超燃沖壓發(fā)動機燃燒室起動過程研究.pdf

1、超燃沖壓發(fā)動機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域，其比沖比火箭發(fā)動機更高，是高超聲速飛行具有廣闊前景的推進系統(tǒng)。應用于空天往返，導彈武器和商業(yè)運輸都將為該領域帶來重大革新。
　　低馬赫數(shù)下的超燃發(fā)動機燃燒室起動（點火）問題是目前該領域的主要難題之一。因低馬赫數(shù)(Ma4)下，來流的總溫低(900K)，燃燒室內靜溫低于燃料的自點火溫度，必須使用輔助點火措施，才能夠實現(xiàn)超燃發(fā)動機在低馬赫數(shù)下的成功起動。而低

2、馬赫數(shù)下點火難點主要有:(1)點火技術;(2)液態(tài)燃料霧化。本文將針對上述兩個問題，分別進行超燃發(fā)動機低總溫條件下的氣態(tài)乙烯點火技術研究和液態(tài)燃料霧化噴嘴研究。
　　針對超燃發(fā)動機燃燒室在低馬赫數(shù)下的點火問題，在脈沖燃燒風洞設備上進行了系列的試驗研究。試驗來流參數(shù)為總溫935K，總壓0.8Mpa，馬赫數(shù)2.1，試驗時間約220-250ms;試驗內容包括冷流流場特性試驗、冷流混合試驗、5種不同點火方式下的燃燒室點火試驗，發(fā)動機貧油極

3、限和富油極限試驗，發(fā)動機內注油位置優(yōu)化試驗等。
　　結合數(shù)值模擬和光學顯示，研究了不同凹槽構型下燃燒室的冷流流場特性。數(shù)值模擬和高速紋影測量結果顯示，凹槽深度18mm，長深比10.8的燃燒室流道內激波最強，流道內有明顯的附面層分離區(qū)，冷流阻力最大。長深比10和10.8的凹槽較長深比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，除凹槽內注油位置外，其他位置的燃料穿透深度不到5mm。凹槽上游和凹槽內注入的燃料大部分富集

4、在凹槽內。節(jié)流能夠顯著增加上壁面燃料的穿透深度，對燃料的混合和分布有較大改善（百分比）。對下壁面注入的燃料改善效果不明顯。
　　針對凹槽深度18mm，長深比10.8的發(fā)動機構型，研究了五種不同的輔助點火方式:火炬點火器輔助點火、氫氣自燃輔助點火、節(jié)流輔助點火、引導氫氣+火炬點火器輔助點火和節(jié)流+引導氫氣輔助點火。其中點火器或節(jié)流單獨輔助乙烯點火沒有成功。氫氣自燃輔助點火，點火器+引導氫氣輔助點火和節(jié)流+引導氫氣輔助點火三種點火方式

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

6、導氫氣輔助點火時，節(jié)流氣流量不小于發(fā)動機入口流量的10％，引導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，點火時間約60ms能夠可靠點火，節(jié)流位置靠前(745mm)，氫氣注油壓力低于5.0Mpa不能成功點火。
　　燃料從凹槽上游和凹槽內注入，測量得到的發(fā)動機貧油熄火極限接近，約為當量比0.08;富油工作極限差別較大，分別為當量比0.327和0.471;凹槽構型對點火方式的適應較為敏感，長深比為7的凹槽只能在

7、點火器+引導氫氣一種輔助點火方式下實現(xiàn)乙烯的成功點火;研究了低馬赫數(shù)下(Ma4)下的富油工作極限，凹槽上游和凹槽內燃料當量比不能超過0.2，主要燃料應分布在凹槽下游附近，離凹槽出口過遠，注入燃燒室的燃料難以被凹槽出口的高溫燃氣點燃，對發(fā)動機性能沒有貢獻。試驗研究找到了較為理想的5點注油方式，總當量比達到0.85，燃燒室推力為1401N，隔離段壓力擾動位置為352mm。利用一維燃燒室釋熱規(guī)律優(yōu)化方法，得到了當量比1.0下的4點注油位置分布

8、，通過二維數(shù)值模擬驗證發(fā)現(xiàn)，推力增加到1753N，將0.848當量比下的推力增加了25.1％，但隔離段壓力擾動位置97.6mm，抗反壓裕度下降。
　　借助高速攝影手段，研究了不同點火方式下，燃燒室內的點火和火焰?zhèn)鞑ミ^程。試驗發(fā)現(xiàn)，氫氣自燃輔助點火方式下，氫氣流量過大，大部分氫氣會直接突破剪切層，進入主流，不能發(fā)生自點火燃燒，因此應該控制氫氣流量。節(jié)流+引導氫氣輔助點火時，節(jié)流的時間過長，燃燒室內的壓力在乙烯注入后約20ms，擾動至

9、隔離段入口位置超過發(fā)動機的工作范圍。利用節(jié)流方式，在發(fā)動機中營造一定的燃燒室背壓，當燃燒室燃燒后壓力達到該壓力水平時，及時關閉節(jié)流，燃燒能夠維持，過早關閉節(jié)流可能導致點火失敗，節(jié)流時間過長，將導致燃燒室背壓過高，超出發(fā)動機工作范圍。因此在利用節(jié)流進行點火時，一方面要嚴格控制節(jié)流流量，另一方面要適時關閉節(jié)流。
　　自主設計和加工了液態(tài)燃料充氣霧化噴射試驗系統(tǒng)，試驗測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，試驗結