工程熱物理所航空發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)研究取得新進(jìn)展

  航空發(fā)動機(jī)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(shù)?，F(xiàn)役航空發(fā)動機(jī)主燃燒室的經(jīng)典結(jié)構(gòu)之一是美國GE公司研發(fā)的應(yīng)用在CFM56系列發(fā)動機(jī)上的TAPS燃燒室。該類燃燒室預(yù)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(jìn)行二次破碎后燃燒。然而，面對民用航空污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)CAEP8的實施以及軍用航空對發(fā)展高溫升燃燒室的強(qiáng)烈需求，現(xiàn)有的燃燒技術(shù)已面臨挑戰(zhàn)。

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

　　該技術(shù)旨在推動發(fā)動機(jī)的高效、低污染燃燒，同時滿足高溫升燃燒室的技術(shù)需求。基于此技術(shù)，研究人員發(fā)展了多款貧直噴燃燒室結(jié)構(gòu)，并獲得發(fā)明專利授權(quán)，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(qiáng)湍流剪切帶，利用文氏管收縮段向中心加速射流，形成強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jìn)行油滴的二次霧化，所以在結(jié)構(gòu)上取消了內(nèi)部文氏管，同時將外部套筒設(shè)計成文氏管形式。該設(shè)計避免了現(xiàn)役燃燒器內(nèi)部文氏管出現(xiàn)積碳和結(jié)焦變形問題。

　　目前，研究人員對CDV燃燒器在不同工況下進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)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(xué)會動力分會第十八屆燃燒與傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)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(xué)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(shù)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(jié)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