暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張 杰，朱 濤，王 軍，蒙正猛，馮大強(qiáng)

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621000)

1 引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速飛行器可用動(dòng)力系統(tǒng)方案之一，其工作原理極其復(fù)雜，如何準(zhǔn)確評(píng)估其綜合性能是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制急需攻關(guān)的技術(shù)瓶頸。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)屬于暫沖式試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間短至幾秒，出口總溫卻高達(dá)3 000 K[1]。目前，國(guó)內(nèi)外評(píng)估超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的方法主要有：①數(shù)值計(jì)算法[2]，即基于數(shù)值仿真計(jì)算軟件，構(gòu)建仿真模型，簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，推算性能參數(shù)；②非接觸式測(cè)量法，即以可調(diào)二極管吸收光譜技術(shù)(TD?LAS)、平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)、紅外等非接觸式測(cè)量方式推算相關(guān)性能參數(shù)；③接觸式測(cè)量法，即直接測(cè)量出口總溫、沿程壁溫、組分等參數(shù)，推算發(fā)動(dòng)機(jī)推力、燃燒效率等核心參數(shù)。

數(shù)值計(jì)算法[3]基本上只采用有限速率化學(xué)反應(yīng)的燃燒動(dòng)力學(xué)機(jī)理，忽略湍流與燃燒的耦合作用，計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反饋超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，模型精度有待提高。TDLAS、PLIF、紅外等非接觸式測(cè)量法雖對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)無(wú)干擾，但系統(tǒng)復(fù)雜、測(cè)量環(huán)境苛刻、光學(xué)儀器受環(huán)境干擾大，測(cè)量精度需進(jìn)一步驗(yàn)證[4]。出口總溫測(cè)量面臨熱電偶耐高溫、抗沖擊、催化效應(yīng)、高溫校準(zhǔn)和計(jì)算修正等問(wèn)題[5]，其測(cè)量偏差高達(dá)5%。沿程壁溫測(cè)量忽略導(dǎo)熱，受測(cè)點(diǎn)布局和鋪設(shè)工藝的影響較大[6]。以上這幾種方法都不是優(yōu)選的、行之有效的、能解決測(cè)試超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的測(cè)量方法[7]。

組分測(cè)量法是利用取樣探針，獲取超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室出口能真實(shí)代表出口高溫流場(chǎng)的燃?xì)?，利用各種分析儀器(如總碳?xì)浞治鰞x、化學(xué)反光法分析儀、紅外分析儀或色譜儀等)分析所取燃?xì)庵懈鹘M分的體積分?jǐn)?shù)，基于全成分法和焓值守恒法，推算出超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒效率、出口總溫、油氣比和污染排放指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。該方法具備測(cè)量點(diǎn)多、響應(yīng)時(shí)間快、在線式取樣等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Colket等[8]利用氣體采樣系統(tǒng)測(cè)量燃燒中間產(chǎn)物，初步研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的組織燃燒過(guò)程。Mitani等[9]采用探針取樣-色譜分析的耦合技術(shù)手段，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上驗(yàn)證了探針取樣-色譜分析技術(shù)手段的有效性，初步利用組分測(cè)量法獲得了具有一定指導(dǎo)意義的燃燒效率。潘余等[10]設(shè)計(jì)了取樣探針系統(tǒng)，采用氣體取樣-色譜分析技術(shù)手段在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口進(jìn)行了取樣，通過(guò)CP3800色譜儀測(cè)量了所取燃?xì)庵蠧O、CO2和UHC等成分的含量。林然等[11]研發(fā)了一套探針取樣分析系統(tǒng)，得到了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)出口截面的燃燒效率分布。這些研究所涉及的取樣系統(tǒng)的取樣流量多為毫升量級(jí)，采用非在線式色譜或質(zhì)譜儀的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)組分測(cè)量與分析。

本文針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)、出口組分測(cè)量需求，設(shè)計(jì)了一套固定取樣罐的暫沖式取樣系統(tǒng)，通過(guò)精準(zhǔn)的時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)、出口組分的測(cè)量，為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室綜合性能評(píng)估提供了一種新的研究思路。

2 試驗(yàn)條件

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)直連式試驗(yàn)是將超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與燃?xì)獍l(fā)生器出口的噴管直接相連，噴管出口產(chǎn)生均勻、無(wú)激波超聲速氣流，其馬赫數(shù)與燃燒室入口馬赫數(shù)相等，其含氧量與無(wú)污染空氣相等，是一種研究超聲速氣流流場(chǎng)特性，燃料噴射、混合、點(diǎn)火、燃燒過(guò)程的試驗(yàn)方法[12]。其試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括空氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、酒精供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)生器、噴管、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

本文在噴管出口安裝測(cè)量段Ⅰ，并將測(cè)量段Ⅰ上安裝取樣探針的截面定義為測(cè)量截面Ⅰ；在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口安裝測(cè)量段Ⅱ，并將測(cè)量段Ⅱ上安裝取樣探針的截面定義為測(cè)量截面Ⅱ，如圖1所示?？諝夤┙o系統(tǒng)供給空氣，酒精供給系統(tǒng)供給酒精，氧氣供給系統(tǒng)供給氧氣。一定流量的空氣、酒精和氧氣在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)組織燃燒，燃燒后的高溫燃?xì)饨?jīng)噴管加速，在噴管出口處產(chǎn)生均勻超聲速氣流，并模擬設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)口狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在給定的進(jìn)口狀態(tài)條件下，與燃油供給系統(tǒng)給定的燃油一起在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)組織燃燒，以滿足試驗(yàn)測(cè)試條件。

圖1 系統(tǒng)原理及測(cè)量截面Fig.1 System principle and test sections

先獲取圖1中測(cè)量截面Ⅰ和測(cè)量截面Ⅱ的燃燒產(chǎn)物組分濃度，再基于全成分法和焓值守恒法得到表征超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室綜合性能的關(guān)鍵參數(shù)。測(cè)量截面參數(shù)及測(cè)量需求見(jiàn)表1。

表1 截面參數(shù)及測(cè)量需求Table 1 Cross section parameters and measurement requirements

受超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的影響，單次冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)間≯10.0 s，性能試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)間≯5.0 s。為實(shí)現(xiàn)測(cè)量截面的真實(shí)取樣，取樣有效時(shí)間控制在3.0 s內(nèi)。結(jié)合燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)的工作特性，由于在線式取樣分析工作時(shí)間≮60.0 s，故采用非在線式取樣方式，即將所取得的高溫燃?xì)鈺捍嬷梁銣厝庸拗?，再利用真空泵抽取技術(shù)手段進(jìn)行組分濃度測(cè)量。為滿足組分分析的最低流量需求，取樣流量應(yīng)不低于2 L/s。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)原理及組成

暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)基于管路時(shí)序控制技術(shù)，利用取樣探針獲取160±10℃的燃?xì)?，?jīng)保溫管保溫后將燃?xì)鈺捍嬖谌庸迌?nèi)，完成取樣過(guò)程。通過(guò)抽吸、稀釋、除水、干燥、過(guò)濾等一系列后處理，將處理后的燃?xì)鈱?dǎo)入氣體分析儀，測(cè)量各組分的體積分?jǐn)?shù)，推算出燃燒室的油氣比、出口溫度和燃燒效率等性能參數(shù)。

暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)分燃?xì)馊雍徒M分分析兩部分。燃?xì)馊釉砣鐖D2(a)所示，由取樣探針、取樣罐(A1～A6)、取樣管路(粉紅部分，含沿程閥門)、旁排管路(藍(lán)色部分，含沿程閥門)、公用管路(灰色部分，含真空泵B1)、真空泵(B1、B2)、保溫管(粉紅、藍(lán)色和灰色部分)、手動(dòng)針閥(H1～H3)、氣動(dòng)電磁閥(V1～V3)、壓力傳感器P、溫度傳感器T、測(cè)控系統(tǒng)等組成。燃?xì)饬髀酚膳耘殴苈?、取樣管路和公用管路三部分組成。旁排管路由持續(xù)工作的真空泵B1保證非試驗(yàn)取樣狀態(tài)時(shí)取樣罐前取樣管路的高真空條件(壓力≯10 Pa)，避免取樣流路中殘留空氣對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。每次取樣前，取樣管路均需對(duì)取樣罐進(jìn)行高真空度處理。公用管路為旁排管路和取樣管路公用部分，并在真空泵B1入口處監(jiān)測(cè)管路壓力。其中，從取樣探針出口到電磁閥V1入口的管段長(zhǎng)度S1為1.8 m，電磁閥V1出口到取樣罐入口的管段長(zhǎng)度S2為1.2 m，手動(dòng)針閥H2到電磁閥V2入口的管段長(zhǎng)度S3為1.0 m，電磁閥V3出口到真空泵B1入口的管段長(zhǎng)S4為4.0 m。取樣管路長(zhǎng)度為3.0 m(S1+S2)，旁排管路和公用管路長(zhǎng)度合計(jì)6.8 m(S1+S3+S4)。組分分析原理如圖2(b)所示，由取樣罐、手動(dòng)針閥、分析管路(粉紅部分)、真空泵B2、減壓閥、預(yù)處理系統(tǒng)、氣體分析儀(測(cè)量CO2、CO和O2)等組成，操作流程按HB 6117-1987[13]執(zhí)行。

圖2 暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of intermittent gas sampling system

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取樣探針采用了結(jié)構(gòu)與性能相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。取樣探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括取樣頭部、測(cè)點(diǎn)分布、傳熱計(jì)算、強(qiáng)度校核等。性能計(jì)算主要對(duì)所設(shè)計(jì)的取樣探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響。取樣探針設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 取樣探針設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 2 The design specifications of the sampling probe

取樣流量設(shè)定為2 L/s，取樣小孔直徑取0.5 mm，測(cè)點(diǎn)密度為0.15點(diǎn)/cm2。探針結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。探針頭部外形采用30°前緣楔形結(jié)構(gòu)，取樣流道采用10°和36°兩級(jí)擴(kuò)張，擴(kuò)張段區(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)增大到4.8左右，靜溫最低至350 K以下，滿足對(duì)化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)的需求。探針使用GH3039材料加工，探針出口布置溫度和壓力安裝座用以監(jiān)測(cè)燃?xì)獾臏囟群蛪毫?。取樣探針殼體采用普通自來(lái)水的冷卻方式冷卻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果滿足剛度＜1.5%、靜強(qiáng)度安全系數(shù)＞1.25的要求[14]。

圖3 取樣探針結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Sketch of the sampling probe structure

3.3 系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)及附件選型

系統(tǒng)管路材料均選擇外徑為6.0 mm、內(nèi)徑為4.0 mm的不銹鋼管，采用快速卡套式接頭連接。根據(jù)上述管路長(zhǎng)度，計(jì)算得到取樣段管路的容積為0.037 L，取樣時(shí)間為0.018 5 s；抽負(fù)段管路的容積為0.084 L，取樣時(shí)間為0.041 9 s?？梢?jiàn)，取樣時(shí)間均遠(yuǎn)小于3.0 s，燃?xì)饬鹘?jīng)取樣系統(tǒng)的時(shí)間均可近似忽略不計(jì)，只考慮取樣罐的填充時(shí)間。

綜合考慮燃?xì)鈴娜庸薜綒怏w分析儀的響應(yīng)時(shí)間約40.0 s，預(yù)處理系統(tǒng)管路長(zhǎng)度約5.0 m，每臺(tái)分析儀器的最低流量為8.3×10-3L/s@200 kPa，燃?xì)饪偭髁啃枨鬄?.5×10-2L/s@200 kPa。

真空泵B1的主要功能是保持足夠的抽氣速率，以減少取樣過(guò)程和抽負(fù)過(guò)程中管路內(nèi)原有氣體的干擾。真空泵B2的主要功能是當(dāng)取樣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫Φ陀诜治鰞x器正常工作所需的最低壓力200 kPa時(shí)，通過(guò)帶加熱的保溫抽吸，滿足氣體分析儀的成分分析過(guò)程。真空泵優(yōu)選電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的薄膜真空泵，型號(hào)為KNF N036 ST.26E，最大抽氣速率為0.5 L/s，泵后最大壓力為600 kPa，滿足本文試驗(yàn)要求的抽氣速率0.084 L/s和最低壓力200 kPa。在資源有限的情況下，兩臺(tái)真空泵可公用。

電磁閥是保證準(zhǔn)確快速取樣的重要控制元件。選擇Swagelok SS-62PS6MM-31DHT電磁閥，實(shí)現(xiàn)取樣管路的快速開(kāi)關(guān)。

氣體分析儀包括CO、CO2、O2氣體分析儀，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 氣體分析儀技術(shù)指標(biāo)Table 3 Gas analyzer specifications

3.4 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)集閥門控制、數(shù)據(jù)采集和性能參數(shù)計(jì)算于一體，包括采集單元和控制單元。采集單元采集包括分析儀器輸出的4～20 mA信號(hào)、試驗(yàn)臺(tái)架的溫度和壓力等、取樣罐中燃?xì)獾膲毫蜏囟鹊?；控制單元包括保溫?60℃的溫度控制、真空泵開(kāi)關(guān)、電磁閥開(kāi)關(guān)等。測(cè)控系統(tǒng)原理見(jiàn)圖4。

測(cè)控系統(tǒng)采用采集速率和穩(wěn)定性高的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。試驗(yàn)前，通過(guò)控制單元控制保溫管加熱保溫至160℃；取樣試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，由試驗(yàn)指揮系統(tǒng)給予暫沖式取樣系統(tǒng)24～30 V啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，PLC識(shí)別、接收觸發(fā)信號(hào)后觸發(fā)時(shí)序控制中的電磁閥開(kāi)關(guān)完成自動(dòng)取樣；組分分析時(shí)，控制PLC實(shí)現(xiàn)真空泵B2的開(kāi)關(guān)，記錄分析儀器輸出組分的體積百分?jǐn)?shù)。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of test control system

為保證獲取合適的取樣流量，消除試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定前取樣管路內(nèi)的非有效取樣氣體對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，需要設(shè)計(jì)暫沖式取樣系統(tǒng)與燃?xì)獍l(fā)生器或發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)相匹配的控制方案，來(lái)保證整個(gè)取樣過(guò)程處于燃?xì)獍l(fā)生器或發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作時(shí)間內(nèi)。試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，控制PLC系統(tǒng)關(guān)閉電磁閥V1、V3和手動(dòng)針閥H3，打開(kāi)電磁閥V2和手動(dòng)針閥H1、H2，對(duì)取樣罐抽真空，檢測(cè)真空泵B1入口處壓力p和取樣罐內(nèi)壓力pi(i對(duì)應(yīng)每個(gè)取樣罐)，使得取樣罐中壓力臨近真空(最低可至0.34 kPa)，再關(guān)閉電磁閥V2和手動(dòng)針閥H2，完成抽負(fù)過(guò)程。待5 min后，觀察取樣罐中壓力是否發(fā)生變化，若壓力未發(fā)生變化，則抽負(fù)過(guò)程結(jié)束；若壓力發(fā)生變化，檢查并處理取樣管路，重新抽負(fù)，直至取樣罐壓力不變。

試驗(yàn)開(kāi)始前，關(guān)閉電磁閥V1、V2和手動(dòng)針閥H2，打開(kāi)電磁閥V3和手動(dòng)針閥H3，取樣罐處于待取樣狀態(tài)，通過(guò)旁排管路(圖2(a)中藍(lán)色部分)和公共管路(圖2(a)中灰色部分)對(duì)取樣探針持續(xù)抽負(fù)。當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)給予24～30 V觸發(fā)信號(hào)后，繼續(xù)對(duì)旁排管路抽負(fù)；當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器或發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒時(shí)，關(guān)閉電磁閥V2和V3，打開(kāi)電磁閥V1，進(jìn)行取樣，取樣時(shí)間根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定。受取樣管路影響，試驗(yàn)結(jié)束后管路內(nèi)還有燃?xì)?，取樣時(shí)間可略作延遲。

完成取樣后，打開(kāi)電磁閥V3，關(guān)閉電磁閥V1和V2，對(duì)旁排管路進(jìn)行抽負(fù)。待試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉手動(dòng)針閥H1和H2，取下取樣罐，連接真空泵B2、預(yù)處理系統(tǒng)和氣體分析儀，按取樣壓力選擇減壓管路或真空泵B2管路，按燃?xì)夥治鲆?guī)程完成燃?xì)夥治觥?/p>

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)

為考核暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)性能，取Proble-2流路開(kāi)展調(diào)試試驗(yàn)。取樣測(cè)點(diǎn)與測(cè)量通道如表4所示。調(diào)試前按原理圖連接系統(tǒng)管路，取樣管路前端連接取樣探針并置于大氣環(huán)境，取樣罐抽真空至壓力約3.27 kPa，取樣時(shí)間設(shè)定為3.0 s。取樣開(kāi)始與結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)通過(guò)測(cè)試的取樣罐內(nèi)壓力變化作為判定依據(jù)，壓力開(kāi)始升高表明取樣開(kāi)始，壓力停止升高表示取樣結(jié)束。

表4 取樣測(cè)點(diǎn)與測(cè)量通道Table 4 Sample measurement points and measurement channels

調(diào)試過(guò)程測(cè)試參數(shù)變化曲線如圖5所示。由圖可知，8.8 s時(shí)刻觸發(fā)取樣信號(hào)，電磁閥V1開(kāi)啟，電磁閥V3關(guān)閉，取樣罐內(nèi)壓力立刻上升；11.8 s時(shí)刻電磁閥V1關(guān)閉，取樣罐內(nèi)壓力升高到最高點(diǎn)。整個(gè)取樣時(shí)間為3.0 s，取樣時(shí)間有效；壓力信號(hào)采集平穩(wěn)，電磁閥精準(zhǔn)控制，控制信號(hào)反應(yīng)靈敏。這說(shuō)明暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)性能可靠，能滿足暫沖式測(cè)試要求。

圖5 調(diào)試試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)變化曲線Fig.5 Commissioning test parameter change curve

取樣結(jié)束時(shí)刻，取樣罐內(nèi)的燃?xì)庠谌庸薜膲毫ξ脚c自身重力的綜合影響下仍保持流動(dòng)性，燃?xì)獾姆肿娱g不停地作無(wú)規(guī)則、隨機(jī)、混雜的熱運(yùn)動(dòng)，取樣罐內(nèi)處于熱不平衡狀態(tài)，壓力升高。直至取樣罐內(nèi)燃?xì)膺_(dá)到熱力平衡狀態(tài)，取樣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫Σ艜?huì)略有降低直至穩(wěn)定，符合氣體熱力學(xué)變化規(guī)律。

4.2 燃?xì)獍l(fā)生器取樣試驗(yàn)驗(yàn)證

燃?xì)獍l(fā)生器取樣試驗(yàn)過(guò)程僅燃?xì)獍l(fā)生器工作，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室不點(diǎn)火。試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)空氣、氧氣的試驗(yàn)壓力，匹配試驗(yàn)所需的酒精流量。將六點(diǎn)取樣探針安裝至測(cè)量截面Ⅰ，取樣測(cè)點(diǎn)與測(cè)量通道如表4所示。旁排管路抽負(fù)時(shí)間設(shè)為14.0 s，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)為5.5 s。由試驗(yàn)臺(tái)架控制暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)聯(lián)動(dòng)，完成燃?xì)獍l(fā)生器取樣試驗(yàn)。

取樣過(guò)程各測(cè)試參數(shù)變化曲線如圖6所示。從圖中可知，12.0 s時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火成功，測(cè)量截面壁面靜壓開(kāi)始急劇上升；13.8 s時(shí)刻暫沖式取樣系統(tǒng)觸發(fā)取樣信號(hào)，電磁閥V1開(kāi)啟，電磁閥V3關(guān)閉，取樣罐內(nèi)壓力立刻上升；15.8 s時(shí)刻電磁閥V1關(guān)閉，取樣結(jié)束，取樣罐內(nèi)壓力升高到最高點(diǎn)；17.5 s時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)生器熄火，試驗(yàn)結(jié)束。取樣開(kāi)始時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)生器已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，取樣結(jié)束時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)生器仍在工作，整個(gè)取樣過(guò)程在燃?xì)獍l(fā)生器有效工作范圍內(nèi)，壓力信號(hào)采集平穩(wěn)，取樣有效。

圖6 燃?xì)獍l(fā)生器取樣試驗(yàn)取樣過(guò)程各測(cè)試參數(shù)的變化曲線Fig.6 Changes in test parameters of sampling process in gas generator sampling test

暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)的取樣時(shí)間為2.0 s，取樣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫s為104～127 kPa，測(cè)點(diǎn)間取樣壓力不均勻。其原因有：燃?xì)獍l(fā)生器自身流場(chǎng)不均勻；超聲速流場(chǎng)內(nèi)安裝的取樣探針會(huì)造成流場(chǎng)干擾，可能會(huì)在取樣探針前沿產(chǎn)生脫體激波；取樣探針的加工精度也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定影響。由于取樣探針取樣時(shí)各測(cè)點(diǎn)間獨(dú)立進(jìn)樣，即使各取樣罐內(nèi)的壓力有所差別，但在滿足氣體分析儀器最低流量的情況下，取樣壓力不均勻?qū)y(cè)量結(jié)果無(wú)明顯影響。

將存有燃?xì)獾娜庸抟来芜B接真空泵B2、預(yù)處理系統(tǒng)和氣體分析儀，測(cè)量燃?xì)獍l(fā)生器出口測(cè)量截面組分，結(jié)果見(jiàn)表5。燃?xì)獍l(fā)生器穩(wěn)定工作后，來(lái)流空氣、過(guò)量氧氣與燃料酒精發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃燒產(chǎn)物中O2含量約為22%，CO含量約為0.2%，CO2含量約為2.0%。通過(guò)所測(cè)得的O2分布趨勢(shì)可以看出，燃?xì)獍l(fā)生器油氣分布較一致，燃?xì)獍l(fā)生器出口流場(chǎng)較均勻。而燃燒生成的CO含量較多，CO2含量不高，預(yù)估燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒效率偏低，與燃?xì)獍l(fā)生器的工況、組織燃燒等有關(guān)。

表5 燃?xì)獍l(fā)生器出口測(cè)試截面組分測(cè)量結(jié)果Table 5 Component measurement results of gas generator outlet test corss-section

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室取樣試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室取樣試驗(yàn)中，燃?xì)獍l(fā)生器提前啟動(dòng)，待穩(wěn)定工作后發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火。試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器所需的空氣、氧氣壓力，匹配酒精流量，預(yù)先調(diào)節(jié)好發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃油流量。將六點(diǎn)取樣探針安裝至測(cè)量截面Ⅱ，取樣測(cè)點(diǎn)與測(cè)量通道如表4所示。將旁排管路抽負(fù)時(shí)間改為14.1 s，試驗(yàn)時(shí)間1.4 s。由試驗(yàn)臺(tái)架控制燃?xì)獍l(fā)生器、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)三者聯(lián)動(dòng)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室取樣試驗(yàn)。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室取樣試驗(yàn)取樣過(guò)程各測(cè)試參數(shù)變化Fig.7 Changes in test parameters of sampling process in engine combustor sampling test

取樣過(guò)程測(cè)試參數(shù)變化曲線如圖7所示。從圖中可知，14.0 s時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室點(diǎn)火成功，測(cè)量截面壁面靜壓開(kāi)始急劇上升；14.1 s時(shí)刻暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)觸發(fā)取樣信號(hào)，電磁閥V1開(kāi)啟、電磁閥V3關(guān)閉，取樣罐內(nèi)壓力立刻上升；15.3 s時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)生器熄火，試驗(yàn)結(jié)束；15.5 s時(shí)刻電磁閥V1關(guān)閉，取樣結(jié)束，取樣罐內(nèi)壓力升高到最高點(diǎn)。取樣開(kāi)始時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，取樣結(jié)束時(shí)刻晚于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室0.1 s結(jié)束?？紤]到取樣管路充滿了燃?xì)?、燃?xì)馕⒘］^好的跟隨性、取樣罐內(nèi)壓力為負(fù)壓等因素，滯后0.1 s內(nèi)所抽取的燃?xì)馊詾橛行託猓凑麄€(gè)取樣過(guò)程取樣有效。

暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)的取樣時(shí)間為1.4 s，取樣罐內(nèi)燃?xì)鈮毫?9.59～55.76 kPa，測(cè)點(diǎn)間取樣壓力分布較均勻。將存有燃?xì)獾娜庸抟来芜B接真空泵B2、預(yù)處理系統(tǒng)和氣體分析儀，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口組分，結(jié)果見(jiàn)表6。燃?xì)獍l(fā)生器穩(wěn)定工作所生成的燃燒產(chǎn)物繼續(xù)與燃料航空煤油在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃燒產(chǎn)物中O2含量約為8%，CO含量約為2%，CO2含量約為10%。通過(guò)所剩余的O2含量，推算燃燒室油氣分布偏差≯5%，采用理論溫升法推算燃燒室出口溫度約為2 121 K。燃燒室生成的CO2含量高，但因未對(duì)UHC和NOx組分進(jìn)行測(cè)量，暫無(wú)法定量評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒效率。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口測(cè)試截面組分測(cè)量結(jié)果Table 6 Component measurement results of combustor outlet test cross-section

5 結(jié)論

針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室綜合性能測(cè)試的需求，基于組分測(cè)量法設(shè)計(jì)了一套適用于超聲速流場(chǎng)取樣測(cè)量的暫沖式燃?xì)馊酉到y(tǒng)，并開(kāi)展了調(diào)試試驗(yàn)以及燃?xì)獍l(fā)生器和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，取樣系統(tǒng)壓力信號(hào)采集平穩(wěn)，電磁閥控制精準(zhǔn)，控制信號(hào)反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)性能可靠，滿足超聲速流場(chǎng)取樣測(cè)試要求。利用測(cè)試獲得的組分分析結(jié)果，采用理論溫升法推算燃燒室出口溫度約為2 121 K。本研究為評(píng)估超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能提供了新的研究思路。