基于總溫測量的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率研究

冮 強(qiáng)，王 遼，郭金鑫，馬雪松，劉建文

（中國航天科工集團(tuán)三十一研究所 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074）

0 引 言

燃燒室作為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其工作過程復(fù)雜，影響燃燒室性能的因素較多，且相互耦合，因此建立一個(gè)完備的燃燒室性能評價(jià)體系和評估方法是深入開展燃燒室研究必須解決的首要問題。燃燒效率是表征燃料燃燒過程完全程度的指標(biāo)，能夠部分反映出燃燒室性能的優(yōu)劣，是燃燒室性能評價(jià)的重要指標(biāo)之一。通常把燃燒效率定義為燃燒過程的某種實(shí)際性能（放熱量［1］、溫升［1－3］、燃?xì)饽辰M分的紫外輻射強(qiáng)度［4］等）與理論性能之比。一般來說，燃燒效率的定義應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：（1）能反映燃料燃燒過程的完善程度（就放熱而言）；（2）符合試驗(yàn)測量的實(shí)際條件。燃燒效率通常不能直接獲取，需要通過試驗(yàn)測量特定數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算處理來獲得。因此燃燒效率的定義形式與測量手段相匹配是十分重要的。例如，當(dāng)試驗(yàn)分別測量燃?xì)饨M分濃度和燃?xì)饪倻貢r(shí)在選取燃燒效率定義時(shí)就要有所區(qū)別。因此建立與試驗(yàn)測量相配套的評價(jià)方法，并通過測量數(shù)據(jù)最終獲得燃燒效率就成為評定燃燒室性能需要解決的關(guān)鍵問題之一。

目前，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率主要按照兩種定義并結(jié)合相應(yīng)的測量方法進(jìn)行獲取。一類是按照實(shí)際放熱量與理論放熱量之比的定義方法，主要基于燃?xì)饨M分測量（取樣分析［5－6］或光 學(xué)測量［7－9］）獲取燃燒效率。但超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室過高的燃?xì)鉁囟葘θ友b置、燃?xì)鈨鼋Y(jié)技術(shù)帶來了較大的難題。而光學(xué)測量燃?xì)饨M分方法目前技術(shù)成熟度和測量精度還相對較低，在工程應(yīng)用上仍存在不少技術(shù)問題；另一類是按照實(shí)際溫升與理論溫升之比的定義方法，主要基于燃?xì)饪倻販y量或壁面壓力測量、臺(tái)架推力測量，利用一維沖量分析法［2，10］，推算燃?xì)饪倻剡M(jìn)而獲取燃燒效率。在采用一維沖量法的計(jì)算過程中，壁面摩擦力、支板阻力、燃?xì)獬煞值饶壳盁o法精確計(jì)算，需采用一定假設(shè)或工程經(jīng)驗(yàn)公式，給燃燒效率計(jì)算結(jié)果帶來誤差。而采用基于總溫測量獲取燃燒效率的方法，無需知道燃?xì)饨M分，同時(shí)避免了利用沖量方法計(jì)算總溫的計(jì)算誤差，是一種較好的燃燒效率獲取方法。但超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口氣流總溫最高接近3000K，超出了傳統(tǒng)高溫?zé)犭娕嫉臏y量范圍，需要尋求熔點(diǎn)更高的熱偶絲材料，并合理設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)，才能保證總溫測量的可靠、準(zhǔn)確。

簡要介紹了基于溫升的燃燒效率的獲取方法，并采用新型高溫氣流總溫傳感器測量了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)燃燒室出口的氣流總溫，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。

1 基于溫升的燃燒效率獲取方法

1.1 燃燒效率的基本定義

衡量燃燒過程完全程度的最基本參數(shù)是燃燒過程的放熱量，因此實(shí)際放熱量與理論放熱量之比是燃燒效率的最基本定義方式［1］。當(dāng)忽略散熱損失時(shí)，其表達(dá)式如下：

上標(biāo)“°”表示在溫度T°下進(jìn)行的燃燒過程；

q°——單位質(zhì)量燃料的理論放熱量；

下標(biāo)“r”表示實(shí)際的燃燒過程；

q°r——單位質(zhì)量燃料的實(shí)際放熱量。

應(yīng)當(dāng)注意，燃料的理論放熱量以及其它的放熱量與燃燒過程進(jìn)行時(shí)的溫度有關(guān)。因此在定義燃燒效率時(shí)，應(yīng)當(dāng)規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)溫度。通常規(guī)定測定燃料熱值時(shí)的溫度 （288.15～298.15K）作為基準(zhǔn)溫度。

1.2 基于溫升的燃燒效率定義

設(shè)燃燒室進(jìn)口的原始反應(yīng)物由溫度為T＊2的空氣（或污染空氣）和溫度為Tf的燃料所組成，燃燒室出口的實(shí)際溫度為T＊4。按燃燒過程溫升定義的燃燒效率ηΔT表達(dá)式如下：

式中上標(biāo)＊——滯止參數(shù)；

T＊4，e——燃燒產(chǎn)物達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)的燃燒溫度；

ΔTe——理論溫升；

根據(jù)溫升定義的燃燒效率與根據(jù)放熱量定義的燃燒效率在數(shù)值上十分接近，文獻(xiàn)［1］給出了相關(guān)的計(jì)算方法與結(jié)果。因此使用溫升定義的燃燒效率可以很好地反映燃料燃燒的完善程度。

1.3 T＊4的獲取方法和存在的問題

關(guān)于燃燒產(chǎn)物的實(shí)際溫度T4＊的獲取方法，有直接測量和間接測量計(jì)算兩種途徑確定，下面分別予以介紹。

1.3.1 直接測量法

在燃燒室出口利用接觸式溫度傳感器直接測量燃?xì)饪倻?。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口氣流溫度高，流速快，采用接觸式溫度傳感器測量總溫需要進(jìn)行耐高溫、抗沖擊、溫度校準(zhǔn)和計(jì)算修正等技術(shù)的攻關(guān)。

1.3.2 間接測量計(jì)算法

通過測量手段獲得燃燒室沿程壁面壓力，通過沖量法計(jì)算出燃燒室出口總溫T＊4。需要指出的是，在計(jì)算過程中壁面摩擦力、支板阻力、燃?xì)獬煞值饶壳盁o法精確計(jì)算，需采用一定假設(shè)或工程經(jīng)驗(yàn)公式，給T＊4的計(jì)算結(jié)果帶來誤差。直連臺(tái)應(yīng)用推力測量直接獲得燃燒室推力可以無需計(jì)算壁面摩擦力、支板阻力，但直連臺(tái)推力測量要獲得較高的精度也面臨許多技術(shù)難題。

2 總溫測量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

試驗(yàn)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)直連試車臺(tái)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。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)。燃燒室（含隔離段）長2400mm，進(jìn)口尺寸為80mm×190mm，燃燒室面積擴(kuò)張比為2.4。圖1為直連試驗(yàn)系統(tǒng)圖。

2.2 試驗(yàn)狀態(tài)

表1為試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)。

2.3 總溫傳感器

2.3.1 設(shè)計(jì)方案

總溫傳感器以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室地面試驗(yàn)為應(yīng)用對象，燃燒室出口氣流總溫最高接近3000K，選擇鎢合金為總溫傳感器殼體材料。鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3410℃，同時(shí)為抑制鎢合金殼體的氧化，在其表面進(jìn)行了鍍膜處理。熱電偶絲選用WRe5－WRe26，直徑0.3～0.8mm，為了使熱電偶能夠適應(yīng)氧化環(huán)境，采用電子束鍍膜工藝對其表面進(jìn)行了鍍膜處理。

圖1 直連試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Direct－connect test facility

表1 試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)Table1 Inlet flow simulated parameters

在總溫傳感器的設(shè)計(jì)中最重要的是滯止罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滯止罩需要將來流有效滯止，同時(shí)保證滯止罩內(nèi)有較好的熱交換性能，使得傳感器能夠快速響應(yīng)。試驗(yàn)使用了圖2所示的半屏蔽直吹式總溫傳感器滯止罩，半屏蔽滯止罩能夠使來流有效滯止，同時(shí)熱電偶直接接觸高溫來流，保證了傳感器的快速響應(yīng)。在滯止罩內(nèi)安裝了3支熱電偶，其中T2熱電偶測量氣流溫度。T1、T3熱電偶測量滯止罩內(nèi)壁溫，用于對總溫傳感器的輻射誤差的修正，熱電偶絲的具體安裝位置如圖3所示。

圖2 總溫傳感器滯止罩結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of stagnation shield of total temperature sensor

圖3 熱電偶絲的安裝位置Fig.3 Position of thermocouple

2.3.2 測量誤差修正

總溫傳感器的測量誤差主要包括速度誤差ΔTv、輻射誤差ΔTr、導(dǎo)熱誤差ΔTc，如總溫修正如公式（3）所示：

Tj為修正前氣流溫度測量值。試驗(yàn)中熱電偶結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱誤差小于0.1K，因此修正中忽略不計(jì)［11］。

輻射誤差在溫度較低時(shí)體現(xiàn)并不明顯，當(dāng)氣流總溫達(dá)到2000K以上時(shí)，輻射誤差不可忽略。根據(jù)熱電偶絲輻射換熱和對流換熱的能量守恒關(guān)系，輻射誤差計(jì)算公式如下：

式（4）中σ為波爾茲曼常數(shù)，h為偶絲處的對流換熱系數(shù)，ε為熱電偶絲的表面發(fā)射率，試驗(yàn)中使用熱電偶絲的表面發(fā)射率為0.43。Tw為總溫傳感器加權(quán)環(huán)境溫度值。

氣流總溫T0與恢復(fù)壁溫Tg之差稱為速度誤差Tv，計(jì)算公式如下：

式（5）中，r為總溫恢復(fù)系數(shù)，γ為氣流比熱比。總溫恢復(fù)系數(shù)與其結(jié)構(gòu)和外部工況有關(guān)，一般是在常溫校準(zhǔn)風(fēng)洞上通過測量間接獲得。試驗(yàn)采用的半屏蔽結(jié)構(gòu)總溫傳感器速度恢復(fù)系數(shù)為0.96。

為驗(yàn)證修正方法，在中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所熱風(fēng)洞，利用標(biāo)準(zhǔn)總溫傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，該文傳感器在1500K及1800K總溫條件下修正后測量總溫與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比誤差小于3%，驗(yàn)證了傳感器測量結(jié)果及誤差修正方法的可行性，總溫傳感器具有較高測量精度。

圖4為試驗(yàn)中總溫傳感器的安裝圖，溫度測點(diǎn)位于燃燒室出口截面的中心位置。

圖4 總溫傳感器的安裝圖Fig.4 The set up of total temperature sensor for scramjet combustor

3 測量與計(jì)算結(jié)果

圖5為熱態(tài)條件下測量獲得的壁面壓力曲線，圖6為總溫傳感器實(shí)測曲線，表2為試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)。

圖5 燃燒室熱態(tài)壁面壓力測量數(shù)據(jù)Fig.5 Axial wall static pressure distribution

在試驗(yàn)中總溫傳感器工作正常，達(dá)到熱平衡，獲得了燃燒室工作時(shí)穩(wěn)定的總溫?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)修正方法，總溫傳感器誤差修正結(jié)果如表3所示。

圖6 總溫傳感器測量曲線Fig.6 Temperature curve of scramjet combustor test（combustion condition）

表2 試驗(yàn)溫度傳感器測量數(shù)據(jù)Table2 Temperature data of scramjet combustor test

表3 總溫傳感器誤差修正結(jié)果Table3 Error analysis of scramjet combustor test

經(jīng)計(jì)算，表1所示狀態(tài)下，采用平衡態(tài)熱力計(jì)算方法，考慮來流污染空氣實(shí)際組分，燃燒產(chǎn)物化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)的總溫為T＊4，e＝2749K。因此根據(jù)溫升定義測點(diǎn)處的燃燒效率η1，ΔT為：

圖7為采用數(shù)值計(jì)算方法得到的燃燒室出口截面的總溫分布情況，通過統(tǒng)計(jì)，燃燒室中心位置的總溫值為2740K，截面流量平均總溫為2672K。根據(jù)測量值，按數(shù)值計(jì)算給出的燃燒室出口流場總溫分布信息進(jìn)行修正，則截面的流量平均總溫為2628K，則根據(jù)溫升定義的燃燒室出口氣流的流量平均的燃燒效率η2，ΔT為：

4 結(jié)果與討論

圖7 數(shù)值計(jì)算得到的燃燒室出口截面總溫分布Fig.7 Total temperature profile at combustor exit by CFD

（1）基于溫升比和總溫測量的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率定義和獲取方法能夠較好地反映燃料燃燒的完全程度，同時(shí)不需要測量或計(jì)算燃?xì)饨M分、摩擦力、支板阻力等，避免了上述過程帶來的誤差，是一種比較理想的燃燒性能評價(jià)方法；

（2）采用新型總溫傳感器測量了M6狀態(tài)燃燒室出口總溫，獲得了總溫測量數(shù)據(jù)和修正結(jié)果。通過該試驗(yàn)，驗(yàn)證了該總溫傳感器在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用能力；

（3）試驗(yàn)獲得的溫度傳感器測點(diǎn)處的燃燒效率為0.946，結(jié)合數(shù)值計(jì)算的流場信息，出口截面流量平均的燃燒效率為0.884，顯示該發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的燃燒組織性能。

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