性能；④提高喷嘴雾化性能——是提升点火性能的有效途径。