:100028055(2004)0320332206旋流杯燃烧室头部流场与喷雾对贫油熄火的影响袁怡祥,林宇震,刘高恩(北京航空航天大学航空发动机气动热力重点实验室,北京100083)摘要:对两种不同的燃烧室头部(三旋流杯头部为A型、双旋流杯头部为B型)进行了研究。对有两种头部的燃烧室进行了冷态流场的数值模拟,用粒子动态分析仪(PDA)测量了两种头部的速度场和喷雾场,结合慢车工况的贫油熄火试验结果进行了分析。结果表明:A型头部喷雾的索太尔平均直径(SMD)和均匀度能满足燃烧室的性能要求,比B型头部的要好,但其贫熄特性不理想。而B型头部的贫熄特性好于A型;A型头部的内旋流器气流流通量应减小一些,以利于喷嘴端部低压区的形成,这样有可能进一步降低贫油熄火油气比。关键词:航空、航天推进系统;燃烧室;航空发动机;旋流杯;三级旋流;喷雾;贫油熄火:V23112文献标识码:ATheEffectofFlowFieldandFuelSprayofCombustorwithSwirlCuponLeanYUANYi2xiang,LINYu2zhen,LIUGao2en(NationalKeyLaboratoryofAircraftengine,Bei激ngUniversityofAeronauticsandAstronautics,Bei激ng100083,Abstract:Twokindsofcombustordomeswereinvestigated,ofwhichonewasthatwiththreeswirlers(Amodel),andtheotherwithtwoswirlers(Bmodel).Computationwasconduct2edforflowfieldofthesecombustors.FlowfieldandfuelsprayofthetwodesignsweremeasuredbyPhaseDopplerAnalysis(PDA).Theleanblowoutfuelairratioandflamephotowereob2tained.TheresultsshowedthattheAmodelhadbetterSauterMeanDiameter(SMD)unifor2mitythanBmodel,butithadaworseleanblowoutperformance,andtheflowrateintheinnerswirlerofAmodelshoulddecreasetoestablishalowpressurestagnationregionwhichwouldbeKeywords:aerospacepropulsionsystem;combustor;aircraftengine;swirlcup;threeswirlers;fuelspray;leanblowout态)则希望燃烧室油气比进一步加大(从01025加大到01035),但同时要求冒烟数小于一定的数值(目前要求小于20)。上述的要求对于燃烧室流场结构组织以及头部喷雾系统的设计特别是主军用航空发动机慢车工况的贫油熄火油气比如果能小于或等于01005的设计指标,那么在高空一般就能燃烧稳定,在机动飞行时不易熄火1。目的设计提出了新的挑战。燃烧室头部的组织燃烧是一个值得重点研究的方面。几十年来,出于对减少冒烟和拓宽稳定工作范围的需要,头部旋流器的级数从单级2发展到双级3、三级4,喷嘴从压力雾化发展到气动雾化、组合式雾化。气动雾化喷嘴的优点是燃烧室出口温度分布几乎不受燃油流量的改变的影响,以及具有相对较低的火焰筒壁温和冒烟。不利方面是在启动和高空再点火时,稳定范围相当窄以及喷雾质量很差,这是因为此时流过燃烧室的空气速度很低,油膜和气之间的相对速度很低,气流对油膜的剪切作用不强。从设计方案来讲,采用三级旋流用来增强头部主燃区的混合过程以及改善冒烟的倾向。本文的研究特点是采用三级旋流的头部和双旋流杯头部进行试验和计算的对比研究,以改进三级旋流头部的设计,扩大燃烧室稳定工作范围。流器:内、中、外旋流器,中间旋流器旋流方向与内旋流器旋流方向相反,而外旋流器方向与内旋流器旋流方向相同,3个旋流器都是轴向旋流器,旋流叶片为螺旋形叶片。A型头部的燃油经过螺旋形槽道从(a)图中的D1处成油膜排出,受到来自于内旋流器和中间旋流器气体的冲击和剪切作用,属于气动雾化。(b)图为B型双旋流杯头部,两级旋流器:一级、二级旋流器,旋流方向相反,皆为径向进气旋流器,与之相配的喷嘴是压力雾化喷嘴。A型头部的内旋流器用来提供头部的内部气流,而中间螺旋形叶片轴向旋流器提供气流直接吹向油膜出口,内旋流器和中间旋流器共同作用对油膜进行冲击和剪切。外旋流器(第三级)用来辅助形成良好的喷雾分布。火焰观察试验在常压下,对装有A型、B型头部的单头部矩形燃烧室分别进行了贫油熄火试验,拍摄到接近熄火时刻的火焰图像如图2所示。两种头部结构如图1所示,(a)图为A型头部,带有3个旋21图1两种旋流杯头部结构示意图Fig.1Twokindsofswirl2cupdomes图2接近熄火时刻的火焰图像Fig.2Photoofflamenearleanblowout表1两种头部的常压贫油熄火燃烧现...