超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室起動(dòng)過(guò)程研究.pdf

1、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠利用大氣中的氧氣，不需自身攜帶氧化劑，因而在高超聲速飛行領(lǐng)域，其比沖比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更高，是高超聲速飛行具有廣闊前景的推進(jìn)系統(tǒng)。應(yīng)用于空天往返，導(dǎo)彈武器和商業(yè)運(yùn)輸都將為該領(lǐng)域帶來(lái)重大革新。
　　低馬赫數(shù)下的超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室起動(dòng)（點(diǎn)火）問(wèn)題是目前該領(lǐng)域的主要難題之一。因低馬赫數(shù)(Ma4)下，來(lái)流的總溫低(900K)，燃燒室內(nèi)靜溫低于燃料的自點(diǎn)火溫度，必須使用輔助點(diǎn)火措施，才能夠?qū)崿F(xiàn)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)在低馬赫數(shù)下的成功起動(dòng)。而低

2、馬赫數(shù)下點(diǎn)火難點(diǎn)主要有:(1)點(diǎn)火技術(shù);(2)液態(tài)燃料霧化。本文將針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，分別進(jìn)行超燃發(fā)動(dòng)機(jī)低總溫條件下的氣態(tài)乙烯點(diǎn)火技術(shù)研究和液態(tài)燃料霧化噴嘴研究。
　　針對(duì)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在低馬赫數(shù)下的點(diǎn)火問(wèn)題，在脈沖燃燒風(fēng)洞設(shè)備上進(jìn)行了系列的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)來(lái)流參數(shù)為總溫935K，總壓0.8Mpa，馬赫數(shù)2.1，試驗(yàn)時(shí)間約220-250ms;試驗(yàn)內(nèi)容包括冷流流場(chǎng)特性試驗(yàn)、冷流混合試驗(yàn)、5種不同點(diǎn)火方式下的燃燒室點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)貧油極

3、限和富油極限試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)注油位置優(yōu)化試驗(yàn)等。
　　結(jié)合數(shù)值模擬和光學(xué)顯示，研究了不同凹槽構(gòu)型下燃燒室的冷流流場(chǎng)特性。數(shù)值模擬和高速紋影測(cè)量結(jié)果顯示，凹槽深度18mm，長(zhǎng)深比10.8的燃燒室流道內(nèi)激波最強(qiáng)，流道內(nèi)有明顯的附面層分離區(qū)，冷流阻力最大。長(zhǎng)深比10和10.8的凹槽較長(zhǎng)深比7的凹槽阻力大接近一倍。燃料以垂直壁面噴射的方式注入燃燒室內(nèi)，除凹槽內(nèi)注油位置外，其他位置的燃料穿透深度不到5mm。凹槽上游和凹槽內(nèi)注入的燃料大部分富集

4、在凹槽內(nèi)。節(jié)流能夠顯著增加上壁面燃料的穿透深度，對(duì)燃料的混合和分布有較大改善（百分比）。對(duì)下壁面注入的燃料改善效果不明顯。
　　針對(duì)凹槽深度18mm，長(zhǎng)深比10.8的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，研究了五種不同的輔助點(diǎn)火方式:火炬點(diǎn)火器輔助點(diǎn)火、氫氣自燃輔助點(diǎn)火、節(jié)流輔助點(diǎn)火、引導(dǎo)氫氣+火炬點(diǎn)火器輔助點(diǎn)火和節(jié)流+引導(dǎo)氫氣輔助點(diǎn)火。其中點(diǎn)火器或節(jié)流單獨(dú)輔助乙烯點(diǎn)火沒(méi)有成功。氫氣自燃輔助點(diǎn)火，點(diǎn)火器+引導(dǎo)氫氣輔助點(diǎn)火和節(jié)流+引導(dǎo)氫氣輔助點(diǎn)火三種點(diǎn)火方式

5、能夠在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)乙烯的點(diǎn)火，乙烯單獨(dú)穩(wěn)定燃燒的時(shí)間超過(guò)100ms。0.43g/s-12.68g/s的氫氣從凹槽內(nèi)注入燃燒室能夠發(fā)生自燃，并作為引導(dǎo)火焰點(diǎn)燃乙烯，流量超過(guò)17.27g/s或從其他位置注入燃燒室，氫氣不會(huì)發(fā)生自點(diǎn)火燃燒;利用點(diǎn)火器+引導(dǎo)氫氣進(jìn)行輔助點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火參數(shù)范圍為:點(diǎn)火器的功能為點(diǎn)燃引導(dǎo)氫氣，功率不小于20kW，引導(dǎo)氫氣最低當(dāng)量比為0.05左右，注入時(shí)間大于50ms，點(diǎn)火時(shí)間不短于20ms即能可靠點(diǎn)火;利用節(jié)流+引

6、導(dǎo)氫氣輔助點(diǎn)火時(shí)，節(jié)流氣流量不小于發(fā)動(dòng)機(jī)入口流量的10％，引導(dǎo)氫氣注油壓力不低于5.0Mpa，節(jié)流位置在離隔離段入口875mm處，點(diǎn)火時(shí)間約60ms能夠可靠點(diǎn)火，節(jié)流位置靠前(745mm)，氫氣注油壓力低于5.0Mpa不能成功點(diǎn)火。
　　燃料從凹槽上游和凹槽內(nèi)注入，測(cè)量得到的發(fā)動(dòng)機(jī)貧油熄火極限接近，約為當(dāng)量比0.08;富油工作極限差別較大，分別為當(dāng)量比0.327和0.471;凹槽構(gòu)型對(duì)點(diǎn)火方式的適應(yīng)較為敏感，長(zhǎng)深比為7的凹槽只能在

7、點(diǎn)火器+引導(dǎo)氫氣一種輔助點(diǎn)火方式下實(shí)現(xiàn)乙烯的成功點(diǎn)火;研究了低馬赫數(shù)下(Ma4)下的富油工作極限，凹槽上游和凹槽內(nèi)燃料當(dāng)量比不能超過(guò)0.2，主要燃料應(yīng)分布在凹槽下游附近，離凹槽出口過(guò)遠(yuǎn)，注入燃燒室的燃料難以被凹槽出口的高溫燃?xì)恻c(diǎn)燃，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能沒(méi)有貢獻(xiàn)。試驗(yàn)研究找到了較為理想的5點(diǎn)注油方式，總當(dāng)量比達(dá)到0.85，燃燒室推力為1401N，隔離段壓力擾動(dòng)位置為352mm。利用一維燃燒室釋熱規(guī)律優(yōu)化方法，得到了當(dāng)量比1.0下的4點(diǎn)注油位置分布

8、，通過(guò)二維數(shù)值模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，推力增加到1753N，將0.848當(dāng)量比下的推力增加了25.1％，但隔離段壓力擾動(dòng)位置97.6mm，抗反壓裕度下降。
　　借助高速攝影手段，研究了不同點(diǎn)火方式下，燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氫氣自燃輔助點(diǎn)火方式下，氫氣流量過(guò)大，大部分氫氣會(huì)直接突破剪切層，進(jìn)入主流，不能發(fā)生自點(diǎn)火燃燒，因此應(yīng)該控制氫氣流量。節(jié)流+引導(dǎo)氫氣輔助點(diǎn)火時(shí)，節(jié)流的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，燃燒室內(nèi)的壓力在乙烯注入后約20ms，擾動(dòng)至

9、隔離段入口位置超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍。利用節(jié)流方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)中營(yíng)造一定的燃燒室背壓，當(dāng)燃燒室燃燒后壓力達(dá)到該壓力水平時(shí)，及時(shí)關(guān)閉節(jié)流，燃燒能夠維持，過(guò)早關(guān)閉節(jié)流可能導(dǎo)致點(diǎn)火失敗，節(jié)流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將導(dǎo)致燃燒室背壓過(guò)高，超出發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍。因此在利用節(jié)流進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)，一方面要嚴(yán)格控制節(jié)流流量，另一方面要適時(shí)關(guān)閉節(jié)流。
　　自主設(shè)計(jì)和加工了液態(tài)燃料充氣霧化噴射試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)量和比較了相同噴射壓力下，純液態(tài)噴射和霧化噴射的液滴霧化效果，試驗(yàn)結(jié)