超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃?xì)馊犹结樤O(shè)計與試驗驗證

劉洪凱，張 杰，馮大強(qiáng)，劉重陽，蒙正猛

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621010)

1 引言

燃燒室是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的核心部件之一，其工作過程復(fù)雜，影響因素眾多且相互耦合，如何評價其性能是燃燒室研究亟需解決的難題[1-2]。燃燒效率作為衡量燃料化學(xué)反應(yīng)過程完全程度的指標(biāo)，可直觀反映不同燃燒室的綜合性能差異，為燃燒室設(shè)計提供最直接、最真實的信息，是燃燒室綜合性能評價的一個重要指標(biāo)，對超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室研制具有重要的指導(dǎo)作用。由于超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)高焓、高速、激波等復(fù)雜條件的影響，燃燒效率通常不能直接獲取，需借助試驗、數(shù)值模擬等手段，再經(jīng)試驗數(shù)據(jù)后處理間接得到[3-4]。目前，高溫燃燒效率主要采用氣體取樣法測量[5]，即應(yīng)用燃?xì)馊犹结槍θ紵页隹诘臍怏w組分進(jìn)行取樣分析，獲取出口截面上的氣體組分分布，進(jìn)而獲得燃燒室出口截面上未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的燃料量，再根據(jù)剩余燃料量與總?cè)剂狭恐韧茢喑鋈紵覂?nèi)的燃燒效率[5]。

氣體取樣法不僅測溫范圍大，而且測量精度和穩(wěn)定性均高于熱電偶，為此日益受到國內(nèi)外研究人員的重視。國外Colket等[6]對小尺度管道(0.075～2.000 mm)內(nèi)的氣體流動進(jìn)行了實驗研究，證實了保持合適的小尺度管道形狀和較大的壓比可建立超聲速流動，為取樣探針膨脹冷卻凍結(jié)化學(xué)反應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。Mitani[7]等利用探針取樣-色譜分析法對超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行了取樣分析，獲得了燃燒效率。國內(nèi)李鋒等[8]設(shè)計了在馬赫數(shù)2、總溫3 000 K、總壓790.355 kPa的超聲速流場中成功取樣的16點(diǎn)取樣探針，與取氣瓶、色譜儀等配套使用可獲取超燃沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒效率，但由于色譜分析定性能力差，其組分測量結(jié)果誤差偏大，導(dǎo)致燃燒效率計算結(jié)果對燃燒室性能評估的可靠度降低。

本文基于超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗條件，在對燃?xì)馊犹结樌碚摲治龅幕A(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計與流場分析相結(jié)合的方法，設(shè)計了一支6點(diǎn)燃?xì)馊犹结?，并配套暫沖式取樣系統(tǒng)獲取了燃?xì)獍l(fā)生器(簡稱燃發(fā)器)出口高溫燃?xì)?；采用連續(xù)在線式成分分析儀分析燃?xì)猓瑴?zhǔn)確獲取了燃發(fā)器出口超聲速氣流中氧氣、一氧化碳和二氧化碳的濃度，預(yù)估了燃發(fā)器的燃燒效率，可為超燃沖壓發(fā)動機(jī)綜合性能評估提供技術(shù)支持。

2 取樣探針設(shè)計

2.1 理論分析

超聲速流場中燃?xì)馊幼钪匾臏?zhǔn)則是保持樣氣組分不變，即獲取具有取樣代表性的燃?xì)狻；瘜W(xué)反應(yīng)凍結(jié)是取樣的關(guān)鍵，而燃?xì)饬魉俅笤斐傻募げㄒ矊θ赢a(chǎn)生影響。因此，取樣探針的設(shè)計應(yīng)重點(diǎn)考慮以下問題：

(1)取樣流量的高效匹配。超燃沖壓發(fā)動機(jī)的工作時間只有1～6 s，有效取樣時間僅1～3 s。

(2)取樣探針的高效冷卻。超燃沖壓發(fā)動機(jī)出口總溫最高可達(dá)3 000 K，通過選取高溫合金和水冷技術(shù)確保探針有效冷卻，實現(xiàn)樣氣溫度在433.15±10 K范圍。

(3)樣氣的快速致冷。為防止燃?xì)饨M分繼續(xù)化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)進(jìn)行猝熄凍結(jié)化學(xué)反應(yīng)處理，快速膨脹降溫。

(4)規(guī)避脫體正激波。為保證流場品質(zhì)，避免脫體正激波對取樣的影響，取樣前必須保證取樣管路的高真空度。

(5)取樣探針堵塞比小，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能耐壓、耐振和耐熱沖擊。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

取樣探針設(shè)計主要包括頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱計算、強(qiáng)度校核三方面。根據(jù)某型超燃沖壓發(fā)動機(jī)的試驗條件，表1給出了取樣探針設(shè)計指標(biāo)。

超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗有效時間為1～6 s，取樣時間僅為1～3 s。為滿足分析儀流量需求，取樣流量不低于2 L/s，經(jīng)計算取樣小孔直徑為0.5 mm。探針頭部要求有銳利的唇口，以避免產(chǎn)生脫體正激波。為此，探針頭部外形為30°前緣楔形結(jié)構(gòu)，取樣流道采用 10°和 60°兩級擴(kuò)張，壓比 12：1，擴(kuò)張后流道內(nèi)徑為4.0 mm。探針采用一體化6點(diǎn)設(shè)計，測量密度為0.15點(diǎn)/cm2?？紤]加工工藝和冷卻換熱，取樣探針頭部采用GH3049加工，采用兩次擴(kuò)張驟冷和對流冷卻雙重方式凍結(jié)化學(xué)反應(yīng)。探針整個頭部都有水冷通道，冷卻水使處于高溫氣流中的探針得到保護(hù)。探針出口布置溫度和壓力傳感器，分別監(jiān)測探針出口樣氣的溫度和壓力。圖1示出了取樣探針結(jié)構(gòu)。假設(shè)取樣探針樣氣進(jìn)口溫度為3 000 K，出口溫度為430 K，總傳熱量為24.17 kJ，冷卻水質(zhì)量流量為0.096 kg/s，選用普通自來水即可達(dá)到冷卻要求。取樣探針的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核基于靜強(qiáng)度、靜剛度考慮，計算結(jié)果滿足靜強(qiáng)度安全系數(shù)大于1.25、剛度小于1.5%的要求。

2.3 流場分析

計算模型及網(wǎng)格如圖2所示。采用ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約為1 960萬。計算選用SSTk-ω模型，進(jìn)口湍流強(qiáng)度為2.91%。采用SIMPLE算法實現(xiàn)壓力速度耦合，采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散求解。連續(xù)性方程、湍動能方程和耗散率方程均以10-5作為收斂依據(jù)，能量方程以10-6作為收斂依據(jù)。圖3為取樣探針內(nèi)外流動計算結(jié)果，包含探針位于燃發(fā)器出口超聲速流場內(nèi)的馬赫數(shù)和靜壓分布。圖4為燃?xì)馊犹结橆^部中心線馬赫數(shù)對比圖，圖中橫坐標(biāo)x=0表示取樣探針進(jìn)口截面。

圖1 取樣探針結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch of the sampling probe structure

根據(jù)圖3的計算結(jié)果，并結(jié)合圖4中馬赫數(shù)的變化可知，各取樣測點(diǎn)中心線上的模型參數(shù)分布一致性很好。超聲速氣流進(jìn)入探針后，在兩級擴(kuò)張段(x=0.001～0.006 m)中馬赫數(shù)迅速上升，相應(yīng)的靜壓和靜溫在擴(kuò)張段中降至最低。探針頭部擴(kuò)張段區(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)增大到約4.8，靜壓和靜溫大幅降低，靜溫最低至350 K以下，從數(shù)值仿真可看出探針頭部擴(kuò)張段能實現(xiàn)快速凍結(jié)化學(xué)反應(yīng)的要求。進(jìn)入平直段后馬赫數(shù)逐漸下降，相應(yīng)的靜壓和靜溫逐漸回升，再通過調(diào)節(jié)取樣探針冷卻通道的冷卻水供給量，燃?xì)馊犹结槼隹跍囟瓤梢杂行Э刂圃?33.15±10 K范圍內(nèi)。

圖2 取樣探針計算模型及網(wǎng)格Fig.2 Computational model and meshing for sampling probe

圖3 燃?xì)馊犹结槂?nèi)外流動計算結(jié)果Fig.3 Calculated results of flow inside and outside for the sample probe

圖4 取樣探針頭部中心線馬赫數(shù)對比Fig.4 Mach number comparison of the center line of the sample probe head

3 試驗方案

3.1 試驗系統(tǒng)

超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)是將超燃沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室直接與高溫來流模擬設(shè)備相連接的超聲速燃燒試驗設(shè)備，主要包括燃發(fā)器和發(fā)動機(jī)燃燒室，見圖5。其中，燃發(fā)器的功能是為發(fā)動機(jī)燃燒室提供相對均勻的高溫超聲速流場，具有效率高、升溫快等特點(diǎn)。燃發(fā)器采用酒精補(bǔ)氧燃燒加熱方式，加熱燃燒后的燃?xì)馔ㄟ^噴管加速，在燃發(fā)器出口穩(wěn)流段產(chǎn)生高溫超聲速氣流，并模擬設(shè)定的發(fā)動機(jī)燃燒室入口參數(shù)。穩(wěn)流段的功能是保證燃發(fā)器出口高溫超聲速氣流均勻發(fā)展，為發(fā)動機(jī)燃燒室入口提供均勻流場。發(fā)動機(jī)燃燒室采用燃油或其他形式的燃料組織燃燒。

圖5 試驗器簡圖及測試截面Fig.5 Test unit diagram and test section

3.2 測試方案

選擇穩(wěn)流段出口為取樣截面，6點(diǎn)取樣探針安裝在該截面上，用以測量燃發(fā)器出口燃?xì)饨M分。燃?xì)馊犹结槹踩院涂煽啃则炞C試驗包括空氣校核試驗和燃料校核試驗?？諝庑：嗽囼灥脑囼灎顟B(tài)為p空氣=2.1 MPa，T空氣=常溫，W空氣=2 kg/s；燃料校核試驗的試驗狀態(tài)為 p空氣=0.9 MPa，T空氣=常溫，W空氣=1.50 kg/s，W酒精=0.37 kg/s，W氧氣=0.13 kg/s。校核試驗中，發(fā)動機(jī)燃燒室均不點(diǎn)火。受暫沖式取樣系統(tǒng)限制，單次采用3點(diǎn)取樣，每個測點(diǎn)對應(yīng)一個樣氣罐。取樣探針Probe-2測點(diǎn)出口、Probe-4測點(diǎn)出口和Probe-6測點(diǎn)出口分別連接暫沖式取樣系統(tǒng)中壓力編號為 p2、p4和 p6所對應(yīng)的樣氣罐；穩(wěn)流段出口截面壁面靜壓編號為 ps。取樣時間由燃發(fā)器工作時間決定。測試中，氧氣分析儀的測量原理為順磁氧式，測量量程為0～30%，測量精度為±1%F·S；一氧化碳分析儀的測量原理為NDIR，測量量程為0～-0.5%，測量精度為±1%F·S。二氧化碳分析儀的測量原理為NDIR，測量量程為0～10%，測量精度為±1%F·S。

4 試驗結(jié)果及分析

無燃料的空氣校核試驗，其目的是校核冷態(tài)下取樣探針的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，測量空氣的氧氣含量，驗證取樣探針的安全性。有燃料的燃料校核試驗，其目的是校核熱態(tài)下取樣探針的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，測量燃燒產(chǎn)物，評估燃發(fā)器燃燒效率，驗證取樣探針的可適性。

4.1 空氣校核試驗

試驗前，將燃?xì)馊犹结槹惭b在穩(wěn)流段出口截面，探針出口連接暫沖式取樣系統(tǒng)。為減小測量誤差，采用真空泵將暫沖式取樣系統(tǒng)中的樣氣罐抽至接近真空狀態(tài)。壓力編號 p2、p4和 p6所對應(yīng)的樣氣罐初始壓力分別為3.27 kPa、3.21 kPa和4.24 kPa。試驗中，點(diǎn)火器不工作，調(diào)節(jié)燃發(fā)器空氣供給壓力為2.1 MPa，穩(wěn)定供給6 s，取樣時間為3 s。試驗的控制信號統(tǒng)一由燃發(fā)器試驗臺控制，試驗臺通過自動控制打開空氣供給閥門，基于設(shè)定時序提供24 V脈沖信號給暫沖式取樣系統(tǒng)，觸發(fā)暫沖式取樣系統(tǒng)控制燃?xì)馊犹结槍崿F(xiàn)取樣連鎖動作。通過暫沖式取樣系統(tǒng)將樣氣儲存至樣氣罐中，利用氧氣分析儀對暫存的樣氣進(jìn)行氧氣含量分析，并與理論值比對。

取樣開始與結(jié)束的時間點(diǎn)通過測試得到的取樣罐內(nèi)壓力變化作為判定依據(jù)，壓力開始升高表明取樣開始，壓力停止升高表示取樣結(jié)束。圖6給出了空氣校核試驗取樣系統(tǒng)采集控制時序。由圖可知：取樣開始時刻燃發(fā)器已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，取樣結(jié)束時刻仍在工作，整個取樣過程在燃發(fā)器有效工作范圍內(nèi)，取樣數(shù)據(jù)有效。在3 s取樣時間內(nèi)，樣氣罐內(nèi)壓力迅速增加，到停止爬升時取樣壓力約80 kPa，滿足順磁氧測量原理的氧氣分析儀的測試需求。

圖6 空氣校核試驗取樣系統(tǒng)采集控制時序Fig.6 Controlling sequence of sampling probe system in air verification experiment

表2給出了空氣校核試驗燃發(fā)器出口樣氣中氧氣的含量?？梢姌託庵醒鯕夂康捏w積百分?jǐn)?shù)與實際空氣中的理論值(22.01%)接近，3個測點(diǎn)的測量偏差分別為0.80%、0.27%、-0.18%，均在1%以內(nèi)。這說明，一方面樣氣罐初始狀態(tài)具有高真空度，有效減小了樣氣罐內(nèi)殘存空氣對測量結(jié)果的影響；另一方面表明燃發(fā)器出口流場較為均勻。

表2 空氣校核試驗燃發(fā)器出口組分測量結(jié)果Table 2 Measurement results of gas generator exit components in the air verification test

在空氣校核試驗中，成功獲取了2.1 MPa的超聲速流場中氧氣的含量，燃?xì)馊犹结樤诔曀?、?qiáng)沖擊環(huán)境中幾何結(jié)構(gòu)無異常，表明該探針具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和較強(qiáng)的耐壓、耐沖擊能力，燃?xì)馊犹结樤O(shè)計可靠。

4.2 燃料校核試驗

試驗前準(zhǔn)備工作與空氣校核試驗的相同，壓力編號 p2、p4和 p6所對應(yīng)的樣氣罐初始壓力分別為3.22 kPa、3.18 kPa和 3.73 kPa。試驗中，空壓機(jī)充氣，調(diào)節(jié)燃發(fā)器所需的空氣、氧氣的試驗壓力，以及酒精流量。燃發(fā)器工作時間約為5 s，燃?xì)馊訒r間為2 s。試驗的控制信號統(tǒng)一由燃發(fā)器試驗臺控制，試驗臺通過自動控制打開空氣供給閥門，基于設(shè)定時序提供24 V脈沖信號給暫沖式取樣系統(tǒng)，觸發(fā)暫沖式取樣系統(tǒng)控制燃?xì)馊犹结槍崿F(xiàn)取樣連鎖動作。通過暫沖式取樣系統(tǒng)將樣氣儲存至樣氣罐中，利用一氧化碳、二氧化碳紅外分析儀和氧氣分析儀對暫存的樣氣進(jìn)行組分分析。

圖7給出了燃料校核試驗取樣系統(tǒng)采集控制時序。由圖可知：整個取樣過程在燃發(fā)器有效工作范圍內(nèi)，取樣數(shù)據(jù)有效。樣氣罐內(nèi)壓力在104～154 kPa范圍內(nèi)，滿足取樣分析要求。試驗后檢查取樣探針無異常，換熱冷卻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足取樣要求，說明探針系統(tǒng)冷卻效果良好；取樣過程正常，驗證了取樣探針可用于燃燒狀態(tài)下燃發(fā)器出口取樣組分的測量。

圖7 燃料校核試驗取樣系統(tǒng)采集控制時序Fig.7 Controlling sequence of sampling probe system in fuel verification experiment

表3給出了燃料校核試驗中燃發(fā)器出口組分測量結(jié)果。由表可知：燃發(fā)器穩(wěn)定工作后，來流氧氣與酒精、空氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃?xì)馊犹结槼隹跍囟仍?33.15±10 K范圍，可有效避免所生成的碳?xì)浠衔锖偷趸锢淠⑽皆谌庸苈分?，減小測量誤差。補(bǔ)氧后氧氣的含量與后端發(fā)動機(jī)燃燒室組織燃燒的成功與否息息相關(guān)，利用氧氣分析儀得到燃燒后剩余的氧氣含量約為22%，測量結(jié)果表明燃發(fā)器出口流場的氧氣分布較均勻。燃燒產(chǎn)物中一氧化碳含量約為0.26%，二氧化碳含量約為2.00%。燃燒生成的一氧化碳含量較多，二氧化碳含量不高，基于全成分法估算燃發(fā)器的燃燒效率約為83%。燃發(fā)器效率偏低的原因，是燃發(fā)器燃燒不完全或酒精與空氣以非化學(xué)恰當(dāng)比混合，產(chǎn)生了大量的碳?xì)浠衔镅趸磻?yīng)的中間產(chǎn)物一氧化碳，也可能與燃發(fā)器的工況、油氣匹配等有關(guān)。

表3 燃料校核試驗燃發(fā)器出口組分測量結(jié)果Table 3 Measurement results of gas generator exit components in the fuel verification test

5 結(jié)論

基于超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗條件，以燃?xì)馊犹结樌碚摲治鰹榛A(chǔ)，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計和流場分析相結(jié)合的方法，完成了取樣探針的設(shè)計，并在燃發(fā)器出口超聲速環(huán)境下開展了試驗驗證，得到以下結(jié)論：

(1)空氣校核試驗測量的氧氣含量與理論值吻合，偏差小于1%。

(2)燃料校核試驗獲取了燃發(fā)器出口氧氣、一氧化碳、二氧化碳的含量，預(yù)估燃發(fā)器燃燒效率約為83%。

(3)利用燃?xì)馊犹结槼晒崿F(xiàn)了燃發(fā)器出口超聲速流場的燃?xì)馊?，對超聲速燃?xì)馊犹结樤O(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)將進(jìn)一步探索超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室出口超聲速流場的取樣研究，用以評估超燃沖壓發(fā)動機(jī)綜合性能。