模擬飛行馬赫數40液態柴油燃料超聲速點火、火焰穩定和燃燒特性試驗研究

1超聲速燃燒燃料的限制及對策液體碳氫燃料的超燃壓縮機被認為是馬哈數4-8高超速飛機的理想推進方案之一。特別是液體碳氫燃料具有高能量密度、高熱值、易儲存等優點。未來，碳氫燃料的超額燃料泵將得到很大發展，并用于低成本、高超速駕駛裝備馬哈數8。美國空軍早在1995年提出了HyTech計劃,目標就是研制高超聲速導彈和飛行器、發展和驗證液體碳氫超燃沖壓發動機在馬赫數4～8飛行范圍下的性能,截至目前已經完成了液態JP-7燃料超燃沖壓發動機推進的X-51A驗證飛行試驗,取得了重大突破。然而,相對于氫燃料,液體煤油燃料可燃性較差、點火延遲時間長,使得組織穩定高效的超聲速燃燒極為困難,因此作為超燃沖壓發動機實用性燃料還面臨諸多問題,如點火問題、霧化摻混問題、火焰穩定問題等。據RoutovskyVB研究結果,在溫度1000K,0.1MPa條件下的液態煤油燃料點火延遲時間約為100ms,遠遠高于在典型超聲速燃燒室內的駐留時間(幾毫秒級),此外還需要經歷霧化、蒸發以及與空氣摻混等一系列物理過程,因此要在有限的時間和空間里實現燃料與空氣的高效混合,延長其在燃燒室內的駐留時間,必須采取特殊措施,為此國內外研究者做了大量的工作,提出了采用壁面凹腔作為超聲速燃燒室增強混合和火焰穩定裝置,1993年俄羅斯中央航空發動機所(CIAM)首次公布了采用凹腔作為超燃沖壓發動機火焰穩定器。SegalC等研究了來流馬赫數1.8,總溫1000K條件下,引導氫點火、不同凹腔下的煤油燃燒特性,研究表明氣流在凹腔內所形成的亞聲速回流區是燃料與空氣摻混最好的區域;煤油較多時會導致火焰熄滅。AdamQuick等通過試驗研究了分別在凹腔上游、內部和下游噴射時與主流氣體的混合效果,結果表明在凹腔上游噴射時具有更大的優勢,已經進行的超燃沖壓發動機地面試驗均表明多凹腔構型比單凹腔構型具有更大的優勢。GYu等研究了來流馬赫數2.5,總溫和總壓范圍分別為1700～1900K,1.0～1.3MPa條件下,不同凹腔構型和燃料噴射方案對火焰穩定及燃燒性能的影響,結果表明采用開閉式凹腔相結合的方式比采用單獨凹腔具有更好的燃燒性能;煤油噴射位置和噴射方案對所需引導氫油氣比有很大的影響。Holmes對不同長深比的三個凹腔組合形式進行了比較,結果表明雙凹腔有利于混合。楊事民等采用迎風格式數值模擬帶凹腔的超燃沖壓發動機燃燒室內的高速可壓縮流動,結果表明:凹腔可以達到摻混和穩定燃燒的目的。冷態時,總壓損失較大,但噴氫燃燒降低了馬赫數,減小了激波強度,實際工作狀況凹腔不會引起很大的總壓損失。俞剛等通過對不同燃燒室構型進行實驗,研究了凹腔火焰穩定結構對發動機點火性能的影響,發現凹腔對自點火極限有著重要的促進作用。肖隱利等研究了三種超聲速燃燒室構型中燃料與來流空氣的混合特性及燃燒室性能,分析了凹腔在超聲速燃燒室中所起的作用,結果表明采用凹腔,尤其是雙凹腔結構,增強了燃料的穿透深度,提高了燃燒效率。截至目前,國際上液態煤油燃料超燃沖壓發動機已經成功進行了飛行試驗,國內在試驗研究也已取得較大進展。煤油燃料超燃沖壓發動機正常工作的重要前提是要實現可靠點火和高效穩定燃燒,目前國內大多數試驗均是在模擬高馬赫數(如馬赫數5以上)條件下完成,而且多數采用了燃燒加熱方式實現總溫模擬,難以排除其中污染組分的不確定影響。本文將基于電阻加熱方式,著重開展模擬飛行馬赫數4.0,低溫純凈空氣來流條件下常溫液態煤油燃料超聲速燃燒室直連式試驗,馬赫數4.0被認為是超燃沖壓發動機飛行包線的下限,由于來流溫度較低,對煤油燃料點火、火焰穩定提出了很高的技術要求,本文采用先鋒氫燃料并輔以火花塞點火方式、串聯雙凹腔火焰穩定結構,目的在于研究先鋒氫火焰和雙凹腔構型對煤油超聲速燃燒室點火、火焰穩定及燃燒特性的影響。2試驗系統、模型和方法2.1加熱方式的選擇本文試驗是在西北工業大學直連式超聲速燃燒試驗設備上完成的,該試驗臺最大的特點是采用電阻加熱方式產生高焓空氣,與國內外常用的先燃燒后補氧的加熱方式不同,它可以為燃燒室提供純凈的來流空氣,排除了由于試驗空氣污染對試驗結果所造成的影響。該設備具有經濟性好、結構簡單、加熱空氣無污染、加熱效率高、出口溫度均勻等優點。加熱器系統可以模擬來流總溫600～1000K,來流總壓1.0～4.0MPa,來流流量0.73～1.5kg/s的純凈高焓試驗空氣,滿足飛行馬赫數3.0～4.5,飛行高度10～40km范圍直連式超聲速燃燒室試驗要求。詳細介紹可參見文獻所述。2.2燃燒模型的建立試驗采用了馬赫數2.0的設備噴管,出口氣流直接進入矩形截面的超聲速燃燒室,即所謂的直連式試驗。試驗采用的直連式超聲速燃燒室模型內型面如圖1所示,共由隔離段、等直段燃燒室和擴張段燃燒室三個部分組成。燃燒室進口為一段等直截面段的隔離段,可以防止燃燒過程對上游噴管的擾動。隔離段出口處上壁面設置一向后臺階,進入燃燒室等直段和擴張段,其中擴張段在上壁面以2°的角度擴張直至出口。燃燒室全長770mm,且寬度保持恒定。為了增強混合、點火及火焰穩定需要,在平直的燃燒室下壁面布置有串聯雙凹腔結構,其幾何構型及軸向位置可以通過適當的填塊來改變,凹腔后壁均采用45°斜坡。圖2給出了試驗中采用的典型串聯雙凹腔三維結構。根據凹腔在燃燒室軸向位置的布置,將直連式燃燒室模型分為Model-A和Model-B兩種構型,相對于Model-A,Model-B燃燒室的雙凹腔位置后移58mm且間距增加30mm,如圖1所示。試驗中,上游凹腔作為噴油/點火一體化凹腔,其幾何構型保持不變,液態煤油和先鋒氫氣分別從凹槽前和凹槽底部的壁面噴孔垂直噴射,可以通過調節噴射壓力改變燃料當量油氣比。一個點火能量約為12J的火花塞(Sparkignitor)布置于氫氣噴孔下游作為輔助點火器。下游凹腔長度L保持不變,深度D可在10～12.5～15mm三者之間調節,以研究凹腔構型對煤油超聲速火焰穩定、燃燒特性的影響。2.3穩定來流狀態及燃料噴射壓力的時間歷程試驗過程中,為了達到預期的試驗目的,需要恰當的時序控制,以建立預定的燃燒室進口流場條件,并準確控制燃料噴射、火花塞點火等。本文試驗中,首先啟動電阻加熱器并調節空氣流量和加熱功率,直到燃燒室進口建立起穩定的總溫、總壓條件,然后控制系統啟動火花塞并噴射先鋒氫燃料。在實現先鋒氫點火和燃燒后,開始噴射液態煤油燃料同時可關閉火花塞,而氫燃料繼續噴射一段時間并與煤油共同穩定燃燒,最后關閉先鋒氫燃料而煤油繼續供應一段時間,試驗期間可通過觀察燃燒室出口火焰和壁壓判斷各階段的點火和燃燒情況。圖3給出了試驗中典型的穩定來流狀態及燃料噴射壓力的時間歷程。如圖所示,建立起穩定的來流狀態后,噴入先鋒氫(1s時)并同時火花塞強迫點火,先鋒氫穩定燃燒2s(1～3s)后噴入煤油并被先鋒氫引燃,氫氣與煤油共同燃燒3s(3～6s)后撤掉先鋒氫,煤油燃料繼續單獨噴注。(注:圖3中顯示撤氫后仍測到一定的壓力,是因為煤油單獨燃燒產生的)3燃燒壁面壓力分布分別從凹腔構型和燃燒室構型兩方面考察了基于先鋒氫點火的煤油超聲速燃燒室火焰穩定性能與燃燒特性。試驗期間,通過燃燒室壁面壓力測點得到了燃燒室壁面壓力分布,據此可以判斷先鋒氫點火、燃燒及火焰穩定的成功與否;另外通過監控錄像來觀察燃燒室出口的火焰及其自持穩定情況。通過試驗結果和壁面壓力分布的比較和分析,可以確定凹腔構型和燃燒室構型對煤油燃料超聲速燃燒室火焰穩定性及燃燒特性的影響。3.1凹腔深度對火焰穩定性的影響基于燃燒室構型Model-A,保持上游的噴油點火一體化凹腔構型不變,通過改變下游凹腔深度D,進行了不同凹腔深度對煤油燃料超聲速燃燒室火焰穩定、燃燒特性的影響。試驗采用的下游凹腔長度保持恒定,深度分別有10mm,12.5mm和15mm三種,表1列出了相應試驗工況的來流條件、油氣比、下游凹腔深度以及試驗結果,其中ERH/ERK分別代表氫氣/煤油的當量油氣比。通過對比試驗研究發現,隨著下游凹腔深度D從10mm增加至15mm,煤油燃料超聲速燃燒從不能自持穩定到最終能夠自持穩定燃燒,可以說明在本文試驗條件下下游凹腔起到了煤油燃料超聲速燃燒的火焰穩定器作用,并且凹腔深度的增加可以有效地增強火焰穩定性。在煤油當量油氣比ERK=0.3時,下游凹腔深度D為12.5mm和15mm時均實現了煤油燃料超聲速自持穩定燃燒,但當量油氣比提高到0.44時,下游凹腔深度D=12.5mm已經不能實現自持穩定燃燒,說明增加凹腔深度可以擴展火焰穩定的油氣比范圍。在本文試驗條件下,下游穩焰凹腔深度的增加,有效地增強了煤油燃料超聲速燃燒室的火焰穩定性能,同時擴展了火焰穩定的油氣比范圍,這是因為穩焰凹腔深度的增加延長了燃料在凹腔內的停留時間、并且增強了油氣混合等,凹腔內燃料對流輸運及其在凹腔內部的分布決定了凹腔內火焰駐留能力,并最終決定燃燒室是否能夠自持穩定燃燒;一般而言,凹腔越深,燃料在凹腔內駐留時間越長,從而提高了穩焰能力,但同時也會造成嚴重的氣流壓力損失,深度太大甚至會降低凹腔內火焰向主流的擴散能力,因此在燃燒室設計中需要綜合考慮,這方面也有待深入研究。圖4對比了煤油當量油氣比ERK=0.30條件下,下游凹腔深度D=12.5mm和15mm時Model-A燃燒室上壁面壓力分布,其中包括冷流狀態。如圖顯示,下游凹腔深度從12.5mm增至15mm,對冷流壁面壓力和燃燒壁面壓力的影響不大,說明在此試驗條件下這一凹腔深度增加對煤油超聲速燃燒特性的影響不大。圖5顯示了當下游凹腔深度D=15mm時,幾個煤油當量油氣比條件下Model-A燃燒室構型上壁面壓力分布,其中包括冷流狀態。如圖顯示,冷流狀態下燃燒室壁面壓力重復性很好,隨著油氣比的增加,燃燒室壁面壓力明顯上升,從隔離段進出口壓力測點來看,燃燒誘導壓升逐漸向上游隔離段內傳播,當煤油當量油氣比ERK=0.53時這種擾動已經開始傳播至隔離段入口,進一步提高油氣比可能會影響到上游進氣道起動性能。3.2雙凹腔位置變化對穩定燃燒的影響針對Model-A燃燒室構型的試驗研究結果表明,當下游凹腔深度D=15mm時已經獲得較好的點火及火焰穩定性能,然而隨著油氣比的增加,燃燒誘導壓升對向上游隔離段已經產生較為劇烈的擾動,當煤油當量油氣比ERK=0.53時這種擾動已經開始傳播至隔離段入口處。因此,基于Model-A構型(D=15mm),將串聯雙凹腔沿軸向后移一定距離,并將雙凹腔間距拉大,即對應于Model-B燃燒室構型(如圖1所示)。本文針對Model-A和Model-B兩種燃燒室構型,展開了一系列對比試驗,研究其中雙凹腔位置變化對煤油燃料超聲速燃燒特性的影響。表2列出了針對兩種燃燒室構型所進行相關試驗工況的來流條件、油氣比、以及試驗結果。從表2可知,針對Model-B燃燒室均能實現液態煤油的可靠點火,最終自持穩定燃燒,而且來流總溫、總壓水平穩定,具有很好的比較基準。圖6對比了兩種煤油當量油氣比ERK=0.43和0.53下Model-A和Model-B燃燒室構型的上、下壁面壓力分布,其中下壁面只對比顯示了ERK=0.53時的情況。可以看出,在冷流狀態,由于雙凹腔位置、間距變化引起了壁面壓力的明顯變化;在相同當量油氣比條件下,Model-B燃燒室其燃燒峰值壓力要低于Model-A燃燒室而且傾向后移動,在燃燒室出口段燃燒壓升要高于Model-A燃燒室,總的來看,Model-B燃燒室的燃燒區向下游轉移,從隔離段進出口壓力測點來看,有效緩解了燃燒誘導壓升對上游的擾動,使等直隔離段出口壓力下降,從而隔離段出口馬赫數升高,燃燒室工作模態更趨向于超聲速燃燒模態。圖7顯示了幾個煤油當量油氣比條件下Model-B燃燒室構型上、下壁面壓力分布,其中包括冷流狀態。如圖顯示,冷流狀態下燃燒室壁面壓力重復性很好,隨著油氣比的增加,燃燒室壁面壓力明顯上升,從隔離段進出口壓力測點來看,燃燒誘導壓升逐漸向上游隔離段內傳播,當煤油當量油氣比ERK=0.73時這種擾動已經開始傳播至隔離段入口,進一步提高油氣比可能會影響到上游進氣道起動性能。而Model-A燃燒室構型在煤油當量油氣比ERK=0.53時就對隔離段進口產生了擾動,證實了Model-B燃燒室構型具有更好的抗擾動能力。4試驗結果及分析本文基于西北工業大學直連式超聲速燃燒試驗設備,開展了模擬飛行馬赫數4.0純凈空氣來流條件下煤油超聲速點火、燃燒試驗,采用先鋒氫輔以火花塞強迫點火的方式,分別研究了不同凹腔構型下煤油燃料超聲速燃燒室的火焰穩定性及燃燒特性,根據試驗結果可以得到以下幾點結論:(1)在本