对航空发动机燃烧室工作稳定性的思考

摘要： 航空发动机燃烧室工作稳定性与飞机飞行安全息息相关。因此，在规定的飞行速度之中必须要充分的保证好燃烧室工作的稳定性。影响航空发动机燃烧室不稳定性因素包括火焰稳定基本性能、声耦合效应与反应物供应情况几种。利用CFD技术与反应动力学理论进行定量分析，本文主要从燃烧室火焰稳定性、燃烧室内声耦合效应稳定性、燃烧声稳定性与发动机系统反应物供应限制导致的燃烧室不稳定性分析航空发动机燃烧室的工作稳定性。

Abstract： Aircraft engine combustor working stability is closely related to the aircraft flight safety. Therefore， at the regulated speed， we must fully ensure the stability of combustion chamber. The influencing factors of aircraft engine combustor instability factors include flame stability basic performance， acoustic coupling effect and reactant supply situation. The quantitative analysis was made by using CFD technology and reaction kinetics theory. The paper analyzes the working stability of aircraft engine combustor from the combustion flame stability， sound indoor acoustic coupling effect stability， combustion stability and the combustion instability caused by engine system reactant supply constraints.

关键词： 航空发动机燃烧室；工作稳定性；思考

Key words： aircraft engine combustor；working stability；thinking

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）35-0078-02

0 引言

燃烧室是航空发动机的重要部件，燃烧室中的各类化学与物理过程中都存在着相互耦合作用，其具体的现象包括紊流运输、CO发散、燃油雾化、燃油蒸发、粒子运动与高温辐射等等，航空发动机在运转过程中有不同的工作状态，燃烧时也会出现一种富油与贫油的交替，并伴随不同功率的变化，这就导致燃烧出现室内流动、出口温场变化等问题，这就给设计人员提出了较高的要求。

航空发动机燃烧室工作稳定性与飞机飞行安全息息相关，因此，在规定的飞行速度之中必须要充分的保证好燃烧室工作的稳定性，为此，就需要深入的分析燃烧不稳定性以及影响燃烧不稳定性的因素，并制定出相关的对策。研究文献表示，影响航空发动机燃烧室工作稳定性的因素包括几种，即燃烧室火焰稳定性能、燃烧室内声耦合效应、发动机系统反应物供应限制以及发动机部件间的相互干扰。

1 燃烧室火焰稳定性能导致的不稳定性

由于燃烧室火焰稳定性导致的不稳定性包括贫油熄火与富油熄火两个方面，航空发动机在其规定飞行范围内可能会碰到熄火极限。燃烧室发动机工作包线包括所有的稳定工作点，这些工作点均在贫油与富油气规定范围之中，该种包线较大，能够考虑到不同工作状态的安全裕度，其中，具有研究意义的是贫油熄火。关于贫油熄火的相关研究主要利用现象逻辑模型进行，具体的研究内容包括几个方面：

1.1 模拟火焰稳定性的研究 航空发动机燃烧室中的火焰主要依靠回流区来稳定，通过加燃料引发的轴向涡旋射流，在涡旋射流进入燃烧室主燃区之后会通过一系列的反应产生回流区，在燃烧室内可以观察到贫油熄火以及火焰峰不稳定性。种种研究结果显示，主燃区气流特征存在于内射流动量与外圈回流区产生的中心回流区。在台阶中附着火焰对于射流剪切层火焰启动作用与发动机燃烧室内工作的稳定性息息相关，只要减少空气量或者增加燃油量即可改变附着状态。

1.2 贫油熄火稳定性的研究 在进行贫油熄火数据的测量时，装有空气雾化喷嘴以及蒸汽管由于燃烧室形状、燃油分布与燃油喷射情况的不同，其贫油熄火特征也有着一定的差异，因此，一般使用CFD来测量贫油稳定性。

1.3 燃油空气混合不完全导致的贫油熄火 国外专家在预蒸发、贫油以及预混合管式燃烧室中进行了贫油熄火的相关实验，在非燃烧条件下使用二维赋形荧光技术进行确定，结果显示，在燃烧室进口整齐分布以及燃油液滴不均匀的情况之下，多部分的燃油位于燃烧管上半部分，其极限范围较窄；在燃烧室蒸汽与燃油液滴均匀的情况下，其稳定性范围相对较小，贫油极限也相对较宽。

2 燃烧室内声耦合效应导致的燃烧不稳定性

大多数航空发动机的燃烧室在慢车运行或者低于慢车运行的状态中都会表现出一些不稳定性，这些不稳定性会导致压气机失速、噪声等一系列的不良反应，如果未进行有效处理，还可能会燃烧室造成严重的破坏。国外研究成果之处，该种情况与声音动态压力脉冲有着密切的观察，该种声音频率位于50-500Hz之间。在多年前，美国海军就曾经对发动机燃烧系统不稳定性进行了相应的研究，并将研究结果引入航空发动机燃烧室设计之中，同时，也进行了不同类型发动机燃烧室进行了扇形段试验，测定了相关的振幅、频率与燃烧室声特征，取得了良好的研究成效。

3 燃烧声稳定性分析

预混燃烧室、预蒸发以及贫油是低排放发动机的主要燃烧部件，这类燃烧室与普通燃烧室不同，对由于燃烧与压力导致的不稳定性十分的敏感，也能够引起系统阻尼机械振动，降低燃烧效率，也会导致熄火情况的发生。国内外的专家已经对关于燃烧与声的相互作用进行了深入的研究，研究内容包括反射机理、变截等多个方面，也编写了LSENS编码。在压力扰动与释热率脉动耦联引致的不适当阻尼在传递过程中，为了将声能振幅消除，需要采取一系列的措施，并需要考虑到影响释热率脉动的因素，这些因素包括几个方面，即来流紊流度、燃油雾化与油气混合导致的变化、燃料运输系统脉动、平均释热率、燃烧室几何形状与种类、动力学反应速率变化、火焰稳定器位置漩涡脱落与不稳定性。

火焰能够有效提升来流紊流度，而燃油流动速度则与脉冲有着密切的关系，能够共同影响释热率脉动，燃油喷射系统能够对释热率起到一定的激励效果，而燃料输运系统其动力特征和燃烧室稳定性分析相关，火焰瞬间速率与蒸发、雾化以及混合速率相关。回流在较大的情况下会导致逆燃情况的发生，在燃烧声特性与化学反应时间数量级别相同的情况下，逆燃情况尤为严重，其影响主要由燃料种类、释热率分布以及燃烧室形式决定。

4 发动机系统反应物供应限制导致的燃烧室不稳定性

航空发动机系统反应物供应限制由压气机整流叶片、油泵转速、喷射速度、燃油控制、燃油液化决定，在预混轴对称燃烧室之中，可以使用CFD对燃烧室不稳定性进行模化，国外专家对该种试验进行了模拟，其CFD计算由喷油嘴中离心式空气喷口到排气管之中。

5 结语

根据以上的分析，可以得到，影响航空发动机燃烧室不稳定新因素包括火焰稳定基本性能、声耦合效应与反应物供应情况几种。利用CFD技术与反应动力学理论进行定量分析，就现阶段来看，关于燃烧室不稳定性的研究已经取得了良好的成果，但是依然处于初级研究阶段，相信在未来发展阶段下，关于燃烧室稳定性的分析工作将会取得更大的进展。

参考文献：

[1]Y.Sato，T.Tagash ira，H.Toh and T.W atanabe. Application of 3-D Aerothermal Model and Flow V isualization Techn ique to the Combustor Exit Gas Temperature Study.1985.

[2]Patterson P M，Kyne A G，Pourkashanian M，et al.Combustion of kerosene in counterflow diffusion flames. Journal of Propulsion Technology .2000.

[3]Anderson R C，Atkinson W，Bonsett T，et al.The prop-ulsion instrumemtation working group-introduction and discussion of subteam activities. 20～（th） Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference.

[4]吕文菊，张宝诚，纪友哲，程新荣.某型发动机燃烧室工作稳定性的数值计算[J].沈阳航空工业学院学报，2006（04）.

[5]Riesmeier E，Honnet S，Peters N.Flamelet modeling of pollutant formation in a gas turbine combustion chamberusing detailed chemistry for a kerosene model fuel. Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power .2004.

[6]Rasmussen C L，Rasmussen A E，Glarborg P.Sensitizing effects of NOx on CH4 oxidation at high pressure. Combustion and Flame.2008.

推荐访问:燃烧室 稳定性 思考 航空发动机 工作

---