自激扫掠喷嘴：航空发动机燃油喷射新选择

■ 王士奇 陈健 杨谦 邵冬 贾志刚 温泉/中国航发研究院 文清兰/中国航发贵阳所 葛笑楠/中国航发动力所 曾宇晖/中国航发涡轮院

针对航空发动机加力燃烧室内燃油雾化散布难，燃烧效率低的难题，创新团队提出了一种自激发、自维持的高频动态燃油喷射理论，发明了一种全新的自激扫掠喷嘴，可大幅改善燃油在高速气流中的雾化掺混性能和加力燃烧效率，为先进航空发动机燃烧系统设计提供了全新方案。

加力燃烧室是战斗机动力的重要组成部分，虽然只占发动机总质量的20%，但能使发动机推力增加45%～70%，显著增强了战斗机的加速性和机动性，是提升战场获胜能力的关键部件。虽然加力燃烧室对推力的增加作用显著，但却存在燃烧效率较低、耗油率极高的问题，无法长时间工作。与主燃烧室99%以上的燃烧效率相比，加力燃烧室在非设计点的效率有时甚至不到80%，还有很大的提升空间，关键原因之一是在加力燃烧室内的高速气流环境下，燃油的雾化、散布和掺混性能不佳。

高频动态扫掠燃油喷射概念

加力燃烧室内的气流速度可达200 m/s以上，同时，燃油喷孔的总面积与气流的截面积相差1万倍。在上述工况条件下，燃油良好的初始雾化和均匀的空间散布就产生了矛盾：如果燃油的初始雾化很好（如使用主燃烧室内常用的离心式喷嘴），燃油的液滴就没有足够的能量穿透气流，使燃油液雾在较宽广的区域散布；而为了实现较好的空间散布，燃油就必须要有足够的能量穿透到气流中去，靠气流的作用再实现燃油的雾化和散布。

目前，加力燃烧室广泛使用直射式喷嘴，其结构简单，成本较低，能够使燃油在高速气流中有较大的穿透深度，但是雾化效果较差，需要通过又小又多的燃油喷孔才能实现较为均匀的燃油空间散布和油气掺混。如何开发一种新型燃油喷射装置，在高速气流中能够同时实现较好的燃油雾化、较大的穿透深度，以及较宽的空间散布范围，并满足结构简单、可靠性高的使用要求，已经成为加力燃烧室性能进一步提升的关键。

创新团队跳出传统定常燃油喷射的思维定式，率先提出了高频动态扫掠燃油喷射的概念和方法，通过燃油喷射方向的高频变化，在高速气流中实现燃油雾化和掺混性能的大幅提升。从瞬态看，燃油仍然是以直射式液柱的方式喷出，因此具备较高的能量，从而实现较大的穿透深度；又由于喷射方向的高频变化，从而使燃油的扩散区域大幅扩展，最终在高速气流的作用下，同时实现燃油良好的雾化和均匀的空间散布性能。

自激扫掠喷嘴类型

为了实现燃油的高频动态喷射，传统上只能采用高频电磁阀和机械螺杆机构等控制手段，结构复杂，且包含电磁部件和活动部件，远不能满足航空发动机对高可靠性的使用要求。为此，创新团队提出了两种自激扫掠燃油喷嘴结构，分别为双反馈自激扫掠喷嘴和无反馈自激扫掠喷嘴，均不含任何活动部件和电磁部件，仅在进出口压差的驱动下，就能够实现自激发、自维持的高频扫掠燃油喷射。

双反馈构型自激扫掠燃油喷嘴

双反馈构型自激扫掠燃油喷嘴含有一个进口、一个出口、两个康达壁面和反馈通道，其内部结构及基本工作原理如图1所示。燃油在稳定的进口压力作用下，自进口进入耦合腔内后，由于流体的康达效应，主射流会随机的贴附在某一康达侧壁流动，如图1（a）所示；由于出口喷孔的限流作用，部分流体进入反馈通道并回流至控制口喉道，随后填充耦合腔内的分离泡，如图1（b）和（c）所示；分离泡的增大将主射流推向另一康达侧壁和反馈通道，如图1（d）所示；上述过程周而复始，如图1（e）所示，从而在喷孔处形成喷射速度大小基本不变、喷射方向在一定角度范围内扫掠摆动的周期性扫掠振荡射流。

图1 双反馈构型自激扫掠喷嘴内部流道和流动结构

无反馈构型自激扫掠燃油喷嘴

无反馈构型自激扫掠燃油喷嘴含有两个进口、一个出口和一个射流耦合腔，内部结构及基本工作原理如图2所示。燃油以稳定的流量通过喷嘴的两个进口进入到耦合腔后，由于射流在空腔内部的不稳定性，经过内部复杂的耦合效应和涡系演变，即可在出口以高频扫掠振荡形式喷出。

图2 无反馈构型自激扫掠喷嘴内部流道和流动结构

自激扫掠喷嘴的工作特性

创新团队在尝试了近千种不同的几何设计构型，并进行了上万次的试验测试后，终于形成了自激扫掠喷嘴的自主设计能力，并对自激扫掠喷嘴的工作特性形成了较为全面的认知。

流量特性

作为燃油喷嘴最为关键的特性，与传统直射式喷嘴类似，自激扫掠喷嘴的质量流量与压降的开方成正比。在相同设计几何通径（0.4mm）下，两个自激扫掠喷嘴与一个直射式喷嘴的质量流量随压降开方的响应曲线如图3所示：虽然其内部的流道更为复杂，但是其流动损失并未显著增加，其测量得到的流量系数与传统直射式喷嘴相当；通过对其进口流道的特殊设计，还能使其流量系数提高15%以上。

图3 不同喷嘴质量流量随压降开方的响应曲线

频率特性

自激扫掠喷嘴最显著的特征就是存在一个扫掠工作频率，以及由于液柱喷射方向的高频变化而形成的扫掠张角。自激扫掠喷嘴的工作频率与压降开方（即喷嘴的流量）成正比，与喷嘴的特征尺度成反比，即工作压降越高，其工作频率越高，喷嘴尺寸越大，其工作频率越低，如图4所示。目前，创新团队设计的自激扫掠喷嘴已可以达到5000Hz以上的工作频率。

图4 自激扫掠喷嘴的频率特性

张角特性

不同压降下，自激扫掠喷嘴喷射的瞬态液柱形态和平均液雾分布如图5、图6所示。可以看出，自激扫掠喷嘴在极低的压降下（＜0.05MPa）即可产生扫掠振荡射流，由于喷射方向的不断变化，液柱在空间内成连续“S”形分布。随着液柱沿一定张角向下游扩散，其逐渐破碎形成更细小的液滴。随着工作压力的提高，液柱的破碎雾化作用越来越明显，破碎雾化的液滴颗粒也使得扫掠张角发生增加，但是基本扫掠张角在低工作压力时已确定，基本不随工作压力而变化。通过不同的内部流道几何构型设计，创新团队已经可以实现最高100°的平均扫掠张角。

图5 不同压降下的自激扫掠喷射瞬态液柱

图6 不同自激扫掠喷嘴在出口形成的平均液雾浓度分布

雾化特性

雾化能力是喷嘴的另一个重要性能指标。扫掠张角为50°的自激扫掠喷嘴在静止大气中的雾化粒径随压降的变化曲线如图7所示：随着喷嘴压降的提高，燃油液滴直径不断降低，当压降为1MPa时粒径已降低至约75μm，当压降高于4MPa时则粒径低于30μm。与传统圆孔直射式喷嘴相比，自激扫掠喷嘴使得单股液柱在静止大气中的雾化能力得到了数量级的提升。

图7 自激扫掠喷嘴雾化粒径随压降的变化曲线

高速来流散布特性

在加力燃烧室典型来流速度下，针对相同通径下的直射和自激扫掠喷嘴，在相同压降和角度下进行侧向喷射时，燃油的穿透深度和展向分布对比如图8所示。结果表明，自激扫掠喷嘴的穿透深度约为直射式喷嘴的60%，但是其展向分布扩展了4倍以上，同时又由于燃油液柱的高频扫掠摆动显著加强了油气的掺混作用，综合作用下可使燃油的雾化距离降低70%，空间散布均匀度提升10倍以上。

图8 燃油穿透深度和展向分布对比

应用前景

利用自激扫掠燃油喷嘴在高速气流环境下的优异雾化、散布和掺混性能，创新团队率先将其应用于加力或冲压燃烧室设计中，可以显著扩展其工作接通包线，提高燃烧效率，缩短燃油喷孔距离火焰稳定器的距离，同时还可以大幅降低燃油喷孔数量，提高燃油喷射特性一致性。将自激扫掠喷嘴替代传统的直射式喷嘴，应用于中心分级燃烧室的主燃级中，还能够大幅降低污染物排放和出口温度畸变。同时，将其应用于级间燃烧、爆震燃烧、驻涡燃烧等新型燃烧组织方式，同样有望获得可观的性能收益。

结束语

在各类以液态燃料为能量来源的动力装置中，燃油的喷射和雾化是进行燃烧组织的基础，自激扫掠喷嘴作为一种全新的燃油喷射和雾化方式，也必将对燃烧组织方式和燃烧室结构设计产生深远影响。创新团队将继续围绕自激扫掠喷嘴，开展相关流动、雾化、燃烧等特性的深入研究，为下一代先进航空发动机的燃烧系统设计提供全新的解决方案。