陈 元,万羽翼,王玉琢,陈 龙,包雯婷,丁 潇,李松阳,崔振涛
(1.中国民用航空局第二研究所,四川 成都 610041;2.民航航油航化适航与绿色发展重点实验室,四川 成都 610041;3.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室,安徽 合肥 230022;4.中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 200241)
飞行安全问题是民航关注的重点,为尽可能降低飞机失火对飞行安全的影响,适航条款要求发动机零部件在失火状态下依然能有效工作一段时间,确保发动机安全关闭[1]。防火试验是验证发动机零部件、舱内材料防火及耐火性能最有效的方法。美国联邦航空管理局(FAA)、国际标准化组织和中华人民共和国工业和信息化部分别发布了行业标准《AC 20-135》[2]、《ISO 2685》[3]和《HB 6167.14—2014》[4],规定了防火试验的试验准则、设备要求等细则,要求使用油燃烧器进行飞机材料与结构防火耐火验证。
动力装置报告No.3A[5]列出的早期防火试验使用的燃烧器有Lennox OB-32、Carlin 200 CRD、Stewart-Warner model HPR 250、Stewart-Warner model HPR 600和FAA防火试验手册《aircraft materials fire test handbook》[6]第11章指定的Park DPL 3400油燃烧器。早期油燃烧器由于火焰稳定性较差等因素逐渐停产。在不断研究和改进下,FAA研制出了新一代油燃烧器,即NexGen油燃烧器,又称Sonic油燃烧器[7]。NexGen油燃烧器逐渐成为唯一在生产的用于防火试验的燃烧器。对于防火试验的研究主要有试验与数值模拟两种方式。KAO[8]通过试验研究NexGen燃烧器的特征,并调整燃烧器使之满足规章要求,同时还研究了测温热电偶尺寸、试样尺寸对测试结果的影响。白杰等[9]研究不同湍流模型对NexGen燃烧器出口流场模拟结果的影响,选出一种适用于防火试验数值模拟的湍流模型。王伟等[10]采用数值模拟软件对NexGen燃烧器火焰进行模拟,分析相同空气流量不同燃油流量下燃烧器的火焰特征。但已有研究对于NexGen油燃烧器火焰温度特性的试验研究略显不足,导致数值仿真结果没有数据佐证,不利于相关研究的发展。
因此,笔者对比分析NexGen油燃烧器与Carlin 200 CRD油燃烧器结构与温度分布;改变燃油压力、空气压力,研究燃油流量、空气流量对NexGen油燃烧器火焰特性的影响;在防火试验典型燃油空气参数(空气压力为40～60 psi,燃油流量2 gal/h)条件下,研究测试NexGen油燃烧器火焰不同区域的温度场,以期为NexGen油燃烧器数值模拟提供直接的数据支持,为舱内材料、动力装置的防火耐火设计提供参考。
1.1 结构对比
老一代油燃烧器(以Carlin 200 CRD油燃烧器为例)为风机一体式,油燃烧器枪体末端配置电机和风轮,通过通风管内部空气分配结构分散空气流向并输送至燃烧筒内,空气流量通过进气道开口度进行控制。燃油通过泵和过滤器输送到燃烧器燃油导管和燃油喷嘴。NexGen油燃烧器由枪体、燃油系统、空气系统三大部分组成。燃油系统由油箱、燃油泵、电磁阀、压力表、燃油喷嘴和控制系统等组成。燃油泵向燃油喷嘴提供一定压力,从而产生一定的燃油流量。空气系统由空气压缩机、压力调节阀、音速节流器、紊流器和定片等组成,一定压力的空气在音速节流器下游产生恒定的空气流量。
老一代油燃烧器结构相对简易,使用环境无特殊要求,可方便更换工作环境,但空气、燃油的温度与压力等参数因实验室的条件而异,影响因素较多,火焰稳定性差。NexGen油燃烧器辅助设备较多,对实验室配套设施要求较高,燃烧器移动使用较为麻烦。但其对空气和燃油控温处理,保证了各种试验环境下参数的一致性,火焰稳定性较好。
1.2 两种燃烧器火焰温度对比
按照FAA防火试验手册中关于火焰校准的方法,采用有7根K型铠装热电偶耙(规格为Φ1.6 mm)测量Carlin 200 CRD油燃烧器(风速为1 800 ft/min)与NexGen油燃烧器(空气压力为45 psi)在2 gal/h燃油流量下的火焰温度,燃烧器均为水平方向,热电偶耙距离燃烧筒出口面为4 in,结果如图1所示。
图1 两代油燃烧器在2 gal/h燃油流量下的火焰温度
从图1可以看出,Carlin 200 CRD油燃烧器火焰分布不均匀,3号和5号热电偶测点位置出现明显低温区。NexGen油燃烧器火焰分布较为均匀,火焰左侧温度略微偏高,中间和右侧温度均匀,未出现明显低温区。NexGen油燃烧器配置的音速节流器可以控制入口压力,在下游得到与入口压力成正比的稳定空气流量[11],且由紊流器和定片组成稳定的空气分配结构进一步保证空气分配的均匀性[12],因此其火焰状态更为稳定,各测点位置的火焰温度更均匀,具有更稳定的火焰温度特性。
油燃烧器的火焰由空气和燃油油雾混合点火产生。燃油在一定的压力条件下,通过喷嘴雾化,混合空气遇点火源发生燃烧。选取垂直状态的NexGen油燃烧器为对象,研究燃油压力对NexGen油燃烧器火焰特性的影响。试验选取燃料为符合GB 6537—2018的三号喷气燃料(即航空煤油),燃油喷嘴为Delavan 2.0、80°W型。测温所用热电偶为K型铠装热电偶,规格为Φ1.6 mm。
油燃烧器通过燃油齿轮泵供油,燃油流量与燃油喷嘴类型和燃油压力密切相关。由于流体在管道中流动会产生沿程损失和局部损失,且每个油燃烧器的管路长短和弯道均有差异,诸多因素均会导致理论流量与实际流量有一定的偏差。因此,有必要对特定型号的燃油喷嘴进行实际流量测量。试验所选燃油喷嘴(型号为Delavan 2.0、80°W)在一定燃油压力范围内燃油流量实测值如表1所示。
表1 喷嘴在不同压力下的燃油流量
将NexGen油燃烧器空气压力设置为45 psi,选择典型的燃油压力范围100～150 psi进行火焰校准,不同油压下的火焰特性如图2所示。从图2(b)可以看出,随着燃油压力的增加,火焰更加饱满明亮,火焰长度也逐渐增长。从图2(b)和图2(c)可以看出,随着燃油压力的增大,每支热电偶温度、火焰平均温度和热流值均随之增加,即NexGen油燃烧器在典型的空气压力下,在100～150 psi燃油压力范围内,燃油流量与火焰温度、热流值呈正相关关系。
图2 NexGen燃烧器在不同燃油压力下的火焰特性
油燃烧需要空气中的氧气,油燃烧器入口空气流量越大,可供燃烧反应的氧气量越足,但空气也会带走部分火焰热量。此外,油燃烧器的空气分配结构均为机械式组合,其相互位置关系(包括燃烧器的方向)对空气流向和油气混合效果均有一定影响。选取垂直和水平状态下的Carlin 200 CRD油燃烧器与NexGen油燃烧器,对比分析空气流量对燃烧器火焰特性的影响。
垂直和水平状态下Carlin 200 CRD油燃烧器火焰平均温度与燃油压力和入口风速的变化关系如图3所示,可知垂直状态下,风速为1 500～2 400 ft/min时,火焰平均温度随燃油压力的增加而降低;风速为2 400～3 000 ft/min时,火焰温度随风速的增加变化不大;风速为3 000～3 300 ft/min时,火焰温度随着风速的增加略微下降。水平状态下,油燃烧器火焰温度随着风速的增加先增大(风速1 500～2 400 ft/min)后趋平(风速2 400～3 000 ft/min),最后略微下降(风速2 400～3 000 ft/min)。随着燃油压力的增加,在整个风速范围内,火焰温度均不断增加。Carlin 200 CRD燃烧器在较高燃油压力(125 psi、150 psi、175 psi)下,风速在1 500～2 400 ft/min范围内,火焰温度偏低,火焰稳定性较差。风速在2 400～3 000 ft/min范围内火焰温度不随风速增加而变化,火焰稳定性较好。
图3 不同风速、燃油压力下Carlin 200 CRD油燃烧器火焰平均温度
垂直和水平状态下NexGen油燃烧器火焰平均温度与燃油压力和入口风速的变化关系如图4所示,可以看出NexGen油燃烧器不论是垂直方向还是水平方向,在一定空气压力范围内,火焰平均温度均随空气压力增大而降低。在相同空气压力条件下,燃油压力与火焰平均温度呈正相关关系,与前文结论相符。
图4 不同空气压力、燃油压力下NexGen油燃烧器火焰平均温度
以上两代油燃烧器的火焰特性显示,NexGen油燃烧器火焰稳定性和规律性优于Carlin 200 CRD油燃烧器。为深入研究NexGen油燃烧器的火焰特性,选取垂直放置NexGen油燃烧器,在空气压力为40～60 psi、燃油流量为2 gal/h(即燃油压力为125 psi)情况下进行火焰校准,不同空气压力下对应的火焰形态和火焰温度如图5所示。由图5可知,随着空气压力的增加,火焰明亮度略微增加,火焰长度逐渐减小。在40～60 psi空气压力范围内,随着空气压力的增大,火焰平均温度逐渐降低。
图5 NexGen油燃烧器在不同空气压力下的火焰形态和火焰温度
在防火耐火试验过程中,受试件整个暴露在油燃烧器火焰内。受试件可能包含密封组件、承载结构或其他防火耐火薄弱结构,了解其在火焰中受温情况对于整个结构的防火耐火设计有着重要意义。为直接测量燃烧器火焰温度场,按照图6所示设置热电偶测点,并在距离燃烧筒出口2 in、4 in和6 in位置平面处测量NexGen油燃烧器火焰温度。调节燃油压力为125 psi(燃油流量2 gal/h),空气压力为45 psi,测量得到垂直和水平状态下燃烧器火焰3个平面的温度分布云图,如图7～图8所示。
图6 热电偶测点分布图
图7 垂直状态时NexGen油燃烧器火焰温度场云图
图8 水平状态时NexGen油燃烧器火焰温度场云图
垂直状态下,距离燃烧筒2 in位置处火焰温度分布呈明显环状,外周温度较高,火焰中部出现低温区。距离燃烧筒4 in位置处温度分布呈两侧高温、中间低温的状态。距离燃烧筒6 in位置处温度分布均匀饱满。
水平状态下,距离燃烧筒2 in位置处火焰温度分布明显呈单侧偏移状态,火焰温度均匀性较差。距离燃烧筒4 in位置处温度分布均匀饱满,呈左右对称状态,由于浮升效应,火焰整体向上漂移。距离燃烧筒6 in位置处温度分布均匀,火焰进一步向上漂移。
(1)通过测量火焰温度,研究了不同燃油流量、不同空气流量下NexGen油燃烧器的火焰特性,发现NexGen油燃烧器配置的音速节流器及其稳定的空气分配结构使得火焰具有很好的均匀性与稳定性。
(2)在100～150 psi燃油压力范围内,随着燃油流量的增大,火焰平均温度逐渐增大;在40～60 psi空气压力范围内,随着空气流量的增大,火焰平均温度逐渐减小。
(3)NexGen燃烧器垂直状态下,距离燃烧筒6 in位置处温度分布最为均匀饱满;水平状态下,距离燃烧筒4 in位置处温度分布最为均匀饱满。
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