低温下旋流喷雾火焰的点火与熄灭特性

《Combustion and Flame》：Ignition and extinction characteristics of swirl spray flames at low temperatures

研究在常压下旋流喷雾燃烧器中，燃料与空气温度（253-293 K）对Jet-A燃料低空域吹熄（LBO）和点火（LLO）极限的影响，发现单独降低燃料温度使LBO和LLO极限分别提升7.8%和6.9%；同时降温时LLO极限增幅显著（43.4%）超过LBO（14.4%）。机理表明低温通过劣化雾化质量（燃料温度主导）和抑制蒸发（空气温度主导）共同削弱火焰稳定性。

　　

王希伟|纪伟新|刘新鹏|邵燕|陈凯平|王迪|孙磊

Expace科技有限公司，中国武汉，430040

摘要

在高空、低温条件下，燃气轮机燃烧室中的贫燃熄火（LBO）和贫燃熄火（LLO）已成为现代飞机发动机面临的关键问题。本研究采用旋流喷雾燃烧平台，研究了大气压下Jet-A燃料喷雾火焰的低温LBO和LLO特性。空气和燃料温度在253–293 K范围内进行单独或同时变化，以考察LBO极限、LLO极限、雾化过程及蒸发过程对温度的敏感性。使用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测量液滴速度和索特平均直径（SMD）。结果表明，当燃料温度从293 K降至256 K时，LBO和LLO极限分别增加了7.8%和6.9%，表明其恶化程度相当。当燃料和空气温度同时从293 K降至253 K时，LLO极限的恶化程度明显高于LBO极限：LLO极限增加了43.4%，而LBO极限仅增加了14.4%。低温燃料和低温空气对LBO的影响机制不同：低温燃料主要通过降低雾化质量来影响LBO，而低温空气则通过减少燃料蒸发来影响LBO。在低温条件下，由于雾化效果差和热量损失增加，点火性能会下降，这两者都会阻碍稳定火焰核的形成。

引言

由于具有宽工作范围，旋流杯燃烧室及其旋流稳定的喷雾火焰已被广泛应用于现代燃气轮机中[1]。贫燃熄火（LBO）和贫燃熄火（LLO）等关键运行极限仍然至关重要。在旋流稳定燃烧室中，可燃混合物通常首先在再循环区边界处的剪切层中被点燃，然后被带入再循环区域。燃烧产物沿剪切层向上游传输，从而在高速流动中维持稳定火焰[[2], [3]]。LLO极限定义为在指定运行条件下，火花点火能够引发自维持燃烧的最低燃料-空气比（FAR）。当运行条件接近LBO极限时，主反应区会出现连续的局部熄火和重新点火现象。随着当量比的进一步降低，局部熄火会发展成全局火焰熄火，即LBO[4]。如果在飞行过程中发生LBO，可能会导致推力损失甚至灾难性故障[5]。高空熄火后，航空发动机的重新点火性能直接关系到飞机的安全运行。因此，准确预测LBO和LLO极限以及深入理解火焰稳定机制对于燃烧室设计具有重要意义。

近年来，随着飞行包线的不断扩展，与高空条件下的LBO和LLO相关的问题受到了广泛关注。机体和发动机制造商一致认为，最大重启高度在海平面上方6.1至9.1公里之间[6]。高空运行的典型特征是进气温度和燃料温度较低，温度可能降至253 K以下[7]。在这个高度范围内，LBO后的燃烧室进气温度受飞机飞行速度和高度的显著影响，导致燃烧室进气条件发生较大变化。根据Lefebvre等人的LBO和LLO理论[8]，低温条件不利于液滴蒸发、雾化和化学反应，从而导致LBO和LLO极限升高。在非预混喷雾系统中，雾化、混合和蒸发过程会显著影响甚至限制LBO行为[[9], [10], [11], [12], [13]]。随着进气温度的降低，火焰向周围环境的散热增加，而化学反应速率降低，使得火焰更难以维持，从而提高了LBO和LLO极限。

降低燃料温度的主要影响是改变喷雾雾化特性。在Zhao等人进行的低温点火测试中[14]，燃料温度设置在253 K至301 K范围内。他们发现，雾化质量差不仅阻碍了火焰核的形成和在燃烧室中的传播，还降低了点火性能。Lefebvre及其同事的早期研究表明，任何压力或温度的降低都会显著增加最小点火能量（MIE）[15]。根据燃料性质手册[16]，常用的Jet A-1航空煤油的粘度和表面张力在低温条件下都会增加。燃料粘度和表面张力的增加会不利地影响雾化质量[17]。索特平均直径（SMD）的减小会导致更高的体积热释放率、改善的点火特性、更宽的LBO极限以及更低的污染物排放[18]。然而，基于广泛的工程实践也有一个普遍结论，即含有较大燃料液滴的混合物（例如由非理想雾化或低挥发性燃料引起的）有助于提高LBO性能[19]。因此，燃料温度引起的SMD变化是决定燃烧室性能的关键因素。近年来，多项实验和数值研究探讨了高空和低温条件下的喷雾特性[[20], [21], [22]]。结果表明，随着燃料温度的降低，喷雾的SMD和单个液滴的点火延迟都会增加。此外，燃料温度还影响喷雾雾化的其他参数。Park等人[23]研究了不同温度下燃料的流动和宏观喷雾特性。他们发现，当燃料温度从313 K降至243 K时，燃料蒸发减弱、密度增加和粘度升高，导致液相燃料渗透加深和喷雾锥角减小。

除了燃料温度外，空气温度也显著影响燃烧性能。Won等人[24]发现，在低进气温度下，燃料的物理性质（如沸点）主导了LBO行为。相比之下，在高进气温度下，燃料的化学性质（如十六烷值DCN）起主要作用。Grohmann等人[25]指出，对于具有较大液滴和较低蒸发率的喷雾燃料（如正十二烷），在较低空气温度（例如323 K）下的LBO当量比低于具有更细雾化率和更快蒸发率的类似燃料（如正己烷）。Baxter和Lefebvre[26]测量了不同进气温度下燃烧室的LBO极限，结果与预期一致。Han等人[27]观察到，燃烧不稳定性的幅度随进气温度的增加而非线性减小。然而，由于实验条件有限，尚未得出全面结论，喷雾火焰中进气温度与燃烧不稳定性之间的关系仍不清楚。

尽管对喷雾火焰动力学进行了大量研究，但由于再现高空条件和喷雾燃烧的复杂性，专注于点火和熄火过程及其与极端运行条件相关性的研究仍然有限且不够系统。本工作的主要目的是研究低温条件下控制LBO和LLO的机制，为点火-熄火模型的开发提供理论基础，并指导下一代航空发动机燃烧室的设计。为此，本研究定量研究了293 K至253 K范围内低温条件下旋流稳定燃烧室的LBO和LLO特性。比较分析了燃料和空气温度的影响，并从喷雾雾化、蒸发和燃烧特性的角度阐明了火焰稳定机制。需要注意的是，实际燃气轮机运行涉及更高的燃烧室进气温度和较低的高度环境压力；本研究仅隔离了大气压条件下的低空气和燃料温度的影响，因此应将其视为基本温度敏感性研究，而不是对发动机高空运行状态的直接模拟。本文的结构如下：首先介绍燃烧室配置、实验装置和诊断方法；接着介绍不同温度条件下的LBO和LLO特性；随后分析LBO和LLO期间的喷雾雾化、蒸发和火焰特性；最后讨论低温下LBO和LLO特性变化背后的机制。

设备

所有实验均在北航大学基础燃烧实验室进行。实验装置包括空气供应系统、燃料供应系统、测量系统、数据采集系统和点火系统。测试台的概览如图1所示。空气源是一个额定功率为11 kW的高压离心鼓风机。燃料供应系统使用燃料泵输送燃料。实验过程中，对燃料流速进行了精确控制

LBO和LLO性能

在253 K至293 K的温度范围内进行了一系列低温LBO和LLO实验，相邻测试条件之间的温度步长为5 K。由于点火和熄火过程的固有随机性，每组实验通常至少重复3次以确定可靠的LBO和LLO极限。图6显示了燃烧室在LBO和LLO极限处的燃料-空气比随温度的变化情况。图6中的虚线

结论

本研究探讨了低温条件下旋流喷雾火焰的雾化、蒸发、熄火和点火特性。得出以下结论：

1) 在低温条件下，LBO和LLO极限均显著恶化。当燃料温度从293 K降至256 K时，LBO和LLO极限分别增加了7.8%和6.9%，表明其恶化程度相当。当燃料和空气温度同时降低时

创新性和意义声明

本研究为低温条件下Jet-A旋流喷雾火焰的点火和熄火行为提供了新的见解，这些现象与高空运行相关。本研究在一个统一的实验框架内系统地研究了它们的独立和综合效应。通过独立和同时改变空气和燃料温度，本研究区分了低温燃料恶化通过的不同物理途径

CRediT作者贡献声明

王希伟：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据整理、概念化。纪伟新：撰写——审阅与编辑、监督、软件、资源管理、数据整理、概念化。刘新鹏：资源管理、项目协调、方法论、研究、资金获取。邵燕：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督。陈凯平：方法论、研究、资金获取、正式分析。王迪：验证、软件