支板溝槽組合穩(wěn)壘技術(shù)的試驗(yàn)研究

支板溝槽組合穩(wěn)壘技術(shù)的試驗(yàn)研究

1液體碳?xì)淙剂显谟邢薜目臻g和時(shí)間內(nèi)，提出高速燃料燃燒和穩(wěn)定燃燒的問題，并承擔(dān)更多的燃料消耗和損失，以滿足飛機(jī)全過程加速和航行的要求。這是發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中最具爭議的問題之一。液體碳?xì)淙剂?煤油)貯存性良好,性能穩(wěn)定,使用方便,其熱值和冷卻能力基本滿足在飛行馬赫數(shù)3~8范圍內(nèi)的超燃沖壓發(fā)動機(jī)的性能要求。對導(dǎo)彈武器來說,燃料的體積、貯存性、安全性和使用方便性是受到嚴(yán)格控制的,因此,對于Ma0≤8的彈用高超聲速飛行來說,采用液體碳?xì)淙剂系某紱_壓發(fā)動機(jī)具有重要的應(yīng)用前景。當(dāng)發(fā)動機(jī)采用液體碳?xì)淙剂蠒r(shí),根據(jù)國內(nèi)外研究成果,要實(shí)現(xiàn)在較寬來流范圍,尤其是低飛行馬赫數(shù)狀態(tài)下(Ma0=4~5)燃燒室的可靠點(diǎn)火與穩(wěn)定高效燃燒,使用凹槽是一條較為可靠的技術(shù)途徑。同時(shí),燃燒室燃料噴注技術(shù)從小尺度向工程實(shí)用尺度發(fā)展時(shí),要實(shí)現(xiàn)燃料與主流的均勻高效混合,使用支板是一條重要的甚至是必不可少的手段。因此,如何組合使用支板與凹槽,最大程度的提高穩(wěn)焰能力,是目前研究發(fā)展的一個(gè)重要方向。有研究表明,支板后形成的低壓區(qū)能將凹槽內(nèi)高壓區(qū)的流體抽吸出來,并帶入主流。與單獨(dú)的凹槽穩(wěn)定器相比,這種組合布置能增加凹槽和主流之間的質(zhì)量交換,提高穩(wěn)焰能力。此外,通過支板增加的質(zhì)量交換能進(jìn)一步減小流動波動。本文通過直連試驗(yàn)手段,研究了液體碳?xì)淙剂喜煌瑖娮⒎绞胶筒煌О灏疾劢M合方式對點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒的影響,通過測量得到的燃燒室壁面壓力分布情況,對不同方案的穩(wěn)焰效果進(jìn)行了初步的分析。2直連試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在超燃沖壓發(fā)動機(jī)直連試車臺進(jìn)行,來流加熱系統(tǒng)采用燃燒直接加熱方式模擬來流,通過控制加熱器三組元氧、空氣、煤油的流量實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需模擬的總溫、總壓,并保證燃?xì)庵醒跄枬舛鹊扔?1%且分布均勻。加熱氣流總溫800~2100K,最大總壓4MPa。通過設(shè)計(jì)不同工作噴管提供試驗(yàn)所需的燃燒室進(jìn)口馬赫數(shù)。圖1為直連試驗(yàn)系統(tǒng)圖。發(fā)動機(jī)總工作時(shí)間為6秒,其中發(fā)動機(jī)點(diǎn)火器停止后工作3秒。燃燒室(含隔離段)長1560mm,進(jìn)口尺寸為40mm×100mm,燃燒室面積擴(kuò)張比為2.1。模型采用小支板式燃料噴注結(jié)構(gòu),采用前后兩處支板供油實(shí)現(xiàn)不同工作模態(tài)所需的釋熱分布規(guī)律,為比較不同燃料噴注方式對點(diǎn)火、穩(wěn)焰的影響,在前后支板上均設(shè)計(jì)了兩路燃料噴孔,一路為垂直氣流方向的側(cè)壁面噴射方式,另一路為順氣流方向的尾噴方式。在亞燃室采用了支板與凹槽組合方式的穩(wěn)焰方案,為探索不同組合方式的穩(wěn)焰效果,在亞燃支板與凹槽組合方式上設(shè)計(jì)了兩種凹槽方案,分別為上下壁面雙凹槽和單壁面凹槽,具體見圖2。3試驗(yàn)來流模擬參數(shù)試驗(yàn)參數(shù)范圍為飛行馬赫數(shù)Ma0=4~5,對應(yīng)的飛行高度范圍H=19~22km,燃燒室進(jìn)口馬赫數(shù)Ma2=2.0,2.5。表1為試驗(yàn)來流模擬參數(shù)。表2為燃燒室試驗(yàn)工況參數(shù)。4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1線性氣流體壓器破碎、霧化特性分析圖3(a),(b)分別為前后支板采用側(cè)噴和尾噴方式供應(yīng)燃料時(shí)燃燒室壓力的對比曲線?？梢钥闯?Ma0=4狀態(tài)采用尾噴方案,沒有實(shí)現(xiàn)燃燒室的可靠點(diǎn)火,Ma0=5狀態(tài)采用尾噴方案雖然成功點(diǎn)火,但燃燒壓力較側(cè)噴方案有較大程度的降低,這表明兩者的燃燒效率存在一定差距。經(jīng)初步分析,導(dǎo)致上述結(jié)果的原因主要有兩方面,一是燃料在支板尾部噴射時(shí),由于液滴相對主氣流是平行方向流動,液滴與氣流的相互作用較弱,因此達(dá)到相同的破碎、霧化效果需要更長的摻混距離和駐留時(shí)間。該因素通過數(shù)值模擬手段初步到驗(yàn)證,圖4(a),(b)分別為Ma2氣流環(huán)境,支板垂直氣流側(cè)噴和尾部順氣流噴射條件下,液態(tài)煤油液滴的破碎、霧化特性的數(shù)值模擬結(jié)果?？梢悦黠@看出,順氣流噴射方式的霧化距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于垂直氣流噴射方式,同時(shí)其液滴直徑(約40μm)也遠(yuǎn)大于垂直氣流噴射時(shí)(約5μm)的情況;二是在使用液態(tài)燃料情況下,側(cè)壁面垂直主流噴射方式的摻混范圍要好于順氣流尾噴方式。國內(nèi)外關(guān)于流向渦增強(qiáng)摻混的研究多針對氣態(tài)燃料開展,從研究結(jié)果看,對于氣態(tài)燃料流向渦具有提高摻混效率的作用。從本階段試驗(yàn)的實(shí)際效果看,流向渦對于液態(tài)煤油燃料的增混效果不明顯,關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)還有待深入研究。4.2雙凹燃燒點(diǎn)火圖5(a),(b)分別為后支板/凹槽組合采用上下壁面雙凹槽和上壁面單凹槽穩(wěn)焰方案時(shí)燃燒室壓力的對比曲線。與噴射方式對燃燒帶來的差異類似,Ma0=4狀態(tài)采用單凹槽方案,沒有實(shí)現(xiàn)燃燒室的可靠點(diǎn)火,Ma0=5狀態(tài)采用單凹槽方案的燃燒壓力較雙凹槽方案有較大程度的降低,雙凹槽在點(diǎn)火、穩(wěn)焰和提高燃燒完全度方面具有較大優(yōu)勢。由于凹槽能夠提供一個(gè)低速回流區(qū)、局部滯止區(qū)以及較寬范圍的油氣當(dāng)量比,利于點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定。通過合理設(shè)計(jì)凹槽尺寸及結(jié)構(gòu),能夠使燃料在凹槽與主流之間的氣流剪切層中形成穩(wěn)定的燃燒,高溫介質(zhì)在向凹槽后部流動的過程中,逐漸擴(kuò)散至主流,促進(jìn)主流中燃料的燃燒。單凹槽方案取消了下壁面凹槽,對于分布在下壁面區(qū)域燃料的充分燃燒是不利的,燃燒效率的降低導(dǎo)致了燃燒壓力的降低,甚至不能點(diǎn)火穩(wěn)定燃燒。4.3點(diǎn)火器及燃燒圖6(a),(b)為采用穩(wěn)焰效果較好的支板側(cè)噴與支板/雙凹槽組合方式在各來流狀態(tài)下的燃燒室壓力的對比曲線。在Ma0=4,Ma2=2.0來流狀態(tài)下,燃料當(dāng)量比Ф=0.4時(shí),在點(diǎn)火器工作時(shí)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定燃燒,但點(diǎn)火器停止工作后,燃燒室熄火,未能實(shí)現(xiàn)自持穩(wěn)定燃燒。在Ф≥0.6范圍,燃燒室均實(shí)現(xiàn)了自持穩(wěn)定的燃燒。在Ma0=5,Ma2=2.0來流狀態(tài)下,燃燒室自持穩(wěn)定工作邊界拓展到Ф≥0.4范圍。在Ma0=5,Ma2=2.5來流狀態(tài)下,燃燒室同樣在Ф≥0.4范圍實(shí)現(xiàn)了自持穩(wěn)定工作,但是當(dāng)Ф≥0.7時(shí),燃燒壓力擾動傳出了隔離段進(jìn)口,在實(shí)際飛行中會引起進(jìn)氣道溢流。后續(xù)設(shè)計(jì)可通過延長隔離段長度和將支板位置適當(dāng)后移至擴(kuò)張段兩種途徑的單獨(dú)或組合使用,以避免上述問題的發(fā)生。5燃料垂直氣流噴射方式及阻燃整理的注意事項(xiàng)通過以上研究,可以得出以下結(jié)論:(1)采用支板/凹槽組合方式的燃燒室在Ma0=4~5范圍實(shí)現(xiàn)了寬當(dāng)量比范圍的可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。(2)液態(tài)燃料垂直氣流噴射方式在破碎、霧化效果以及摻混范圍上要優(yōu)于順氣流噴射方式。(3)上下壁面布置凹槽的穩(wěn)焰效果要好于單壁面凹槽