集中供油与分散供油模式下全环回流燃烧室着火与联焰特性对比

针对航空发动机宽工况、高可靠性点火需求与燃烧室周向点火联焰之间的矛盾，基于一全环回流燃烧室开展了燃油周向分级点火性能试验。设计了一级总管连接点火喷嘴、二级总管连接主喷嘴的供油架构，对比了两种分级方案（方案A：9喷嘴间隔供油；方案B：2喷嘴集中供油）与燃油不分级方案（方案C）在着火时间、联焰时间、着火边界与联焰边界四个维度的差异。结果表明：油气比与空气流量的增加对点火与联焰性能均具有促进作用；方案B凭借集中供油带来的更高喷嘴压降与更优雾化，着火时间较方案A最大缩短约6.5 s，但在大空气流量状态下联焰性能显著劣化；方案A的着火与联焰边界在大流量下拓宽至接近不分级水平，综合点火性能潜力优于方案B；燃油分级在拓宽点火边界的同时，以牺牲联焰时间为代价，方案C联焰时间基本不随油气比变化，稳定在4 s左右，而分级方案需油气比达到0.06以上方可达到同等联焰时间。研究结果可为全环燃烧室燃油分级点火设计提供数据支撑与方案选型依据。

一、航空发动机燃烧室技术发展趋势分析

航空发动机燃烧室的技术演进始终由军用与民用动力的双重需求牵引。军用方向追求更高的推重比、更宽的速域适应性与全包线点火可靠性，民用方向则聚焦低排放与经济性。在这一演进中，燃烧室的工作参数持续向高温升、高通流、宽油气比范围逼近，火焰筒油气比高于0.046已成为高温升燃烧室的典型特征，并呈继续增大的趋势。宽工况适应性要求的提升，使得燃烧室必须在从慢车到最大状态的宽广范围内维持可靠的点火与稳定燃烧能力，而小工况下的贫油点火与联焰恰恰是这一能力链条中最薄弱的环节。

点火过程的物理本质决定了这一薄弱环节的复杂性。环形燃烧室的一次成功点火可分解为初始火核形成、火核发展为旋流火焰、周向联焰三个阶段。初始火核的生存取决于点火能量与当地湍流应变率之间的竞争，火核向稳定旋流火焰的过渡则受局部油气浓度、液滴粒径与流场结构的共同约束，而周向联焰涉及火焰在相邻头部之间的传播，其速率与喷嘴间距、流向速度以及头部间流场的耦合密切相关。强湍流条件下小尺度火焰与湍流的耦合使得火核的发展具有强烈的瞬变性与随机性，相关理论模型仍处于持续完善之中。因此，从工程可用性出发，拓宽点火边界、改善联焰特性，仍然是燃烧室设计中的核心问题。

围绕点火边界的拓宽，研究者已积累了较为丰富的参数性认识。Lefebvre的半经验点火模型从进口温度、压力、流量与燃油雾化之间的耦合出发，为贫油点火边界的预测提供了基础框架，后续研究在此基础上针对分级燃烧室的预燃级流数等参数进行了修正，预测误差可控制在5%以内。试验层面，刘正艺等将影响点火性能的主要因素归纳为点火器位置、火花能量与频率、燃油浓度与粒径、流场结构以及进口温度与压力等；李继保等通过局部富油头部设计验证了燃油空间分布对贫油点火边界的显著影响；Cordier等发现喷嘴间距增大到一定程度后着火延迟明显增加；Ahmed与Marchione等分别从点火能量与液滴速度—直径的角度确认了雾化质量在点火中的支配性作用。在负压条件下，洪侨嗣等观察到点火油气比随压力升高而降低，进一步印证了环境参数通过雾化与化学反应速率双重路径作用于点火边界。

在上述参数性认识中，燃油的周向分布方式占据一个特殊位置。与轴向分级或径向分级不同，周向分级无需对燃烧室结构作几何改动，仅通过燃油总管的切换即可在小工况下将燃油集中供给部分喷嘴，使局部头部的油气比落入可燃范围，而全环平均油气比仍可低于整体点火边界。这一策略在原理上直接针对“全环贫油、局部富油”的点火需求，但公开文献中对周向燃油分级点火性能的系统性试验研究仍相当有限，尤其是分级模式对联焰过程的影响尚未得到充分澄清。本文以一台18头部全环回流燃烧室为对象，设计两种周向燃油分级方案与一种不分级方案，从着火时间、联焰时间、着火边界与联焰边界四个维度开展对比试验，旨在回答两个相互关联的问题：周向分级能在多大程度上拓宽点火边界，以及这种拓宽对联焰代价意味着什么。

二、试验对象与燃油分级方案

2.1 试验件

试验件为一全环回流燃烧室，主要由机匣、火焰筒、18个头部（每个头部配一个燃油喷嘴）、两根燃油总管及2个点火电嘴组成。点火电嘴在周向上正对燃油喷嘴布置，两电嘴同时启动工作，单次工作时长固定为15 s。回流燃烧室的结构特征在于火焰筒腔高较小、气流在头部完成旋流与掺混后折转回流，这一构型在小腔高条件下对喷嘴间距与头部间流场耦合较为敏感，也与中小型涡轴/涡桨发动机的典型点火环境相近。

2.2 周向燃油分级的实现方式

燃油分级通过一级总管与二级总管的双路供油架构实现：一级总管连接点火喷嘴，二级总管连接主喷嘴。在小燃油流量工况下，仅一级总管供油；当流量增大至设定阈值后，二级总管开启，全部喷嘴投入工作。这一架构的物理意图在于使有限燃油优先集中于点火电嘴邻近的头部，在点火瞬间构造出一个局部可燃的“富油种子区”，再由该区域的火焰向未供油头部传播完成联焰。

方案A与方案B的差异不仅是供油数量的差别，更在于单喷嘴平均燃油流量的量级差异。在相同一级总管总流量下，方案B的单喷嘴燃油流量约为方案A的4.5倍，由此带来的喷嘴供油压差与雾化质量差异是后续着火与联焰性能分化的核心物理根源。方案C作为不分级基准，其全环均匀供油代表了联焰路径最短、头部间火焰传播驱动力最一致的极限情形。

三、全环点火试验系统与方法

试验系统由空气管路系统、燃油系统与测试系统三部分构成。空气管路包括阀门、流量计、加温器与全环试验件；燃油系统包括油泵、阀门、压力传感器与质量流量计，工质为RP-3航空煤油；测试系统以数采系统为核心，同步采集流量、压力、温度与出口燃气温度信号。测量精度如下：空气流量±1% FS，燃油流量±0.5% FS（质量流量计），燃油压力±1% FS，燃烧室进出口压力±0.5% FS，进口空气温度±3 ℃，出口温度±5 ℃。出口温度采用3支5点双铂铑热电偶测量，3支热电偶周向均布，每支测点沿径向按等环面分布，以保证对联焰过程中周向火焰传播的充分捕捉。

点火时序为：调节进口空气参数至目标状态→启动两电嘴→3 s后开始供油→持续采集出口温度。着火成功判据为任一热电偶平均温度达到80 ℃，对应时间（自供油起算）记为着火时间；联焰成功判据为全部热电偶平均温升达到250 ℃，对应时间记为联焰时间。边界测定采用逐次逼近法：给定初始燃油流量点火，若成功则降低流量继续，直至不着火；若失败则增加流量，直至联焰不成功。所有试验中测试设备、点火系统与电嘴工作时长保持一致，以排除系统偏差对方案间对比的干扰。

试验工况覆盖三个空气流量水平：状态1为a kg/s，状态2为1.5a kg/s，状态3为2.0a kg/s，进口总压 P 与总温 T 按常温常压条件保持对应基准。需要指出的是，本文试验在常温常压条件下开展，其结论向高寒、高空等极端环境的直接外推需考虑进口温度与压力降低对雾化质量与化学反应速率的额外不利影响；但方案间相对排序的物理机制——供油集中度通过喷嘴压降支配雾化、进而支配着火与联焰——在更宽的环境包线下仍具有定性参考价值。

四、结果分析与讨论

4.1 不同燃油分级方案着火性能分析

三种方案下着火时间随油气比的变化呈现出一致的一阶衰减趋势：油气比增加推动燃烧反应向正方向移动，参与蒸发的燃油量增大，着火时间缩短。但衰减的幅度在方案间差异显著。方案A的着火时间集中在3~9 s区间，随油气比增加呈现从快速下降向渐近稳定的完整过渡；方案B的着火时间集中在0.5~2.5 s，整体处于低值平台区，油气比进一步增加所能压缩的时间裕度有限，因而油气比—着火时间曲线的斜率明显较方案A平缓。同一状态下，方案B的着火时间显著短于方案A，最大差值约6.5 s。

这一差异的根源在于一级总管的供油集中度。方案B仅2个喷嘴承担全部一级流量，喷嘴供油压差远高于方案A的9喷嘴工况，燃油雾化粒径更细、蒸发速率更快，点火电嘴邻近区域的可蒸发混合气供给更为充分。Marchione等关于较低液滴速度与较小液滴直径有利于火焰稳定的发现，以及Antoshokiv等对雾化质量作为点火关键因素的强调，均与此一致。从工程含义上看，集中供油在“点得着”维度上具有明确的优势，方案B以极少的点火头部换取了最短的着火延迟。

空气流量对着火时间的影响在方案A与方案B中均表现为单调缩短。流量增大的作用具有双重性：一方面提高了反应物输运速率，另一方面增强了湍流强度与燃油—空气混合，同时喷嘴压差随流量上升而增大，雾化进一步改善。但方案B因初始着火时间已处于较低水平，流量增加的边际收益较小；方案A则因起点较高，流量带来的着火促进效果更为可观。

4.2 不同燃油分级方案联焰性能分析

联焰时间随油气比的变化规律与着火时间类似，整体呈缩短趋势，但方案间的排序在流量维度上发生了反转。在小空气流量（a kg/s）下，方案B的联焰时间短于方案A，集中供油带来的雾化优势同时惠及联焰起始阶段的火焰核成长。然而当空气流量升至 1.5a kg/s 时，方案A的联焰时间反超方案B。其机理在于：方案A的9个一级喷嘴在大流量下同步获得雾化改善，9个已燃头部形成的周向“火焰链”具有更强的火焰传播驱动力；而方案B的2个已燃头部需要跨越显著的周向间隔点燃其余16个未供油头部，且这16个喷嘴在二级总管低供油压差下雾化质量不佳，头部间的传焰路径上缺乏有效的可燃混合物支撑。

方案C的联焰时间表现提供了另一个重要参照。不分级方案在各油气比状态下联焰时间基本稳定在4 s左右，受油气比变化的影响很小，且在所有方案中最短。这说明在全环均匀供油条件下，18个头部同时具备着火条件，联焰本质上是相邻头部间的短程传播，路径最短、驱动力最一致。方案A与方案B欲达到与方案C相当的联焰水平，油气比均需提升至0.06以上。这一对比揭示了一个具有工程普适性的权衡：周向燃油分级以联焰时间为代价换取点火边界的拓宽。分级在本质上是一种“变相拉大有效喷嘴间距”的操作，已燃头部与未燃头部之间的空间间隔对联焰速率构成了内在限制。方案C联焰时间不随油气比缩短的事实进一步表明，在本试验燃烧室的喷嘴间距取值下，单纯依靠缩小间距来提升联焰性能已接近收益递减区间。

4.3 燃油分级方案与着火边界与联焰边界分析

边界数据是方案选型中最具工程权重的指标。随着空气流量增加，方案B的着火边界油气比与联焰边界油气比基本保持平稳，对小流量与大流量状态不敏感，且整体处于较低水平（边界较宽）。方案A则呈现相反的趋势：小流量下边界较窄，随着流量增加，着火边界与联焰边界油气比逐渐下降，在大流量状态下拓宽至与方案B相当，其中联焰边界已接近方案C的不分级水平。

将边界数据与前述时间数据并置，方案A与方案B的性能画像趋于完整。方案B的边界优势集中在小流量端，其集中供油在小流量下即可在点火头部附近建立足以着火的局部富油条件，但大流量下2个喷嘴的雾化增益被16个未供油头部的联焰障碍所抵消，边界难以进一步拓宽。方案A的边界在大流量端展现出持续拓宽的潜力，9个间隔供油头部在流量增大时同步改善雾化，且已燃头部的周向分布更为均匀，为联焰提供了多个并行的传播起点。从全包线点火设计的角度看，方案A的性能分布与发动机实际使用中“小状态需可靠点火、大状态需宽边界裕度”的需求具有更好的匹配性。

这一结论与轴向分级环形燃烧室的相关研究形成有意义的对照。在轴向分级构型中，预燃级喷嘴布置于相邻主燃级头部之间时，周向联焰时间可短至156 ms，点火极限当量比与贫油熄火边界同时达到最优，说明火焰传播路径上的流场结构匹配与供油量本身同等重要。本文方案A的9喷嘴间隔布局在周向拓扑上为火焰提供了多个潜在的传播节点，其在大流量下的边界优势与上述“缩短传播路径、利用头部间低速区促进传焰”的思路在物理上是相通的。方案B的2喷嘴极端集中模式虽然在小流量下点着了火，但周向传播路径过长，其边界潜力受制于联焰环节而非初始着火环节。

五、讨论与总结

基于全环回流燃烧室的燃油周向分级点火试验，从着火时间、联焰时间、着火边界与联焰边界四个维度对方案A（9喷嘴间隔分级）、方案B（2喷嘴集中分级）与方案C（不分级）进行了系统对比，主要结论如下。

（1）集中供油主导着火性能，分散供油主导联焰与边界潜力。方案B凭借单喷嘴高供油压差带来的雾化优势，着火时间较方案A最大缩短约6.5 s，在小流量下对联焰亦有利。但方案A在大流量下因9个一级喷嘴同步雾化改善，联焰时间反超方案B，且着火与联焰边界持续拓宽至接近不分级水平。方案B的边界在大流量下停滞，说明极端集中供油对联焰路径的制约抵消了雾化收益。

（2）燃油分级以联焰时间为代价换取点火边界的拓宽。方案C联焰时间稳定在4 s左右且几乎不随油气比变化，分级方案需油气比达到0.06以上方可达到同等水平。这一权衡关系应在分级方案选型中作为显性约束加以考虑：分级解决的是“点不着”的问题，而非“联得快”的问题。

（3）方案A在综合点火性能上具有更大的工程潜力。其性能分布——小流量下可接受、大流量下边界接近不分级——与发动机宽工况点火需求更为匹配。方案A的9喷嘴间隔布局实质上是在供油集中度与周向传播路径之间取得了一种折中，其大流量下的边界优势提示，周向分级的优化方向不应仅追求点火头部的极端集中，而应关注已燃头部周向分布对后续联焰的支撑能力。

本文试验限于常温常压条件，进口温度与压力对雾化及化学反应速率的独立影响尚未解耦。后续工作可向低温低压条件延伸，并结合高速光学诊断获取周向联焰的火焰传播路径与速度，以进一步澄清分级拓扑—流场结构—联焰速率之间的定量关系。同时，Lefebvre型边界关联式在周向分级构型下的修正，也是将该试验认识转化为设计工具的必要步骤。