對航空發(fā)動機燃燒室工作穩(wěn)定性的思考

 燃燒室是航空發(fā)動機的重要部件，燃燒室中的各類化學與物理過程中都存在著相互耦合作用，其具體的現(xiàn)象包括紊流運輸、CO發(fā)散、燃油霧化、燃油蒸發(fā)、粒子運動與高溫輻射等等，航空發(fā)動機在運轉過程中有不同的工作狀態(tài)，燃燒時也會出現(xiàn)一種富油與貧油的交替，并伴隨不同功率的變化，這就導致燃燒出現(xiàn)室內流動、出口溫場變化等問題，這就給設計人員提出了較高的要求。
航空發(fā)動機燃燒室工作穩(wěn)定性與飛機飛行安全息息相關，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，并制定出相關的對策。研究文獻表示，影響航空發(fā)動機燃燒室工作穩(wěn)定性的因素包括幾種，即燃燒室火焰穩(wěn)定性能、燃燒室內聲耦合效應、發(fā)動機系統(tǒng)反應物供應限制以及發(fā)動機部件間的相互干擾。
1 燃燒室火焰穩(wěn)定性能導致的不穩(wěn)定性
由于燃燒室火焰穩(wěn)定性導致的不穩(wěn)定性包括貧油熄火與富油熄火兩個方面，航空發(fā)動機在其規(guī)定飛行范圍內可能會碰到熄火極限。燃燒室發(fā)動機工作包線包括所有的穩(wěn)定工作點，這些工作點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。關于貧油熄火的相關研究主要利用現(xiàn)象邏輯模型進行，具體的研究內容包括幾個方面：
1.1 模擬火焰穩(wěn)定性的研究 航空發(fā)動機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，在渦旋射流進入燃燒室主燃區(qū)之后會通過一系列的反應產生回流區(qū)，在燃燒室內可以觀察到貧油熄火以及火焰峰不穩(wěn)定性。種種研究結果顯示，主燃區(qū)氣流特征存在于內射流動量與外圈回流區(qū)產生的中心回流區(qū)。在臺階中附著火焰對于射流剪切層火焰啟動作用與發(fā)動機燃燒室內工作的穩(wěn)定性息息相關，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 在進行貧油熄火數(shù)據(jù)的測量時，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來測量貧油穩(wěn)定性。
1.3 燃油空氣混合不完全導致的貧油熄火 國外專家在預蒸發(fā)、貧油以及預混合管式燃燒室中進行了貧油熄火的相關實驗，在非燃燒條件下使用二維賦形熒光技術進行確定，結果顯示，在燃燒室進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)定性范圍相對較小，貧油極限也相對較寬。
2 燃燒室內聲耦合效應導致的燃燒不穩(wěn)定性
大多數(shù)航空發(fā)動機的燃燒室在慢車運行或者低于慢車運行的狀態(tài)中都會表現(xiàn)出一些不穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性會導致壓氣機失速、噪聲等一系列的不良反應，如果未進行有效處理，還可能會燃燒室造成嚴重的破壞。國外研究成果之處，該種情況與聲音動態(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，美國海軍就曾經對發(fā)動機燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定性進行了相應的研究，并將研究結果引入航空發(fā)動機燃燒室設計之中，同時，也進行了不同類型發(fā)動機燃燒室進行了扇形段試驗，測定了相關的振幅、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
預混燃燒室、預蒸發(fā)以及貧油是低排放發(fā)動機的主要燃燒部件，這類燃燒室與普通燃燒室不同，對由于燃燒與壓力導致的不穩(wěn)定性十分的敏感，也能夠引起系統(tǒng)阻尼機械振動，降低燃燒效率，也會導致熄火情況的發(fā)生。國內外的專家已經對關于燃燒與聲的相互作用進行了深入的研究，研究內容包括反射機理、變截等多個方面，也編寫了LSENS編碼。在壓力擾動與釋熱率脈動耦聯(lián)引致的不適當阻尼在傳遞過程中，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的因素，這些因素包括幾個方面，即來流紊流度、燃油霧化與油氣混合導致的變化、燃料運輸系統(tǒng)脈動、平均釋熱率、燃燒室?guī)缀涡螤钆c種類、動力學反應速率變化、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，而燃油流動速度則與脈沖有著密切的關系，能夠共同影響釋熱率脈動，燃油噴射系統(tǒng)能夠對釋熱率起到一定的激勵效果，而燃料輸運系統(tǒng)其動力特征和燃燒室穩(wěn)定性分析相關，火焰瞬間速率與蒸發(fā)、霧化以及混合速率相關?；亓髟谳^大的情況下會導致逆燃情況的發(fā)生，在燃燒聲特性與化學反應時間數(shù)量級別相同的情況下，逆燃情況尤為嚴重，其影響主要由燃料種類、釋熱率分布以及燃燒室形式決定。
4 發(fā)動機系統(tǒng)反應物供應限制導致的燃燒室不穩(wěn)定性
航空發(fā)動機系統(tǒng)反應物供應限制由壓氣機整流葉片、油泵轉速、噴射速度、燃油控制、燃油液化決定，在預混軸對稱燃燒室之中，可以使用CFD對燃燒室不穩(wěn)定性進行模化，國外專家對該種試驗進行了模擬，其CFD計算由噴油嘴中離心式空氣噴口到排氣管之中。
5 結語
根據(jù)以上的分析，可以得到，影響航空發(fā)動機燃燒室不穩(wěn)定新因素包括火焰穩(wěn)定基本性能、聲耦合效應與反應物供應情況幾種。利用CFD技術與反應動力學理論進行定量分析，就現(xiàn)階段來看，關于燃燒室不穩(wěn)定性的研究已經取得了良好的成果，但是依然處于初級研究階段，相信在未來發(fā)展階段下，關于燃燒室穩(wěn)定性的分析工作將會取得更大的進展。