基于自激扫掠喷嘴的加力燃烧效率试验

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30621

流体力学与飞行力学

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基于自激扫掠喷嘴的加力燃烧效率试验

王士奇¹(), 温泉¹, 贾志刚¹, 程奕鑫¹^,², 李林¹, 张弛², 霍伟业³, 马梁⁴

^1.中国航空发动机集团有限公司中国航空发动机研究院，北京 101304
^2.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 100191
^3.北华航天工业学院航空宇航学院，廊坊 065000
^4.中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300

收稿日期:2024-04-29 修回日期:2024-05-13 接受日期:2024-05-31 出版日期:2024-06-19 发布日期:2024-06-17
通讯作者: 王士奇 E-mail:wangsq6@126.com
基金资助:
先进航空动力创新工作站(HKCX2022-01-010);国家自然科学基金(52306052)

Experiment on afterburner combustion efficiency based on self-excited sweeping nozzle

Shiqi WANG¹(), Quan WEN¹, Zhigang JIA¹, Yixin CHENG¹^,², Lin LI¹, Chi ZHANG², Weiye HUO³, Liang MA⁴

^1.Aero Engine Academy of China，Aero Engine Corporation of China，Beijing 　101304，China
^2.Research Institute of Aero-Engine，Beihang University，Beijing 　100191，China
^3.School of Aeronautics and Astronautics，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 　065000，China
^4.Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China

Received:2024-04-29 Revised:2024-05-13 Accepted:2024-05-31 Online:2024-06-19 Published:2024-06-17
Contact: Shiqi WANG E-mail:wangsq6@126.com
Supported by:
Advanced Jet Propulsion Innovation Center(HKCX2022-01-010);National Natural Science Foundation of China(52306052)

摘要/Abstract

摘要：

为了验证自激扫掠喷嘴应用于加力燃烧室的可行性，以及高频动态扫掠燃油喷射方法对于提高加力燃烧效率的有效性，本研究首先设计了耦合自激扫掠喷嘴结构的加力燃油喷杆，对其流量、频率、张角等基本工作特性进行测量，并与圆孔直射式喷杆进行对比分析。然后，基于矩形加力燃烧室性能测试平台，在相同工况条件和油气比范围内，分别采用直射喷杆和自激扫掠喷杆，测量总体燃烧效率，并监测壁面动态压力脉动信息。结果表明，在10 mm直径的加力燃油喷杆内，可实现多个自激扫掠喷嘴的结构耦合；与等几何通径的直射式喷杆相比，自激扫掠喷杆的流通能力提高了23%；同一喷杆内的多个自激扫掠喷嘴，其工作频率和扫掠张角随进口压力的变化规律基本相同，具有较好的一致性。采用自激扫掠喷杆，加力燃烧效率可提高3.7%，且未监测到与自激扫掠喷嘴工作频率相同或接近的压力脉动频率，表明高频动态扫掠燃油喷射不会对火焰热声振荡模态及稳定器后方的大尺度脱落涡结构产生直接影响。

关键词: 自激扫掠喷嘴, 高频动态扫掠喷射, 加力燃烧室, 振荡频率, 压力脉动, 流体振荡器

Abstract:

To prove the feasibility of applying the self-excited sweeping nozzle in the afterburner， and the effectiveness of high frequency dynamic sweeping fuel injection methods for improving the efficiency of afterburner combustion， this study designed a fuel spray bar integrated with the self-excited sweeping nozzles， tested its basic working characteristics， such as flow rate， frequency and sweeping angle， and further compared these characteristics with the plain-orifice spray bar. Then， based on the rectangular afterburner test rig， under the same test conditions and the fuel-to-air ratio range， the overall combustion efficiencies are tested and the dynamic wall pressure pulsation information is monitored， employing the plain-orifice spray bar and self-excited sweeping spray bar respectively. The results show that multiple self-sweeping nozzles can be integrated into the spray bar with the diameter limitation of 10mm. the flow capability of the self- excited sweeping spray bar is increased by 23%， compared to the plain-orifice spray bar with the equivalent geometric flow area. For the nozzles in the same spray bar， their operating frequency and sweeping angle responses to the pressure drop are basically the same and have good consistency. The afterburner combustion efficiency is improved by 3.7%， by employing the self-excited sweeping spray bar，and no dynamic pressure pulsation frequency is detected which is the same or close to the operating frequency of self-excited sweeping nozzle， indicating that high frequency dynamic sweeping fuel injection has no direct impact on the flame thermoacoustic oscillation mode and large scale shedding vortex structure downstream the flameholder.

Key words: self-excited sweeping nozzle, high frequency dynamic sweeping fuel injection, afterburner, oscillation frequency, dynamic pressure pulsation, fluidic oscillator

中图分类号:

V231.2

王士奇, 温泉, 贾志刚, 程奕鑫, 李林, 张弛, 霍伟业, 马梁. 基于自激扫掠喷嘴的加力燃烧效率试验[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130621.

Shiqi WANG, Quan WEN, Zhigang JIA, Yixin CHENG, Lin LI, Chi ZHANG, Weiye HUO, Liang MA. Experiment on afterburner combustion efficiency based on self-excited sweeping nozzle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(2): 130621.

图/表 17

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基于自激扫掠喷嘴的加力燃烧效率试验

Experiment on afterburner combustion efficiency based on self-excited sweeping nozzle

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