對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作穩(wěn)定性的思考

 燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，燃燒室中的各類化學(xué)與物理過程中都存在著相互耦合作用，其具體的現(xiàn)象包括紊流運(yùn)輸、CO發(fā)散、燃油霧化、燃油蒸發(fā)、粒子運(yùn)動(dòng)與高溫輻射等等，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有不同的工作狀態(tài)，燃燒時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一種富油與貧油的交替，并伴隨不同功率的變化，這就導(dǎo)致燃燒出現(xiàn)室內(nèi)流動(dòng)、出口溫場變化等問題，這就給設(shè)計(jì)人員提出了較高的要求。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作穩(wěn)定性與飛機(jī)飛行安全息息相關(guān)，因此，在規(guī)定的飛行速度之中必須要充分的保證好燃燒室工作的穩(wěn)定性，為此，就需要深入的分析燃燒不穩(wěn)定性以及影響燃燒不穩(wěn)定性的因素，并制定出相關(guān)的對(duì)策。研究文獻(xiàn)表示，影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作穩(wěn)定性的因素包括幾種，即燃燒室火焰穩(wěn)定性能、燃燒室內(nèi)聲耦合效應(yīng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)反應(yīng)物供應(yīng)限制以及發(fā)動(dòng)機(jī)部件間的相互干擾。
1 燃燒室火焰穩(wěn)定性能導(dǎo)致的不穩(wěn)定性
由于燃燒室火焰穩(wěn)定性導(dǎo)致的不穩(wěn)定性包括貧油熄火與富油熄火兩個(gè)方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在其規(guī)定飛行范圍內(nèi)可能會(huì)碰到熄火極限。燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線包括所有的穩(wěn)定工作點(diǎn)，這些工作點(diǎn)均在貧油與富油氣規(guī)定范圍之中，該種包線較大，能夠考慮到不同工作狀態(tài)的安全裕度，其中，具有研究意義的是貧油熄火。關(guān)于貧油熄火的相關(guān)研究主要利用現(xiàn)象邏輯模型進(jìn)行，具體的研究內(nèi)容包括幾個(gè)方面：
1.1 模擬火焰穩(wěn)定性的研究 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的火焰主要依靠回流區(qū)來穩(wěn)定，通過加燃料引發(fā)的軸向渦旋射流，在渦旋射流進(jìn)入燃燒室主燃區(qū)之后會(huì)通過一系列的反應(yīng)產(chǎn)生回流區(qū)，在燃燒室內(nèi)可以觀察到貧油熄火以及火焰峰不穩(wěn)定性。種種研究結(jié)果顯示，主燃區(qū)氣流特征存在于內(nèi)射流動(dòng)量與外圈回流區(qū)產(chǎn)生的中心回流區(qū)。在臺(tái)階中附著火焰對(duì)于射流剪切層火焰啟動(dòng)作用與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)工作的穩(wěn)定性息息相關(guān)，只要減少空氣量或者增加燃油量即可改變附著狀態(tài)。
1.2 貧油熄火穩(wěn)定性的研究 在進(jìn)行貧油熄火數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)，裝有空氣霧化噴嘴以及蒸汽管由于燃燒室形狀、燃油分布與燃油噴射情況的不同，其貧油熄火特征也有著一定的差異，因此，一般使用CFD來測(cè)量貧油穩(wěn)定性。
1.3 燃油空氣混合不完全導(dǎo)致的貧油熄火 國外專家在預(yù)蒸發(fā)、貧油以及預(yù)混合管式燃燒室中進(jìn)行了貧油熄火的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在非燃燒條件下使用二維賦形熒光技術(shù)進(jìn)行確定，結(jié)果顯示，在燃燒室進(jìn)口整齊分布以及燃油液滴不均勻的情況之下，多部分的燃油位于燃燒管上半部分，其極限范圍較窄；在燃燒室蒸汽與燃油液滴均勻的情況下，其穩(wěn)定性范圍相對(duì)較小，貧油極限也相對(duì)較寬。
2 燃燒室內(nèi)聲耦合效應(yīng)導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定性
大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室在慢車運(yùn)行或者低于慢車運(yùn)行的狀態(tài)中都會(huì)表現(xiàn)出一些不穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)失速、噪聲等一系列的不良反應(yīng)，如果未進(jìn)行有效處理，還可能會(huì)燃燒室造成嚴(yán)重的破壞。國外研究成果之處，該種情況與聲音動(dòng)態(tài)壓力脈沖有著密切的觀察，該種聲音頻率位于50-500Hz之間。在多年前，美國海軍就曾經(jīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并將研究結(jié)果引入航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)之中，同時(shí)，也進(jìn)行了不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了扇形段試驗(yàn)，測(cè)定了相關(guān)的振幅、頻率與燃燒室聲特征，取得了良好的研究成效。
3 燃燒聲穩(wěn)定性分析
預(yù)混燃燒室、預(yù)蒸發(fā)以及貧油是低排放發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃燒部件，這類燃燒室與普通燃燒室不同，對(duì)由于燃燒與壓力導(dǎo)致的不穩(wěn)定性十分的敏感，也能夠引起系統(tǒng)阻尼機(jī)械振動(dòng)，降低燃燒效率，也會(huì)導(dǎo)致熄火情況的發(fā)生。國內(nèi)外的專家已經(jīng)對(duì)關(guān)于燃燒與聲的相互作用進(jìn)行了深入的研究，研究內(nèi)容包括反射機(jī)理、變截等多個(gè)方面，也編寫了LSENS編碼。在壓力擾動(dòng)與釋熱率脈動(dòng)耦聯(lián)引致的不適當(dāng)阻尼在傳遞過程中，為了將聲能振幅消除，需要采取一系列的措施，并需要考慮到影響釋熱率脈動(dòng)的因素，這些因素包括幾個(gè)方面，即來流紊流度、燃油霧化與油氣混合導(dǎo)致的變化、燃料運(yùn)輸系統(tǒng)脈動(dòng)、平均釋熱率、燃燒室?guī)缀涡螤钆c種類、動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率變化、火焰穩(wěn)定器位置漩渦脫落與不穩(wěn)定性。
火焰能夠有效提升來流紊流度，而燃油流動(dòng)速度則與脈沖有著密切的關(guān)系，能夠共同影響釋熱率脈動(dòng)，燃油噴射系統(tǒng)能夠?qū)︶専崧势鸬揭欢ǖ募?lì)效果，而燃料輸運(yùn)系統(tǒng)其動(dòng)力特征和燃燒室穩(wěn)定性分析相關(guān)，火焰瞬間速率與蒸發(fā)、霧化以及混合速率相關(guān)。回流在較大的情況下會(huì)導(dǎo)致逆燃情況的發(fā)生，在燃燒聲特性與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間數(shù)量級(jí)別相同的情況下，逆燃情況尤為嚴(yán)重，其影響主要由燃料種類、釋熱率分布以及燃燒室形式?jīng)Q定。
4 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)反應(yīng)物供應(yīng)限制導(dǎo)致的燃燒室不穩(wěn)定性
航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)反應(yīng)物供應(yīng)限制由壓氣機(jī)整流葉片、油泵轉(zhuǎn)速、噴射速度、燃油控制、燃油液化決定，在預(yù)混軸對(duì)稱燃燒室之中，可以使用CFD對(duì)燃燒室不穩(wěn)定性進(jìn)行?；?，國外專家對(duì)該種試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，其CFD計(jì)算由噴油嘴中離心式空氣噴口到排氣管之中。
5 結(jié)語
根據(jù)以上的分析，可以得到，影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室不穩(wěn)定新因素包括火焰穩(wěn)定基本性能、聲耦合效應(yīng)與反應(yīng)物供應(yīng)情況幾種。利用CFD技術(shù)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行定量分析，就現(xiàn)階段來看，關(guān)于燃燒室不穩(wěn)定性的研究已經(jīng)取得了良好的成果，但是依然處于初級(jí)研究階段，相信在未來發(fā)展階段下，關(guān)于燃燒室穩(wěn)定性的分析工作將會(huì)取得更大的進(jìn)展。