从滴油抑制到结焦控制：静轴式涡扇发动机燃烧室多参数系统优化与燃烧特性提升

随着当代低成本、小型化、轻量化、集群化技术的快速发展，小型无人机和导弹在未来高新技术条件下的空地作战中占据日益重要的战略地位。研制适用于小型飞行器的新构型、颠覆性动力概念，已成为推动航空技术进步的关键方向。在小型航空发动机中，燃烧室作为核心部件之一，承担着将燃料化学能高效转化为热能的重要功能，对发动机的整体性能、工作可靠性与使用寿命起着决定性作用。

然而，在新型发动机燃烧室的初步研制过程中，常常面临滴油与喷嘴结焦积碳两大技术难题。滴油不仅导致燃料消耗量增大、燃烧效率降低，严重时还会出现火焰软弱无力、能量不足等现象，无法满足发动机的正常功率输出需求。喷嘴结焦积碳则会导致喷口堵塞，燃油喷射质量恶化，影响燃烧稳定性，甚至引发发动机突然熄火，严重威胁飞行安全。因此，深入研究滴油与结焦积碳的产生机理，探索有效的抑制措施，对于提升新型航空发动机燃烧室的可靠性、推动创新动力发展具有重要的工程应用价值。

01、航空发动机燃烧室技术研究

针对航空发动机中普遍存在的结焦积碳难题，国内外学者从结焦机理、影响因素与抑制方法等角度开展了广泛而深入的研究。

在结焦机理研究方面，朱锟等系统综述了航空煤油结焦的机理与影响因素，指出温度是影响结焦的最关键参数，随着温度的变化，结焦机理可从热氧化结焦向裂解结焦转变。黄艳斐等对某型航空发动机喷嘴零部件上的结焦积碳生成情况进行了分析，深入研究了结焦积碳的微观形态与理化性质。Liu等详细探讨了加水量百分比、入口流速等关键运行参数对焦化与换热特性的影响，为优化燃烧室运行条件提供了理论依据。

在结焦积碳抑制方法方面，国内外研究主要集中于物理清焦、燃料精制、燃料脱氧、添加抑制剂和表面改性等技术路径。韩伟东等通过试验研究发现，适当的当量比及航空煤油组分含量变化可有效减少喷嘴表面的结焦积碳沉积附着。张弛等研究了三种不同长度旋流杯文氏管的积碳特性，提出适当增加文氏管长度有利于减少燃油在文氏管表面的积碳。Xu等对航空煤油RP-3在带肋圆管中的共轭传热、吸热热解化学反应和表面结焦行为开展了数值研究，揭示了复杂流动条件下结焦的形成机制。在结焦去除方面，Fu等分析了航空煤油RP-3在超临界压力下螺旋管中的热氧化焦化机理，发现与主管相比，螺旋结构能够显著减少结焦量。

 

关于燃烧室滴油问题，现有研究表明燃油雾化效果不佳和喷油器密封不良是产生滴油的两个主要原因。Maiorova等分析了液体燃料的物理性能对喷雾特性的影响规律。Fan等研究了考虑顶端密封泄漏的天然气-氢气旋转发动机燃烧性能，提出了优化喷射策略的方法。在燃烧室结构参数对燃烧特性的影响方面，刘威等利用数值模拟研究了旋流器结构参数对中心分级燃烧室燃烧性能的影响规律。蔡超志等分析了燃油在燃烧室中的燃烧性能以及出口温度分布特征。上述研究充分表明，燃烧室的结构参数对燃烧特性具有决定性影响，为本文开展燃烧室优化设计奠定了坚实的理论基础。

近年来，受国外NASA外骨架发动机的启发，Ma等提出了一种新型的静轴式涡扇发动机结构。该结构采用固定轴式、分段压缩与分级燃烧的创新构型，结合钛合金3D打印增材制造技术，实现了旋转机匣设计和中心燃烧技术，在小型动力装置中展现出轻量化、紧凑轴向布局、高增压比、高转子强度和优异的壁面冷却特性等多重优势，可满足小型航空器对动力系统的高性能需求。

该静轴式涡扇发动机的工作部件主要包括静轴式压气机、燃烧室、连接器、高压涡轮等核心模块。中间连轴作为主要支撑件，压气机静子固定于中间连轴之上。转子采用两点分布式布局，通过高速轴承与中间连轴实现可靠连接。转子自身的转动机匣通过连接器与高压涡轮实现固连，燃烧室固定于中间连轴空腔中。在燃烧组织方面，燃烧室作为一级燃烧区，连接器空腔则作为二级燃烧区，这种双区燃烧的设计有效拓展了燃烧组织空间。设计的静轴式压气机具备前四级与后五级的分段压缩功能，实现了轴向紧凑布局下的高效热力循环。

工作时，启动电机驱动转子机匣转动以实现空气压缩。压气机分流出部分压缩空气，经过泄气隔断通道进入中间连轴空腔内的燃烧室，与离心喷嘴喷出的雾状航空煤油混合燃烧。燃烧产生的高温燃气随后在连接器内与静轴式压气机出口处的压缩空气进行二次混合燃烧，生成的高温燃气在高压涡轮空腔内膨胀后驱动涡轮转动，产生推力，同时高压涡轮带动静轴式压气机实现循环工作。

作为稳定燃烧的核心部件，该静轴式涡扇发动机的燃烧室在初步设计阶段采用了气膜冷却与中心燃烧相协同的配置方案，基本满足了二次燃烧的设计需求。然而，由于设计参数尚不完善，在初步试验中暴露出了滴油与喷嘴结焦积碳等突出问题。针对这两个关键问题，本文通过对旋流器、喷嘴、火焰筒三大核心部件的结构参数进行系统改进设计，开展了全面的燃烧试验研究，旨在为静轴式涡扇发动机燃烧室的设计优化提供理论依据和技术参考。

 

02、试验装置与研究方法

2.1 某型静轴式涡扇发动机燃烧室结构

以某型静轴式涡扇发动机为研究对象，其燃烧室主要结构参数如下：燃烧室总长H1=95.5 mm，最大直径D1=39 mm。点火方式采用高压线电火花打火。旋流器采用45°内外二级轴向旋流器，中心设置单个45°离心雾化燃油喷嘴。火焰筒壁面开有16个直径为6 mm的进气孔。

燃烧室的燃烧组织遵循分级燃烧原则。作为一级混合燃烧区，大部分燃油在该区域内发生掺混燃烧，少量燃料在后端连接器空腔中继续进行二次燃烧。因此，燃烧室整体运行于富油工况，余气系数α<1。在工作过程中，燃烧室进口处的压缩空气分为两股：一股由燃烧室头部进入旋流器，与燃油雾化喷嘴的喷雾进行部分预混燃烧，占总气量的约65%；另一股由火焰筒壁面进气孔进入燃烧室，主要功能是冷却火焰筒壁面温度并补充燃烧所需的氧气。

2.2 工作原理

在静轴式涡扇发动机中，燃烧室的中置式布局是其设计的一大特色。燃烧室被固定于中间连轴的空腔中，其周围由旋转机匣环绕。工作时，外界的空气经静轴式压气机的多级压缩后获得较高压力，其中一部分压缩空气通过专门的泄气隔断通道被引入中间连轴空腔内的燃烧室。在燃烧室内，压缩空气与离心雾化喷嘴喷出的雾化航空煤油充分混合后点火燃烧。燃烧释放的高温高压燃气一方面向后进入连接器空腔，与压气机出口的另一路压缩空气进行二次混合燃烧，使得燃烧更加充分；另一方面，燃气在高压涡轮中膨胀做功，驱动涡轮高速旋转，并通过连接器将动力传递至转动机匣，带动静轴式压气机持续工作，从而形成自持的热力循环。

在这一工作过程中，燃烧室的旋流器通过产生强烈的旋转气流，在火焰筒头部形成稳定的回流区，起到稳定火焰、促进油气快速混合的关键作用。喷嘴则负责将液态燃料破碎成细小液滴，形成雾化锥角合理的油雾场，以确保与旋流空气的高效掺混。火焰筒上的进气孔则沿轴向分级进气，分别承担燃烧补充掺混和筒壁冷却的功能，以保证火焰筒内形成合理的高温燃气温度场分布。

2.3 燃烧室试验平台

为研究静轴式涡扇发动机燃烧室的燃烧特性，需搭建专用的燃烧室地面试验平台。试验平台基于固定于中间连轴空腔的燃烧室设计，主要设备包括：英格索兰螺杆压缩机（为燃烧试验提供压缩空气气源）、testo425风速仪（测量燃烧室出口空气流速）、调压阀（控制压缩空气流量）、齿轮泵（输送航空煤油）、手动控制器（调节燃油流量）、12 V脉冲高压点火器（点燃燃油-空气混合物）。燃烧室安装在试验台外壳中，外壳则固定于试验台机架上，以确保试验过程的稳定性和安全性。

试验过程模拟静轴式涡扇发动机燃烧室在地面静止状态下的工作条件。试验前，首先将风速仪固定在燃烧室出口位置，通过调压阀调整进口气流流量和压力，使燃烧室出口截面达到目标来流速度。调压阀压力表对应的进口表压设定为0.1 MPa。之后通过手动控制器调节燃油泵，使供油量达到预定值。试验状态稳定后点火，待火焰不再发生明显变化时开始记录燃烧效果。为保证数据可靠性，每组试验条件均重复进行至少三次。

 

03、燃烧试验与问题分析

3.1 试验工况参数

燃烧室燃烧试验的工况参数如下表所示。试验模拟静轴式涡扇发动机燃烧室在地面静止条件下的工作状态，保证进入燃烧室的总压缩空气流量恒定。

在上述工况下，压缩机通过气管将压缩空气以恒定流量输送至试验台，燃烧室进口处压缩空气流量为334.7 L/min，对应的燃烧室出口空气流动速度为5.7 m/s，进气温度为大气环境温度（25.0 ℃）。航空煤油经齿轮泵输送至喷嘴，通过手动控制器精确调节供油流量，燃油在喷入燃烧室前预热至常温状态（25.0 ℃）。采用12 V脉冲高压点火器实现燃油-空气混合物的可靠点火。

3.2 初步试验现象与问题诊断

在初步燃烧试验中观察到，中心火焰燃烧较为稳定，火焰形态较为紧凑，旋流空气与油气混合形成的燃烧界面为连接器内高速气流的二次掺混燃烧提供了稳定的火源。然而，试验过程中也暴露出两个突出的技术问题：滴油与喷嘴结焦积碳。

（1）滴油现象。 试验过程中观察到明显的滴油现象：燃油喷雾凝结成油滴在火焰筒内壁流动，在燃烧室出口可以观察到油滴不间断滴落。经分析，滴油的主要原因包括：燃油雾化效果不佳导致油滴粒径偏大；燃油雾炬与旋流空气的流场匹配尚待改进；油雾锥角过大导致部分油雾撞击燃烧室内部构件（高压线、旋流器、火焰筒壁面等），这些未能参与燃烧的油雾凝结成油滴后从壁面滑落。因此，滴油问题的解决措施应着眼于：加大有效空气流量以强化气动雾化、减小喷嘴油雾锥角以避免油雾壁面接触。由此可见，旋流器的结构参数、喷嘴喷射角度以及油气配比是影响滴油的关键设计因素。

（2）喷嘴结焦积碳。 试验后对喷嘴进行观察，发现喷嘴端面附着有大量黑色焦炭状物质，严重时这些结焦积碳会造成喷嘴口堵塞，使喷雾形态恶化。喷嘴结焦积碳的形成原因较为复杂，主要包括三个方面：一是燃油在高温环境下发生的热氧化和裂解化学反应生成固态碳质沉积物；二是燃烧不完全产生的游离碳氢微团在喷嘴表面附着沉积；三是喷嘴附近存在的卷吸回流区使高温燃气与喷嘴金属壁面长时间接触，加剧了结焦反应。解决喷嘴结焦积碳问题可以从以下几个技术方向入手：改变旋流器结构参数以优化燃烧室头部流场；合理选择喷嘴油量以改善燃烧完全度；在喷嘴附近增加防积碳结构以增大喷嘴前端进气量并冷却喷嘴端面。

 

04、燃烧室改进设计

4.1 旋流器设计

旋流器是产生旋转气流的核心部件，其内外第1、第2级叶片的宽度和安装角直接决定了旋流器的流通面积与旋流数，进而对燃烧室的燃烧效果产生决定性影响。为此，采用控制变量法系统探究了旋流器结构参数对滴油与结焦积碳问题的影响规律，共设计了10组不同结构参数的旋流器模型，并利用3D打印技术完成全部旋流器的制备。

本文所研究设计的旋流器采用二级轴向旋流器构型，基本结构参数为：外径Ds=39 mm，长度Ls=30 mm，内径ds=15 mm。全部模型分为A～J共10组，分别考察叶片角度与宽度、防积碳结构以及材料耐高温性能对燃烧效果的影响。其中，A组至G组用于探究叶片安装角与宽度比对滴油的影响，D组至J组用于探究防积碳结构对结焦积碳的抑制效果，E组至J组则兼顾考察旋流器材料的耐高温性能。

为避免喷嘴喷雾直接撞击旋流器壁面，将旋流器内部通道出口处设计为扩张口结构。同时，为增大出口处风速并提高结构强度，在第2级叶片出口处增设环状加强结构，以减小出口通道高度。内外通道均设计有圆角过渡，以保证气流在通道内的稳定流动。

F组和G组旋流器设计了专门用于抑制结焦积碳的金属套筒防积碳结构。其工作原理为：筒状壁面与旋流器第1级叶片相互配合，进入旋流器内部通道的部分气体可通过金属套筒外壁上的6个进气孔进入套筒内部，在喷嘴端面处形成冷却气流，然后从出气孔流出。在G组中，金属套筒中间孔主要起预混作用，外端面的6个小孔则专门用于填补喷嘴前端的回流区。

A至C组旋流器主要改变叶片安装角与宽度比。A组为初始设计基准，第1、第2级叶片安装角均为45°，采用氧化锆陶瓷材质；B组将第2级叶片安装角降至35°，第1级保持45°不变；C组则将第1、第2级叶片安装角均增加至55°，同时同步增加两级叶片的宽度比。改进后的旋流器采用低成本树脂材料制备，以便于快速迭代优化。

D至G组在内外第1、第2级叶片基础上增加了特定的防积碳结构。D组旋流器第1级叶片安装角为45°，第2级为55°，其中第1级叶片宽度减小，作为初步的防积碳结构以阻止喷嘴前端回流；同时增大第2级叶片宽度b2，减小出口通道面积以增大出口风速，加快油气混合速率。E组叶片角度与D组相同，但中间筒状结构与喷嘴直接接触，筒状壁面开有6个直径为6 mm的进气孔，气流从喷嘴喷射出口端面处流出，填补喷嘴前端的回流区以抑制结焦积碳。F组将第1、第2级叶片安装角均设为55°且两级的旋向设计为相反方向；防积碳结构采用独立的金属套筒，套筒与喷嘴和第1级叶片相互配合，壁面同样开有6 mm的进气圆孔。G组与F组旋流器叶片结构参数相同，仅在金属套筒出口端面额外增加了6个直径为1.5 mm的出气孔，以增大气流出口面积，进一步抑制喷嘴前端回流区的形成。

H至J组旋流器仅在防积碳结构与材料方面进行了改进，其他结构参数均保持一致。H组将防积碳结构与第1级叶片整合为一体，整体采用氧化锆陶瓷经3D打印一体化成型，在第1级叶片出口端面设置有高压线限位槽以精确定位点火位置。I组为增大防积碳结构的出气孔气量，将旋流器设计为氧化锆陶瓷片与树脂基体旋流器叶片的组合结构。J组则将氧化锆陶瓷片与旋流器叶片设计为完全一体化的整体结构，以实现最优的结构强度和耐高温性能。

4.2 喷嘴选型

为避免雾状燃油接触燃烧室壁面金属表面，减小喷嘴喷射角度是解决滴油问题的直接技术途径之一。经过对现有喷嘴型号的全面比选，最终选定β=30°的机械离心式雾化燃油喷嘴作为优选方案。该30°喷嘴有两个可供选择的油量规格，分别为1.87 kg/h与3.31 kg/h，对应的余气系数α分别为0.945与0.687。

从燃烧室设计角度分析，在静轴式涡扇发动机给定的燃烧条件下，3.31 kg/h规格的喷嘴其余气系数更接近典型燃烧室的设计范围，能够更好地满足燃烧室的设计要求。此外，较大的燃油流量可为连接器内的二次掺混燃烧创造条件，有利于整体热力循环性能的提升。因此，在满足燃烧室头部富油燃烧需求的前提下，优先选用3.31 kg/h规格的大流量离心雾化喷嘴。

4.3 火焰筒设计

火焰筒在设计上沿轴向可分为主燃区、中间区和掺混区三个功能区域。针对此种轴向分区的燃烧特性，为提高进入燃烧室的油气混合速率，将初始设计的火焰筒壁面16个进气孔修改为沿轴向孔径依次增大的布置方式：从最上游主燃区的2 mm开始，沿轴向逐步增大至中间区的3～4 mm，直至最下游掺混区的5 mm。这种变孔径进气设计能够更好地匹配火焰筒沿程的空气流量分布需求：主燃区进气孔直径较小，有利于形成稳定的主回流区和较高的气膜冷却效率；掺混区进气孔直径较大，则有利于快速补充掺混空气以控制燃烧室出口温度分布。

05、改进后燃烧室燃烧特性分析

为系统探究改进后燃烧室结构参数对静轴式涡扇发动机燃烧效果的影响，验证上述改进设计对滴油与结焦积碳问题的解决效果，共设计并实施了13组对比燃烧试验，完成了对应旋流器、喷嘴、火焰筒等构件的制备与燃烧试验。试验过程中重点观察了不同结构配置下的旋流特征、火焰形态、滴油速率以及燃烧后喷嘴的结焦积碳程度，通过综合对比分析得出各部件的最优设计参数。

 

5.1 旋流器叶片角度与宽度的影响

试验1至试验3分别将A、B、C三组旋流器与45°喷角、1.87 kg/h油量的喷嘴以及6 mm进气孔的火焰筒配合进行对比燃烧试验。点火方式采用两根高压线同时打火，燃烧组织方式为部分预混燃烧。

在试验1（A组，第1、第2级叶片安装角均为45°）中观察到，中心火焰与第1、第2级旋流火焰分层明显：中心燃烧区形成稳定的层流火焰，第1、第2级通道各自形成湍流火焰且火焰锋面不断抖动，在各级火焰之间存在明显的间隔区。试验2（B组，第1级45°、第2级35°）的火焰中心效果明显减弱，第1、第2级旋流只形成单股旋流火焰。试验3（C组，第1、第2级均为55°且宽度比增加）则可观察到显著的中心燃烧区，第1、第2级旋流形成饱满的双层旋流区，旋流区外部边界出现蓝色火焰，各级火焰锋面之间的界限变得模糊，表明油气混合更加均匀。

三组试验测得滴油速率分别为221滴/min、175滴/min和150滴/min。对比分析表明，在一定范围内，随着第1、第2级叶片安装角与宽度比的同步增加，火焰燃烧更加稳定，燃烧室滴油状况得到明显改善。这一现象可以从流体力学的角度进行解释：旋流器宽度比的增加直接增大了第1级叶片的有效流通面积。根据连续方程，在空气流量一定的情况下，流通面积增加会使空气流速适当降低，从而增加空气与燃油的接触混合时间，增大了预混燃烧的油气混合比，有效填补了中心回流区，保证了火焰形态的稳定。与此同时，内外叶片安装角的增加使气流的切向速度分量显著增大，从而增大了旋流数，强化了回流区的流场强度。根据雾化理论，增大的气流切向速度对燃油液滴的剪切力也随之增大，使液滴被破碎得更细小，雾化效果显著改善。火焰形态更加紧凑，减少了燃油在燃烧室内的积聚，燃烧更加充分。综合评估，第1、第2级安装角均为55°的旋流器配合下燃烧效率最高，火焰最明亮，对滴油的抑制效果最佳。

5.2 喷嘴角度的影响

喷嘴射流角度的大小与燃烧室滴油问题密切相关。为验证理论分析所得出的30°喷嘴优于45°喷嘴的推论，将30°喷角、1.87 kg/h油量的燃油喷嘴与55°安装角的旋流器配合进行燃烧试验4，并与试验3（45°喷角）进行对比分析。

试验结果表明，在30°喷角条件下，燃烧效果较45°喷角有了显著改善。火焰更加明亮且饱满，滴油速率从150滴/min大幅下降至16滴/min，滴油现象得到极大缓解。从喷雾物理过程分析，喷嘴射流角度直接影响火焰筒头部横截面上的燃油浓度分布。在相同油压条件下，较小的喷射角度能够有效限制中心回流区火焰的径向扩展范围，避免燃油喷雾与燃烧室壁面接触，从而在源头上减少油滴凝结的形成。此外，根据Sauter平均直径（SMD）经验公式，较小的喷射角度可使液滴的索太尔平均直径显著降低，雾化质量得到明显改善。因此，选用30°燃油喷嘴能够有效提升燃烧室性能。

5.3 防积碳结构的影响

试验5至试验10将不同防积碳结构的旋流器与30°喷角、1.87 kg/h油量的喷嘴配合进行对比试验。

试验5（D组旋流器）中，中心火焰较为紧凑，但滴油较为严重，滴油速率为120滴/min。燃烧后观察喷嘴端面发现有少量结焦积碳存在。试验6（E组旋流器）中，火焰团横截面积较大，燃烧状态较为紊乱，且有燃烧的油滴从燃烧室出口处掉落。试验结束后观察到防积碳端面已被高温严重熔化，结构遭到破坏，喷嘴端面有明显结焦积碳。将两组试验进行对比分析发现，试验5的滴油速率高于试验4，但试验5的结焦积碳问题相对较轻。这表明将第1级叶片通道本身作为防积碳结构使用，能够通过增大喷嘴前端的进气量来有效抑制结焦积碳。然而，减少第1级叶片的宽度和安装角度会减小第1、第2级叶片之间的宽度比，进而削弱对燃油的雾化效果，使燃烧室内壁的滴油问题加重，这一现象与上文第5.1节中的结论一致。此外，由于喷嘴出口前端处于高温回流区的影响范围之内，试验6中的金属防积碳结构在高温下遭到破坏，说明防积碳结构在材料选择上必须采用耐高温的非金属材料。

试验7和试验8分别对应于F组和G组旋流器的燃烧试验。在此结构下，燃烧过程更加剧烈，火焰尾焰较短，距离火焰筒出口约10 mm。气量和油量加大后，火焰中心呈现黄色，周围全部变为蓝色火焰，燃烧区较为集中。然而，结焦现象仍然存在，喷嘴圆台及弧形四周的结焦积碳较为明显。火焰尾焰基本处于火焰筒出口处，中心为黄色火焰，出口处呈现蓝色火焰。两组滴油速率基本相同，分别为96滴/min和108滴/min，较之前几组有明显改善，但仍未完全消除。分析发现，喷嘴前端结焦积碳仍然明显，主要原因在于金属套筒材料本身对碳氢化合物的结焦具有催化作用，加速了喷嘴前端结焦的形成与积累。此外，通过比较可以看出，内外第1、第2级旋向相反的两股空气在交界面处对燃油液滴会产生较强的剪切力，显著增强雾化强度，使油气混合更加充分，火焰更短；第2级叶片出口宽度的减小增大了气流的切向速度，对雾化效果产生了显著的正面影响。

试验9和试验10分别对应于H组和I组旋流器的燃烧试验。试验9中，火焰燃烧剧烈，随着油量和气量的加大，火焰中心燃烧效果明显，中间焰心呈现黄色火焰，其余部分为蓝色火焰，且无明显滴油现象。然而，暴露的喷嘴端面出现了严重结焦积碳。试验10中，中心火焰为黄色，外圈蓝色火焰厚度较薄，喷嘴端面无明显结焦积碳，可以清晰看出金属光泽，结焦积碳主要聚集在氧化锆陶瓷片的端面上，但第1级叶片出口处由于高温燃气的长期作用出现了烧焦现象。

对比H组和I组防积碳结构的效果可知，H组防积碳结构的气量和流速不足以充分填补喷嘴前端的回流区，而I组旋流器的第1级叶片通道与喷嘴直接接触，能够使第1级叶片通道出口与防积碳孔的气量配比达到10:1，显著增大了防积碳孔中的气量，使小孔出口处的轴向速度明显增大，填补喷嘴前端回流区的速率加快。因此，增加防积碳结构的出气量可有效抑制结焦积碳的形成，且旋流器叶片与防积碳结构均应采用非金属耐高温材料进行制备。

5.4 喷嘴油量的影响

为探究油气混合比对燃烧室燃烧效果的影响，试验11将3.31 kg/h的大流量喷嘴与H组旋流器配合进行燃烧试验，并与试验9（1.87 kg/h喷嘴）进行对比分析。

试验11中，燃烧室中心区焰心呈现黄色火焰，外部旋流区呈现蓝色火焰。与1.87 kg/h喷嘴相比，3.31 kg/h流量条件下蓝色火焰面积显著增大，燃烧效果更好。从雾化原理分析，在油压相同时，增大燃油流量可有效提高液膜射流的雾化效果：油滴数量增多，平均直径变小，油气混合比显著增大，中心区火焰形态更加饱满，燃烧更加充分。此外，更大的燃油流量也有利于为连接器内的二次燃烧提供足够的燃料供给，实现更高效的双区燃烧组织。因此，选用3.31 kg/h规格的大流量离心雾化喷嘴更有利于提升整体燃烧性能。

5.5 旋流器材料耐高温性能

为避免滴油、抑制结焦积碳并提升旋流器的耐高温性能，综合H组和I组的结构设计特征，制备了J组一体式氧化锆陶瓷旋流器并开展燃烧试验。

J组旋流器的燃烧火焰整体呈现蓝色，与试验9的燃烧效果无明显差异，燃烧室出口处未观察到滴油现象，验证了该组旋流器参数设计的有效性。喷嘴端面存在部分回流油雾，吹风后油雾迅速消失，喷嘴端面表现出明显的金属光泽。通过与前几组防积碳旋流器进行全面对比可以发现：

树脂基体旋流器在耐热性能方面无法满足燃烧室的温度要求，喷嘴前端高温环境对第1级叶片与防积碳结构均造成了明显的热破坏；

金属材质防积碳结构会催化碳氢化合物的结焦反应，加剧喷嘴前端的结焦积碳形成；

在结构设计基本相同的前提下，一体式氧化锆陶瓷J组旋流器在结构强度与耐热性方面均优于树脂叶片与氧化锆陶瓷片组合的I组旋流器；

气流在氧化锆陶瓷通道内的流动损失较小，旋流器的耐磨性显著提高，有利于延长燃烧室的使用寿命。

综上所述，在材料选型上使用氧化锆陶瓷旋流器，可显著提高燃烧室的工作可靠性与耐久性。

5.6 火焰筒结构的影响

燃烧室火焰筒上的进气孔同时承担着补充燃烧与掺混冷却的双重功能，将进气气量沿轴向进行合理分配会对燃烧室火焰形态产生重要影响。为此，对等径火焰筒（16个φ6 mm孔）和变径火焰筒（孔径沿轴向从2 mm依次增大至5 mm）两种结构进行了对比试验。

在等径进气孔火焰筒内燃烧时，火焰细而长，长度较长但径向扩展有限。在变径火焰筒内燃烧时，火焰呈明显的厚实形态，燃烧效果更好。两种条件下燃烧均保持稳定，火焰结构紧凑，且均未产生滴油现象，试验后喷嘴端面无明显的结焦积碳。

分析认为，变径进气孔的结构优势主要体现在两个方面：第一，进气孔从小到大排列增加了主燃区的进气速率，加快油气掺混速度，有效补充燃烧所需氧气；第二，根据燃烧室内部高温燃气的温度场分布特征，火焰温度从主燃区至燃烧室出口逐渐降低，主燃区进气孔直径较小有利于加快气膜的形成和贴壁，显著提高火焰筒壁面的冷却性能。因此，进气孔径依次减小的变径布置方式更能满足静轴式涡扇发动机燃烧室的设计需求。

5.7 优化方案总结

通过13组系统性的燃烧对比试验，明确了旋流器、喷嘴、火焰筒结构参数对燃烧状态的显著影响。经过改进设计后的燃烧室显著提升了燃烧效果，成功解决了静轴式涡扇发动机燃烧室的滴油与喷嘴结焦积碳问题。优化后的核心结构参数如下：

旋流器：J组一体式氧化锆陶瓷旋流器，第1、第2级叶片安装角均为55°，两级旋向相反设计，宽度比为1.5，第1级叶片末端集成防积碳结构，气流配比为10:1；

燃油喷嘴：喷角30°的离心雾化喷嘴，质量流量3.31 kg/h；

火焰筒：进气孔直径沿轴向从2 mm依次增大至5 mm的变径布置。

上述静轴式涡扇发动机燃烧室的结构改进方法可为同类小型航空发动机燃烧室的优化设计提供有价值的参考。

 

06、结论与展望

本文针对某新型静轴式涡扇发动机燃烧室在初步研制过程中出现的滴油与喷嘴结焦积碳问题，系统开展了燃烧室结构的改进设计与燃烧试验研究。通过优化旋流器、喷嘴、火焰筒的结构参数，揭示了各关键参数对燃烧特性的影响规律，确定了燃烧室抑制滴油与结焦积碳的最优结构方案。主要结论如下：

（1）旋流器叶片安装角与宽度比是影响滴油的关键参数。在一定范围内同步增大第1、第2级叶片安装角与宽度比，可显著增强旋流强度与油气掺混效果，有效抑制滴油。采用旋向相反、整体为氧化锆陶瓷一体化成型的J组旋流器，并在第1级叶片末端集成防积碳结构，通过10:1的气量配比，可进一步抑制滴油和喷嘴结焦积碳。

（2）喷嘴喷射角度与燃油流量对燃烧效果具有显著影响。选用喷角30°、质量流量3.31 kg/h的离心雾化喷嘴，可有效避免油雾与壁面接触形成油滴，提高油气混合比，进而提升燃烧效果，并为连接器内的二次燃烧提供充足燃料。

（3）火焰筒进气孔的轴向分布方式影响主燃区的气量分配与壁面冷却效果。相比等径进气孔火焰筒，将进气孔直径沿轴向从2 mm依次增大至5 mm的变径布置方式，可优化主燃区进气分布，强化油气掺混与壁面气膜冷却，更好满足燃烧室沿程的燃烧需求。

（4）防积碳结构的材料选择至关重要。金属材料对碳氢化合物的结焦具有催化作用，会加剧结焦积碳的形成；树脂基旋流器在耐高温方面无法满足燃烧室工作需求；氧化锆陶瓷在结构强度、耐热性和化学惰性方面均具有显著优势，是旋流器防积碳结构的理想材料。

本文的研究成果为静轴式涡扇发动机燃烧室的设计优化提供了系统的理论依据和试验支撑，也为其他小型航空发动机燃烧室的改进设计提供了有价值的参考。

湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。湖南泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。

湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。