PDF《高空 点火 和贫油减速熄火极限》

高空 点火和 贫油减速 熄火 极限 D .

Andr e a di s ( P&

W 公司)摘要当代及 未来―代 的燃烧 室是按较 高 出口温度和量 烟 尘发敢 设计 的. 这靛 要求较大 比率 的空气进 ^燃烧 室主燃 区. 以便在 商功率 状态获得适台 的化学 当量 比.于是 .在燃 烧 室高空 点火 圾及 发动机 减速期 间 .燃 油瀛 很小. 主燃 区当比可能变得 非常 贫.从而'

电 小穗定燃烧格 度,导弦黼 熄火,甚至有可能在 要求的高度上点 不着火 .本 文用 特 征时间 模型法 来描进 点火和火焰 稳定极 限.与化学动力 .燃油 蒸发 以厦热气 流停留 相应 的各特征时间 同点火 及减速 贫油熄 火极 限定量 相关. 这些特征 时间模 型叉与燃烧室压力. 进 口温度.燃油空气 比.燃油温 度,空气 速度 .压癣,燃蛲室前 端几何形 状与尺 寸以厦 喷油 尺 寸的变化 直接相 关.其 所用数 据取 自其国空 军.海军、国 家宇航 局p』厦普惠公 司在 军用和 民用燃气 涡轮燃烧室 工作性能 方面所 建议的大纲. 结论是 :对于 风车 点火现 象.由于燃油雾 化 良好并且 主燃 区当量 比饷怔.蒸 发和化 学反 应过程 是要的 而 对于 越遮 贫油熄火现 象.化学反应更 为重要. 符号表质量转换数平均表面直径对索太尔平均直 径之比平均直径对索太尔平均 直径之比平均容积直径对索太尔平 均直 径之此方程(13)中的常数 . C. I =2 .

6 6 方程(14)中的常数.Ci=2 .

6 6 方程 (

1 7 ) 中的常数,C.=0 .

2 5 方程 (

1 8 ) 中的常数,Cc =0 .

2 5 定压此热, J / k g ― K 直径,m最小点火能量,J热传 导系 数.J / m ―S - -K 空气 的 模尔 质量 .M :2

9 k g/ k s―mo l e NI . N2 方程(1) 中的常数b13方程(2) 中的常数N方程(3) 中的常数P| 燃 烧室 压力,kPa P 压差,1 c Pa P 普朗特效R通用气体常数,R=3

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5 a / k S―mo l eK Re D 初始平均液滴直径的雷 诺数12BQeQGQdKM维普资讯 http://www.cqvip.com 层流火焰速度,c耐/s屡流火焰速度 ( 8) ,SL O=3

8 . O c m/ S 紊流火焰速度,∞/s燃烧室温度.K燃烧温升,K液膜厚度,速度.m/s均方根 波动速度 , m/ s 容积,mc1c2../ci热膨 胀 系数, m / s 方程 ( 7) 的 常数 方程 ( 9) 的常 数动力粘性系数,l嘈/ m ―s 运动 粘性系数.m/s密度 , k g / m

0 表面张力,N/ m 火花熄灭的特征时间,ms 燃油蒸发(点火)特征时间,ms化学反应(点火)特征时间.ms主燃 区容 积热停留时 间.ms 燃油蒸发(稳态)特征时间,ms 化学反应 ( 稳态)特征时闻.ms 当量 比喷嘴端面化为蒸气的燃油份额空气绝对值揍油燃气注射 参考主燃 区化学当量 值燃烧室进口温度

一、引言一燃气涡轮发动机燃烧室单计的主要要求 是在寅阔的工作范围 内( 包括发动机功率锐 减的过 渡态 ) 保 持燃烧稳 定 以及 在高 空燃 烧 室熄火 日寸能迅 速 再点火 并 使发动 机迅速加速 现代战 斗机以及民用发动 机 均设 计得涡轮进口温 度较高而发烟极少.这就要求在精l烧室主燃区分配大l3T盯. } u v z . P k n觚,一Ⅲ. 维普资讯 http://www.cqvip.com 比率 的 空气. 使得在 大功 率 工作时 获合适的 当量 比. 然而 , 在 高空 点火以及 发动机减速 状态,这 种燃 烧室 主燃 区的 当量 比变得 极贫. 这就 缩小了燃 烧室 稳定 工作范 围并导致 减遘熄 火的可能性,甚至于在要求的高度 不能点火. 所建立的预报技术应当对任意给定的燃烧室能精确确 定 主燃 区空气 流量增 加或 主燃 区容积减小 ( 也就是主燃 区 长度减小) 对高空点火以及 贫油减 速性能的影响.在过 去的十年 中 有几项 研究L I ~1

2 乜 经从 概念 上弄 清 了点火 和贫 油 熄火 的基 本过 程, 它们为将点火和稳定特性与所 包含 的工作参数建立关系提供了有用的理论基 础 .本 文的目的 是介 绍 高空 点火 和贫油减速 熄火模型. 以上 述理 论为基 础, 并引 用了空军 海军胃家宇 航局和普惠公司为军、民用 燃气涡轮发动机燃烧室所建议的数 据作为素材. 此外,本文还将为点火和火焰稳定 现象定义关键过程,介绍高空点火和贫油减速 状态燃气涡轮发动机的性能预 测本项研究所 用的方法是考虑燃烧机理中的下 列物理过 程对点火及火焰 稳定的影 响:热和紊疏扩 散化学反应、 燃 油蒸 发 和紊流混合. 因 为包 含两个 以上 的物理过程 ,点火 和贫油 减速熄火的模型用特征时间阐述丽不用速度来探讨特征时间模型,,

并不试图分析整个燃烧室流场,但注意流场中的关键区域 并确定火花核心熄火化学反应,燃 油蒸发和热 气 流停 留各过程所需时间的 表达式.成功的点火和火焰稳定准则规定如下:・ 点火极限发生在当火花核 熄火时间在数量级上与点火区附近区域 内算得 的化 学反应和蒸发时间之和相当的情况. ・ 火焰稳 定被 认为 是主 燃 区内 的热气 流停 留时 间与 化 学反应 时 间加 上蒸 发时 间 之间的 平衡,蒸发时间是在热回流区和自由流之间的剪 切层区域中估算的. 高 空点火 和贫油熄 火模 型的研究是 按下 述步骤 完成 的. 首 先建立各 特征时 间与燃 烧室 中点火和火焰稳定的物理过程相关 的方程式.其次 , 把这些方程式按照成功点火和火焰稳定的准则 联 系起 来. 第三 ,用统 计 分析 的方 法比较这 一系 列方程 并 选择 合适 的参 变量拟合 成与 高空点火和贫油减速 熄火的统计数据最 相吻台的 公式.这些公式就完全是以奎 尺寸发动机试 验为基础的了

二、 参数 的确 定 目前 的点火与稳定模型能否与发 动机的工作状态相吻合在很大程度 上取决于正确确定一系列燃油和空 气的特性以及所选用的 工作参数和设计参数.本节叙述这些 参数的确 定.在大多数情 况下 ,确定 的 基础 是 明确的 在 另一些 情况下 ,是 对所 涉 及的参 数影 响 进行一 系列估算以后 确定的.燃油性质在本项 研究所 采用 的军 用 和民 用 发动机数据 中 .对下 述燃 油性 质确 定 了表 达武 密度,表面张力绝对牯性蒸发压力蒸发潜热、 比热 、 质量转换 数.这些燃油性质是以燃烧室燃油温度的函数来表示的. 燃油温度 是由以上数据集加上估 算的在燃油系 统和喷嘴中的温升得到的 另外 对于_ 火花点火 现 象和火焰 稳定 现象, 燃油 的某 些性 质是 分另按1 0%和5 0%的 蒸馏 温度的函数来估算的.空气 和燃 气 性质 空气和燃气性质包括密度绝对粘度 、 比热热扩散、热传导和普期特数等,它们分别14维普资讯 http://www.cqvip.com 是燃烧室进口温度 和主燃区温度的函数喷射速 度和 喷雾 锥角喷射速度是 在将经过燃油喷嘴和涡流器的流动分别作为只有轴向和 切向分量的一元不可 压流来考虑的情况下 估算的.给定喷 嘴和祸流器的空气流速 , 有效的和物理的流动面积 . 燃烧室压力和温度 以后 就有可能估算喷射速度的平均轴向分量和喷 嘴喷雾锥角. 轴 向速 度羊Ⅱ喷雾锥 角 用来计 算切 向分 量. 这些 分 量之 和在喷 嘴出口平 面提供 一个平均喷 射速 度.同样 计算点火器平面和 主燃孔她的参 考速 度.燃油喷雾 为了计算特定燃烧室的雾 滴蒸发时间,必须确定所研究系统的索太尔平均直径(SM D ) 不章的是雾滴尺寸测量不r.取而代之的是用经验 修正数据来预告每个雾化喷 货的SM D. 空气雾化喷 嘴C183sM._[N(南)0.6().(+)04]+(Nz()(-+)t]㈩ 液体雾化喷 嘴(昔惠公司导出的关系式) : SM D ={ N a( w f ) . ・ . [ e '

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] . I S ) / ( AP) . ・ ( 2) 压力雾化喷嘴C123SMD=N z卵 v ?7

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3 ) 主燃 区有效 燃油空气 比和 燃 气温 度燃油蒸 发速度 并不 总是高迭足 以保证 全 部燃 油在 主燃 区完全蒸 发 .因此 .为 r确 定蒸 发了的燃油量或有效的油气比以 及燃烧室主燃区中相应的燃气温度 , 生成了一 个反复迭代的程序.该程序开始假定初 始有效油气 比等于化学当量比, 同时确定相应的燃气温度于是,蒸发了的 燃油量按如下表达式【l算:s())-Ⅷ()c-+o.zz略… 从蒸发了的燃 油份额计算出有效油气 比并 与初始有效 油气比比较. 如果有效油气比的计算值 不等于用来获得 燃气温度的初始值 , 就用一 个迭代过程来逼近.应当注意的是等式(4) 允许 蒸发了的燃油份额 大干1,这意味着 回流区中燃油完全蒸 发.在这 种情 况下,用主燃区的油气比计算该区中的燃气温度和性能主燃 区容 积主燃区的容 积按下述方法计算.假定该容积等于喷雾锥角为顶角的正截锥的容积(主燃区的长度 作为 敲锥 的 高度 ) . 小 端帮大 端 的半 径分别由喷 嘴出口半径 和 主燃 孔 中心线处的水 力直径的一半来表示火花核熄 灭直径最小点火能量 的定义要求佶算火花核直径(dq).芷如 Ba l

1 a 】和Le f e b v r e所建议的l1最小点火能量定义 为加热具有直径为dq的空气球体 到当量比火焰 温度 所需要的能量,从 而导出了如下方程:[(5)15维普资讯 http://www.cqvip.com 均 方根 波 动速 度紊流的捌量 不能利用发动机的数据但是,r o lef e bv r e 的方法[I1),均 方根渡动速度(u)可 由实际燃烧室的压九损失以及进口温度和压力来预测.压力能损失必然表现为粒子运动消失之前的紊流能量.如果压力损失正比于紊流动能,方程式为:P. :........