燃燒室高溫燃油的密度變化特性及控制方法研究

王想義,張 磊,張若凌,蔣 勁

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000

0 引 言

作為吸氣式高超聲速飛行器的典型動(dòng)力裝置,超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種飛行馬赫數(shù)(Ma)大于5、以大氣中的氧氣作為氧化劑、能夠長時(shí)間運(yùn)行的推進(jìn)裝置。與其他飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)相比,超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有速度快、比沖高、航程遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)安全、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。美國和俄羅斯等航空航天大國都將超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究的重點(diǎn),并開展了大量的理論及試驗(yàn)研究工作[1-4]。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱防護(hù)技術(shù)是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。當(dāng)飛行速度為Ma＝6時(shí),來流氣體總溫超過1600 K,燃燒室內(nèi)燃燒氣流的溫度將高達(dá)2700 K,即使最先進(jìn)的材料也無法長時(shí)間承受如此高的溫度[5]。目前普遍認(rèn)為,飛行馬赫數(shù)高于5．5時(shí),長時(shí)間運(yùn)行的燃燒室可以采用主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)冷卻,即采用飛行器自身攜帶的碳?xì)淙加拖葘?duì)燃燒室壁面進(jìn)行主動(dòng)冷卻,然后再注入燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒[6-7]。主動(dòng)冷卻燃燒室的工作過程如圖1所示。

圖1 主動(dòng)冷卻燃燒室的工作過程示意Fig.1 The working process and active cooling of combustor

主動(dòng)冷卻燃燒室點(diǎn)火后,冷卻通道內(nèi)燃油溫度逐漸升高,最終達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。在起動(dòng)過程中,液體碳?xì)淙加土鬟^細(xì)小冷卻管道時(shí)會(huì)帶走熱量使燃燒室固壁得到冷卻,與此同時(shí)燃油溫度會(huì)逐漸升高。穩(wěn)定工作時(shí),冷卻通道出口燃油為高溫高壓(溫度＞900 K,壓力＞3 MPa)狀態(tài)[8-9],燃油物性顯著變化,增大了噴注控制的難度。

本文對(duì)燃燒室主動(dòng)冷卻通道內(nèi)的高溫高壓燃油的工作特性進(jìn)行分析,研究燃油密度的變化特性,設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)燃油密度大幅度變化的高溫高壓燃油噴注控制方法并開展燃燒室燃油噴注調(diào)控試驗(yàn)。通過計(jì)算和試驗(yàn)的對(duì)比,驗(yàn)證高溫燃油密度計(jì)算及測控方法的有效性。

1 高溫高壓燃油密度變化特性

主動(dòng)冷卻燃燒室典型燃油為RP-3航空煤油。采用碳?xì)浠衔镂镄杂?jì)算程序,得到燃油密度隨溫度和壓力的變化曲線如圖2所示。

圖2 RP-3密度隨溫度和壓力變化Fig.2 The density of RP-3 vs.temperature and pressure

由上圖可知,不同壓力下的燃油密度都會(huì)隨著溫度的升高而逐漸降低,在臨界溫度附近變化最為顯著。圖2采用的計(jì)算方法與文獻(xiàn)[8-11]相同。

由此可見,準(zhǔn)確掌握冷卻通道內(nèi)燃油溫度、壓力和密度等參數(shù),對(duì)于燃油測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要意義。燃油測控系統(tǒng)必須適應(yīng)燃油密度顯著變化的情況。當(dāng)燃油溫度極高、密度極小時(shí),必須合理設(shè)計(jì)燃油噴注壓力和噴孔面積。本文將利用圖2中的燃油溫度和壓力來確定燃油的密度。

2 燃油測控系統(tǒng)

燃燒室工作狀態(tài)控制的核心是燃油的輸送控制[12]。由于燃油溫度變化會(huì)引起燃油密度的劇烈變化,進(jìn)而引起噴注壓力的改變。如果燃油輸送控制不當(dāng),會(huì)嚴(yán)重影響燃燒室的正常工作。

在燃油噴注前,常溫燃油在通過燃燒室細(xì)小冷卻通道時(shí)帶走熱量,使燃燒室固壁得到冷卻。為滿足燃油正常輸送的要求,冷卻通道出口燃油壓力要求在其臨界值以上。當(dāng)溫度超過850 K時(shí),冷卻通道內(nèi)的燃油會(huì)發(fā)生裂解,生成大量分子量較小的碳?xì)浠衔?其物理和化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生巨大變化[10-11],嚴(yán)重影響燃油測控系統(tǒng)的正常工作。此外,合適的噴孔前燃油壓力(燃油噴注壓力)對(duì)燃燒室的正常點(diǎn)火燃燒非常重要。

為了同時(shí)適應(yīng)常溫燃油點(diǎn)火與高溫燃油穩(wěn)定工作兩種狀態(tài),燃油測控系統(tǒng)需要完成燃油溫度和壓力的測量,并能進(jìn)行燃油噴注壓力的合理控制。

典型的地面試驗(yàn)燃油測控系統(tǒng)如圖3所示。燃燒室參數(shù)測量系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)測控系統(tǒng)提供測量數(shù)據(jù),用于監(jiān)測燃燒室狀態(tài)并完成燃油噴注控制等功能,其關(guān)鍵參數(shù)就是燃油溫度和壓力。此外,采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證并改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)及分析方法。

圖3 燃油控制系統(tǒng)原理示意Fig.3 The principles of measurement and control for combustor

燃燒室參數(shù)測量系統(tǒng)需要確定合適的測點(diǎn)位置以及傳感器的量程和精度,并匹配傳感器與數(shù)據(jù)采集的接口。

K，α——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，本工程為中硬巖石，K取150，α取1.8。

2.1 燃油溫度與密度變化

為滿足燃燒室正常工作條件,燃油噴注壓力一般約為4 MPa。在主動(dòng)冷卻燃燒室工作過程中,燃油溫度會(huì)由常溫(約300 K)升高至約1000 K,由圖2可知,在不考慮裂解反應(yīng)的情況下,燃油密度會(huì)大幅下降。當(dāng)燃油流量一定時(shí),燃油密度降低會(huì)引起噴注壓力大幅升高。因此,在設(shè)計(jì)供油方案時(shí)需要掌握燃油的沿程溫度和壓力,合理配置燃油噴注面積,從而合理控制燃油壓力。

在主動(dòng)冷卻通道燃油工作的起始階段,燃油溫度低、密度高,所需的噴孔面積小;穩(wěn)定工作時(shí)燃油溫度高、密度低,所需噴孔面積大。因此,在控制噴注壓力時(shí),需要利用燃油溫度與密度變化的關(guān)系。

本文采用調(diào)節(jié)噴孔面積的方案控制高溫燃油的噴注壓力,即隨著燃油溫度的升高逐漸擴(kuò)大噴注面積,使噴注壓力滿足要求。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),燃油溫度基本維持恒定,噴注面積和噴注壓力也基本不再變化。

2.2 油壓調(diào)控方案

為實(shí)現(xiàn)高溫燃油噴注控制,需要完成兩方面工作:1)燃油物性預(yù)測,即燃油溫度、密度和壓力預(yù)測;2)燃油流量、噴注壓力、密度與噴孔面積的匹配,即滿足噴孔流量公式:

式中,為質(zhì)量流量,ζ為流量系數(shù),A為噴孔面積,ρ為密度,Δp為噴注壓差。

根據(jù)上式,當(dāng)燃油密度無變化,質(zhì)量流量和噴孔面積保持恒定時(shí),則噴注壓力維持不變;當(dāng)質(zhì)量流量恒定、燃油密度變化較大時(shí),如要維持噴注壓力基本不變,則噴孔面積需作較大調(diào)整。

燃油噴孔為限流孔,相當(dāng)于收斂通道,根據(jù)氣體壅塞的原理,超臨界燃油最大噴速只能是聲速。管路的當(dāng)量通徑比噴孔大,忽略三維效應(yīng)時(shí),高溫燃油的流動(dòng)可以簡化為變截面的一維等熵流,利用能量守恒以及等熵關(guān)系式[13],通過迭代計(jì)算,可以得到噴孔前燃油的靜溫、靜壓、密度以及噴速,并確定燃油流量和噴前壓力的關(guān)系。

能量守恒以及等熵關(guān)系式如下:

式中,h為焓,a為聲速,T為燃油溫度,p為燃油壓強(qiáng),s為熵,下標(biāo)t表示駐點(diǎn)。由于噴孔前燃油流速低,計(jì)算時(shí)可將噴孔前的燃油靜溫和靜壓作為總溫和總壓,并忽略噴孔前流速。

噴孔面積調(diào)節(jié)控制方案的理想狀態(tài)是噴孔面積無級(jí)調(diào)節(jié),本文采用三組噴孔面積調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)燃油輸送系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 噴孔面積調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意Fig.4 The regulating scheme of the area of fuel injection holes

針對(duì)某主動(dòng)冷卻燃燒室,進(jìn)行了噴孔面積調(diào)節(jié)燃油噴注的計(jì)算分析。采用RP-3航空煤油,利用式(1)～(3)以及圖2的曲線,經(jīng)代數(shù)迭代計(jì)算,使三組噴孔面積能夠同時(shí)滿足噴注和穩(wěn)定燃燒要求。

噴孔面積調(diào)節(jié)方案需要確定的關(guān)鍵參數(shù)是噴孔調(diào)節(jié)時(shí)刻,選擇不當(dāng)會(huì)使噴注壓力過低引起燃燒室熄火。利用圖2和式(1)～(3),借助碳?xì)淙加鸵痪S管道流動(dòng)計(jì)算軟件,當(dāng)噴孔面積確定后,燃油溫度達(dá)到一定值,就可以計(jì)算得出燃油噴注壓力和密度的變化值?；诖?在滿足燃油噴注壓力限制的條件下,進(jìn)行了一組計(jì)算,無量綱噴孔面積(總面積比初始面積)、無量綱噴注壓力(噴注壓力比初始?jí)毫?和燃油密度隨溫度變化曲線如圖5所示?？梢钥吹?隨著燃油溫度的升高,燃油密度大幅下降,必須合理調(diào)整燃油噴孔面積才能使燃油噴注壓力滿足要求。

由圖5可知,打開噴孔1時(shí)燃燒室點(diǎn)火;之后燃油溫度逐漸升高、密度逐漸降低,導(dǎo)致噴注壓力較高,為確保燃油噴注壓力滿足要求,當(dāng)燃油溫度達(dá)到一定值時(shí)需打開噴孔2;打開噴孔2后,燃油壓力降低至合理范圍,但燃油溫度還在繼續(xù)升高、密度繼續(xù)降低、噴注壓力繼續(xù)升高,為確保燃油噴注壓力滿足要求,當(dāng)燃油溫度達(dá)到另一值時(shí)需打開噴孔3。需要指出的是,在噴孔面積確定和滿足燃油噴注壓力限制的條件下,打開噴孔2和3的溫度是一個(gè)范圍。當(dāng)燃油溫度達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),燃油壓力也基本維持不變。

圖5 噴孔面積和燃油密度隨溫度變化Fig.5 The fuel injection area and density vs.temperature

根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)了地面試驗(yàn)燃油輸送及噴注控制系統(tǒng),如圖4所示。油溫傳感器采用K型熱電偶,測量精度±10 K,響應(yīng)時(shí)間約1 s。燃油壓力采用壓力傳感器進(jìn)行測量,量程0～10 MPa,測量精度±0．5%。

由于燃油工作溫度300～1000 K,溫度測量誤差對(duì)燃油輸送控制影響較小。溫度測量的延遲,會(huì)使噴注壓力調(diào)控略微滯后,實(shí)際工作中可以根據(jù)燃油噴注壓力調(diào)整開啟閥門對(duì)應(yīng)的油溫閾值。

不同的燃燒室,對(duì)噴孔的位置、噴注燃油流量和壓力的要求是不同的。利用本文的噴孔面積調(diào)節(jié)控制方案和計(jì)算方法,能夠開展各個(gè)噴孔的流量和壓力匹配設(shè)計(jì)。

3 高溫高壓燃油測控試驗(yàn)結(jié)果分析

在直連式燃燒試驗(yàn)平臺(tái)開展某主動(dòng)冷卻燃燒室的燃油噴注調(diào)控試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用燃油泵供油,流量控制精度約為±0．2%。試驗(yàn)中,燃油泵輸出流量保持不變。

為驗(yàn)證燃油測控方法和上節(jié)應(yīng)用的變截面一維等熵流假設(shè),測量了燃油噴注壓力和溫度。如圖6所示,試驗(yàn)流程為:1)設(shè)備吹冷空氣,同時(shí)打開冷卻燃油并進(jìn)行噴注;2)風(fēng)洞設(shè)備點(diǎn)火建立來流后,打開噴孔1,燃燒室點(diǎn)火工作;3)燃油溫度達(dá)到一定值,打開噴孔2;4)燃油溫度達(dá)到另一值,打開噴孔3;5)試驗(yàn)結(jié)束,關(guān)閉所有噴孔;6)風(fēng)洞設(shè)備吹冷空氣,然后進(jìn)入關(guān)閉程序。

圖6 主動(dòng)冷卻燃燒室啟動(dòng)過程試驗(yàn)流程Fig.6 The test procedure of starting process of actively cooled combustor

試驗(yàn)得到的燃油無量綱噴注壓力和溫度隨時(shí)間分布曲線如圖7所示。由圖可知,當(dāng)閥門1打開,燃燒室點(diǎn)火后,燃油溫度逐漸升高、燃油密度逐漸降低,導(dǎo)致噴注壓力逐漸升高。為合理控制燃油噴注壓力,打開閥門2。之后,燃油溫度繼續(xù)升高、燃油密度繼續(xù)降低,導(dǎo)致噴注壓力繼續(xù)升高,為合理控制燃油噴注壓力,打開閥門3。最后,燃油溫度和噴注壓力基本維持穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明,在燃油溫度大幅升高(密度大幅降低)的工作過程中,燃油噴注壓力滿足要求,燃油輸送及測控系統(tǒng)工作正常,燃燒室正常完成了啟動(dòng)過程。

圖7 燃油壓力和溫度曲線Fig.7 The fuel injection pressure and temperature

在求解高溫燃油通過噴孔的流動(dòng)時(shí),利用了流體通過變截面的一維等熵流動(dòng)假設(shè)(式(1)～(2))。采用一車數(shù)據(jù)來定量說明該假設(shè)的準(zhǔn)確性,如圖8所示。利用測得的燃油溫度和壓力,并結(jié)合圖2來確定燃油的密度。

圖8 燃油噴注壓力的試驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比Fig.8 The comparison of the injection pressure between test and calculation

由圖可知,在計(jì)算選擇的5個(gè)點(diǎn)處燃油密度由751 kg/m3逐漸降低至111 kg/m3(冷態(tài)時(shí)密度約為780kg/m3)。無量綱燃油噴注壓力的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果吻合較好,最大偏差7．0%。在約26．4 s處,受閥門突然開啟的影響(開啟時(shí)間約0．5 s),高溫燃油通過噴孔時(shí)產(chǎn)生一個(gè)突變點(diǎn)。在閥門開啟過程中實(shí)際噴孔面積不便確定,如果采用前文所述計(jì)算方法,視實(shí)際噴孔面積為閥門開啟后的噴孔面積,將產(chǎn)生很大誤差。

燃油噴注壓力和密度大幅變化過程與計(jì)算結(jié)果較為吻合,驗(yàn)證了高溫燃油密度計(jì)算方法和測控方法的有效性。

4 結(jié) 論

針對(duì)主動(dòng)冷卻通道內(nèi)燃油工作特性進(jìn)行了分析,給出了能夠適應(yīng)高溫燃油密度大幅度變化的噴注壓力調(diào)控方案。為確定燃油密度變化對(duì)調(diào)控方案的影響,在直連式燃燒試驗(yàn)平臺(tái)上開展了燃油噴注壓力調(diào)控試驗(yàn)。通過計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:

1)燃燒室主動(dòng)冷卻通道出口的燃油溫度大幅度升高使燃油密度大幅降低,需合理控制燃油噴注壓力以維持燃燒室正常工作;

2)噴孔面積調(diào)節(jié)方案能夠維持燃油測控系統(tǒng)正常工作,并解決了燃燒室在啟動(dòng)過程中的控制問題;

3)基于變截面的一維等熵流動(dòng)假設(shè)建立的高溫燃油噴注控制方法,得到的燃油壓力計(jì)算分析與試驗(yàn)結(jié)果偏差小于7%,驗(yàn)證了高溫燃油密度計(jì)算方法和測控方法的有效性。