适用于智能燃烧室的旋转滑动弧点火/值班技术

2023-07-05刘逸博彭畅新杨浩龚卡曹婷婷姜世界李元星龚键中国航发动研所

航空动力 2023年3期

■ 刘逸博彭畅新杨浩龚卡曹婷婷姜世界李元星龚键/中国航发动研所

针对现有“可变几何”及“主动燃烧控制”两类智能燃烧室结构复杂、可靠性不足的缺点，创新团队根据旋转滑动弧点火、助燃的原理，提出了基于光纤感知和滑动弧调控的全新智能燃烧室方案。

燃烧室的设计一般选择较恶劣的状态作为设计点，但非设计点的燃烧室性能却不是最佳的，由此研究人员提出了气动或结构能随着工作状态变化而相应变化的智能燃烧室（intelligent combustor）概念。智能燃烧室主要由监测机构、处理机构与执行机构3部分组成，采用基于等离子体放电的点火系统作为执行机构，不仅能够快速响应处理机构所下达的指令，同时还能有效改善高原、高寒等恶劣工况下化学反应速率下降，以及燃油雾化质量下降等点火问题，具有十分可观的应用前景。针对现有智能燃烧室离子点火装置寿命极短的缺点，创新团队根据旋转滑动弧点火的原理，提出了基于光纤感知和滑动弧调控的全新智能燃烧室方案，借助光纤测温进行出口温度分布的实时重构，通过旋转滑动弧的开启与关闭实现对出口温度分布的调整，使燃烧室性能在不同工况下均能达到最优。

技术原理

创新团队提出的适用于智能燃烧室的旋转滑动弧点火/值班技术的工作原理是：在燃烧室常用的多级涡流器内布置正、负两个环形金属电极，在旋流空气的作用下于环形通道内产生旋转滑动弧，如图1 所示；当燃油从喷嘴喷出后，其路径正好经过放电区域，相遇后燃油直接被旋转滑动弧放电过程中释放的能量点燃。

图1 在旋流空气的作用下产生旋转滑动弧

基于旋转滑动弧点火的燃烧室不需要常规燃烧室的点火电嘴，更新了常规燃烧室的点火理念，优点是能够显著减少点火时间，同时明显拓宽燃烧室的点/熄火边界，提升燃烧室点火的可靠性。

从点火过程来看，旋转滑动弧放电过程中击穿空气产生的大量活性粒子及高能电子。后者与燃油粒子发生撞击，高碳燃油分子内的化学键被打断，形成更小的碳氢粒子，从而加速化学反应速率，有利于燃烧和火焰传播过程，极大地降低了点火的“门槛”，有望彻底解决常规点火方式下点火性能受限于燃油流量及燃油雾化质量的难题，甚至能实现“喷油即着”，显著地降低燃烧室点火油气比。在熄火方面，旋转滑动弧可以在需要时持续工作，故能在极低油气比条件下持续提供稳定的点火源，其所在头部能够实现“值班”的功能，因此能够有效降低燃烧室的熄火油气比，提升燃烧室的熄火性能。

技术路线

创新团队从旋转滑动弧产生的原理出发，通过进行旋转滑动弧工程应用的可行性分析，开展基于旋转滑动弧的简易放电试验，掌握其放电特性，完成旋转滑动弧点火的基本原理试验验证工作。然后将旋转滑动弧点火概念应用到燃烧室部件中，在常规燃烧室的基础上，保持其他组件不变，去除电嘴组件，对涡流器组件进行改进，实现旋转滑动弧放电，形成一种基于旋转滑动弧点火/值班的燃烧室方案。

旋转滑动弧涡流器设计及试制

基于中小型发动机燃烧室两类常用的涡流器（斜切孔径向叶片式和双级轴流式涡流器），创新团队开展了旋转滑动弧涡流器设计。

旋转滑动弧涡流器结构设计的主要原则是：保持结构尺寸参数，特别是使流道参数与常规涡流器一致，便于比较常规涡流器及旋转滑动弧涡流器的点熄火性能；保证良好的绝缘能力，避免不必要的介质阻挡放电，以降低对电源的输出电压要求，保证电弧在预定位置产生；涡流器安装固定方式不变。

根据设计原则，历经多轮次优化设计，创新团队最终获得了基本适用于回流燃烧室的斜切径向旋转滑动弧涡流器及适用于直流燃烧室的双级轴向旋转滑动弧涡流器结构，如图2 所示。以斜切径向涡流器为例，对改进前涡流器与改进后旋转滑动弧涡流器的出口流场进行了数值仿真，计算结果表明，改进后的旋转滑动弧涡流器结构基本未对火焰筒内的流场产生影响，如图3 所示。

图3 涡流器改进前后流场对比

点火试验

基于双级轴流式旋转滑动弧涡流器，创新团队开展了燃烧室单头部常规点火及旋转滑动弧点火试验。团队对旋转滑动弧点火及常规点火两种条件下的燃烧室点火油气比（常温常压工况）进行了比较，如图4所示。采用旋转滑动弧点火，燃烧室的点火油气比下降明显。在试验工况范围内，相比常规点火方法，采用旋转滑动弧点火后，燃烧室的点火油气比下降超过30%，参考速度较高时，点火油气比下降甚至超过50%以上。