工程熱物理所航空發(fā)動機燃燒技術研究取得新進展

  航空發(fā)動機燃燒室的主要發(fā)展趨勢是采用高溫升、高效、低污染燃燒技術。現(xiàn)役航空發(fā)動機主燃燒室的經(jīng)典結構之一是美國GE公司研發(fā)的應用在CFM56系列發(fā)動機上的TAPS燃燒室。該類燃燒室預燃級采用中心噴霧，外圈布置雙級旋流式渦流器（如圖1所示），液霧通過撞擊內(nèi)部文氏管成膜，然后在內(nèi)外旋流剪切作用下進行二次破碎后燃燒。然而，面對民用航空污染物排放新標準CAEP8的實施以及軍用航空對發(fā)展高溫升燃燒室的強烈需求，現(xiàn)有的燃燒技術已面臨挑戰(zhàn)。

　　近日，中國科學院工程熱物理研究所輕型動力實驗室潔凈燃燒科研團隊研發(fā)出基于反向雙旋文氏管預混（CDV）燃燒器的貧直噴（LDI）燃燒技術，CDV燃燒器結構如圖2所示。

　　該技術旨在推動發(fā)動機的高效、低污染燃燒，同時滿足高溫升燃燒室的技術需求。基于此技術，研究人員發(fā)展了多款貧直噴燃燒室結構，并獲得發(fā)明專利授權，包括單管燃燒室（如圖3所示，ZL201210374686.1）、環(huán)形燃燒室（如圖4所示，ZL201210375557.4）。它們依靠CDV燃燒器良好的霧化和燃燒性能，以及燃料和空氣同時分級的分布式燃燒方式，從而實現(xiàn)燃料與空氣充分混合及高效低污染燃燒。

　　CDV燃燒器原理是在油噴嘴良好霧化條件下，依靠反向雙旋渦流器產(chǎn)生強湍流剪切帶，利用文氏管收縮段向中心加速射流，形成強大的反向剪切氣動力實現(xiàn)油滴的輔助霧化和與空氣的快速混合。CDV燃燒器與現(xiàn)役雙級旋流燃燒器相比，由于燃料和空氣分級，單元燃燒器的燃料和空氣流量變小，整體結構尺寸變??；另外燃料噴口尺寸變小，霧化效果變好，也無需利用文氏管來進行油滴的二次霧化，所以在結構上取消了內(nèi)部文氏管，同時將外部套筒設計成文氏管形式。該設計避免了現(xiàn)役燃燒器內(nèi)部文氏管出現(xiàn)積碳和結焦變形問題。

　　目前，研究人員對CDV燃燒器在不同工況下進行了實驗研究，驗證了其高效、低污染排放的燃燒性能（如圖5所示）。

　　此外，根據(jù)此結構，研究人員發(fā)現(xiàn)并明確給出了不同于單旋流的反向雙旋流受限特征規(guī)律（如圖6所示），在此基礎上將不同受限比下反向雙旋流場劃分成回流泡軸向生長、回流泡束腰收縮和雙回流泡三種流動模式。

　　研究成果已在今年的中國航空學會動力分會第十八屆燃燒與傳熱傳質學術會議上宣讀，獲得與會的中航工業(yè)專家及航空院校同行們的高度肯定，被該學會專業(yè)委員會評為優(yōu)秀論文。

圖1 TAPS燃燒室內(nèi)燃燒器原理圖

圖2 LDI技術中的CDV燃燒器原理圖

圖3 基于CDV燃燒器的單管型貧直噴燃燒室

圖4 基于CDV燃燒器的環(huán)形貧直噴燃燒室

圖5 CDV燃燒器實驗結果：(a)～(d)不同工況下火焰；(e)污染物排放特性

圖6 CDV燃燒器在不同受限比下流動規(guī)律