对航空发动机燃烧室工作稳定性的思考研究

对航空发动机燃烧室工作稳定性的思考研究

刘政良

中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 上海 浦东新区 201209

摘要：航空发动机燃烧室工作稳定性能对飞机的飞行安全产生着十分重要的影响，因此在规定的飞行速度中，保证发动机燃烧室工作稳定性能具有十分重要的意义。从具体的研究分析可知，发动机燃烧室不稳定性能主要包括火焰稳定基本性能、生物耦合效应以及反应物供应等，利用CFD技术以及反应动力学理论进行综合化的定量分析。

关键词：航空；发动机燃烧室；工作稳定性

前言：发动机中燃烧室是其重要的组成部分，燃烧室中化学以及物理过程都与耦合效应存在一定的关联，具体分析来看主要包括温流运输发现、燃油雾化、燃油蒸发、粒子运动以及高温辐射等，在发动机运转的过程中，由于工作状态的不同，可能引发富油以及贫油等不同的问题，功率变化也对发动机燃烧室内流动出口温差造成影响，与此同时，相关工作人员也面临着更加严峻的工作压力。本文从上述角度入手，研究分析了航空发动机燃烧室工作稳定性能。

1. 航空发动机燃烧室工作稳定性分析

航空发动机燃烧室工作稳定性与飞机飞行的安全存在紧密联系，只有在飞行限度之中保障燃烧室的良好稳定性能，才能够保障飞机的飞行安全，减少飞行过程中的安全隐患^[1]。在对航空发动机燃烧室工作稳定性分析的过程之中，需要针对其中的问题进行重点分析并且提出相关的解决策略。通过具体的研究分析以及相关调查发现，影响航空发动机燃烧室工作稳定性能的主要因素包括燃烧室火焰稳定性能，燃烧室内耦合效应以及发动机系统反应物限制和发动机部件间的互相干扰等。

二、燃烧室火焰稳定性能造成的不稳定性

燃烧室火焰稳定性致使贫油熄火和富油熄火不稳定性的情况发生，航空发动机在规定的飞行范围之中，可能会产生熄火极限，燃烧式发动机工作包括所有的稳定工作点，这些工作点处于贫油以及富油规定的范围之间，此种状态，对不同工作状态的安全程度都有着充分的考量。其中较为具有研究意义的是贫油熄火，针对与贫油熄火相关研究，主要借助现象模具模型展开，具体的研究需要从模拟火焰稳定性研究、贫油熄火稳定性研究以及燃油空气混合不完全导致的贫油熄火的角度进行分析。

1. 模拟火焰稳定性的研究

航空发动机燃烧室中的火焰主要借助回流区保持稳定性，燃料加料的过程中会导致走向涡旋射流的产生，涡旋射流进入燃烧室阻燃区之后会出现一系列的反应，产生回流区燃烧室内可以观察到贫油熄火和火焰风的不稳定性^[2]。根据具体的研究结果分析，阻燃区气流特征具有内射流动量和外圈回流区产生的中心回流区工作状态中，附着火焰影响着射流剪切，从火焰启动和发动机燃烧室的工作稳定性能来看，想要改变附着状态，可以使用减少空气量或者增加燃油的方式。

2. 贫油熄火稳定性的研究

贫油熄火数据测量过程中，发现装有空气雾化喷嘴和蒸气管受到燃烧室形状，燃油分布和燃油喷射情况的影响，导致贫油熄火特征存在一定的不同。基于此，使用CFD对贫油的稳定性进行测量，这样才能够保障发动机室内燃烧的稳定性，为飞机飞行安全提供相应保障。

3. 燃油空气混合不完全导致的贫油熄火

国外专家在预蒸发、贫油和预混合管式燃烧室中，对贫油熄火进行了相关测验。实验表明，在非燃烧条件下利用二维户型荧光技术进行确定，根据结果分析发现，燃油室进口整齐分布和燃油液低不均匀的情况下，大部分燃油处在燃烧管的上半区，极限范围较窄；燃烧室蒸汽和燃油液滴均匀的情况下，稳定范围较小，贫油极限也较宽。

三、燃烧室内声耦合效应导致的燃烧不稳定性

大部分航空发动机燃烧是在慢车运行或者慢车运行以下的状态中，都会存在一定不稳定性的特征，不稳定性引发了压气机失速和噪声等不良反应，如果未能展开科学处理，会造成燃烧室的破坏。国外研究成果之中，发现这种情况和声音动态压力脉冲存在着一定的关联，这种声音频率处于50~500赫兹之间^[3]。多年前，美国海军就已经对发动机燃烧系统的不稳定性展开了相关研究，并将这些研究结果应用到航空发动机燃烧室设计的过程之中，与此同时，还展开了不同类型发动机燃烧室的扇形段测验，对相关政法频率和燃烧室特征进行了测定，并取得了显著的研究效果。

4. 燃烧室稳定性分析

预混燃烧是预蒸发和贫油，是低发低排放发动机的重要燃烧构成内容，与其他普通燃烧是存在一定的差异，针对燃烧和压力造成的不稳定性较为敏感，也能够引起系统阻尼机械振动，导致燃烧效率降低。国内外专家对于燃烧室的相互作用进行了深入分析，对反射、激励以及便捷等多个方面进行了深入探究，并且编写了LSENS编码在压力扰动和是热率脉动耦合导致的不适，当阻尼在传递过程中想要对声能振服务进行消除，需要利用科学可行的手段，并且根据湿热率脉动的因素进行考量^[4]。这些因素主要包括以下几个方面，首先是来流稳流速燃，燃油雾化和油气混合知识的变化。其次是燃料运输系统脉动平均是热率，燃烧室几何形状和种类引发的变化，最后是动力学反应速率变化，火焰稳定器位置，漩涡脱落和不稳定性。

火焰对来流紊流动提升有重要的推动性作用，然后与流度、速度和脉冲的关联较为密切，能够同时对释热脉热率脉动造成影响，燃油喷射系统可以对释热率起到一定的激励效果，燃料输运系统动力特征与燃烧室稳定性分析，存在一定的关联。火焰瞬间速率和蒸发雾化以及混合速率的关联也较为深入，在回流较大的过程之中，可能引发逆燃的问题，燃烧特性和化学反应时间数量级别相同的过程之中，逆然现象更加明显，引发这一问题的主要原因是燃料种类，湿热率分布和燃烧式形式^[5]。

五、发动机系统反应物供应限制导致的燃烧室不稳定性

航空发动机系统反应物供应限制受到压气机整流叶片、油泵转速、喷射速度

、燃油控制和燃油液化的影响，混轴对称燃烧是过程中可以利用CFD对燃烧室不稳定性进行谋划，国外专家对此种试验进行了模拟，CFD计算由喷油嘴中离心式空气喷口到排气管之中。通过研究分析可知，CFD在检测发动机系统反应物供应限制对燃烧室不稳定性能造成影响的过程中，发挥着重要作用。由此可见，在对燃烧室不稳定性能影响因素进行分析的过程之中，需要加强对CFD的使用。

结束语

通过上述研究分析可知，对航空发动机燃烧室造成不稳定性的因素主要有火焰问题、基本稳定性能、生物耦合效应和反应物供应集中情况，借助CFD的技术手段，加上反应动力学的相关理论展开定量化的分析，从现阶段的研究成果来看，对于燃烧室不稳定性研究已经获得了良好的效果，但是在研究过程中仍然处于初期发展阶段，需要在未来发展过程之中，进一步提升对燃烧室稳定性能的分析，这一任务的实现还需要不断的付出努力，只有不断的深入研究，才能够加强对燃烧室稳定性能的保障，进而保障飞机的飞行安全。

参考文献

[1] 杨雄,郭政波,申世才,等. 高空长航时无人机发动机工作稳定性研究[J]. 燃气涡轮试验与研究,2020,33(6):32-35,50.

[2] 索建秦,梁红侠,黎明,等. 航空发动机燃烧室设计研发体系[J]. 航空发动机,2021,47(3):29-34.

[3] 吴榕,阮盛伟,姜琴. 典型结构一体化加力燃烧室性能数值仿真研究[J]. 信息记录材料,2020,21(3):238-241.

[4] 葛高杨,马元,侯世卓,等. 当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究[J]. 爆炸与冲击,2021,41(11):21-32.

[5] 李东杰,周伯豪,梁骞,等. 微型涡喷发动机燃烧室优化设计[J]. 清华大学学报（自然科学版）,2021,61(10):1212-1220.