液體碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)研究

液體碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)研究

1引導(dǎo)氫輔助下的液體碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火燃燒與穩(wěn)定燃燒液體碳?xì)淙剂系娜紵夹g(shù)是先進(jìn)的壓裂機(jī)技術(shù)之一，也是先進(jìn)壓裂機(jī)直連式試驗(yàn)的主要內(nèi)容之一。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低飛行馬赫數(shù)時(shí)(Ma=4),燃燒室內(nèi)氣流總溫較低(T0≈900K),燃料化學(xué)反應(yīng)延遲時(shí)間較長(zhǎng),據(jù)RoutovskyVB的研究,1000K,0.1MPa條件下的煤油點(diǎn)火滯后時(shí)間約為100ms。此外,液體碳?xì)淙剂线€需要經(jīng)歷液滴破碎、霧化、蒸發(fā)、混合等一系列物理過(guò)程,造成燃料總的著火延遲時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在燃燒室內(nèi)的駐留時(shí)間(幾毫秒),所以要在有限長(zhǎng)度的燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的點(diǎn)火、火焰?zhèn)鞑?、火焰維持及穩(wěn)定燃燒等過(guò)程十分困難,必須采取特殊措施,為此國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多研究。目前大部分超燃發(fā)動(dòng)機(jī)均采用小流量氫氣引導(dǎo)火焰進(jìn)行點(diǎn)火與維持燃燒,因?yàn)闅錃庖龑?dǎo)火焰產(chǎn)生的高溫、多自由基環(huán)境可以加速液體碳?xì)淙剂系闹鸩⒃鰪?qiáng)燃燒。Bonghi等人進(jìn)行了氫引導(dǎo)火焰促進(jìn)甲苯的超聲速燃燒研究,在來(lái)流馬赫數(shù)2.5,總溫分別為300K和1000K條件下實(shí)現(xiàn)了超聲速燃燒。結(jié)果表明,由于液態(tài)碳?xì)淙剂蠈?duì)于氫引導(dǎo)火焰具有冷卻作用,獲得穩(wěn)定火焰的液態(tài)燃料流量受到限制,噴入大量的液體甲苯會(huì)淬熄引導(dǎo)氫火焰,使得燃燒不穩(wěn)定;如果將燃燒室工作溫度提高,或者引導(dǎo)氫當(dāng)量比增大,則燃燒將會(huì)變得更加穩(wěn)定。Segal等人研究了來(lái)流馬赫數(shù)1.8,總溫600～1000K,引導(dǎo)氫點(diǎn)火、不同凹腔火焰穩(wěn)定器條件下煤油的燃燒性能,結(jié)果表明:凹腔內(nèi)部為燃料與空氣混合最好的區(qū)域,燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)烈地受來(lái)流空氣總溫與當(dāng)?shù)赜蜌獗扔绊?噴油較多會(huì)淬熄火焰。賀偉等人使用煤油燃料,在總溫1000K試驗(yàn)條件下以氫氣為先鋒火焰,使用凹槽結(jié)構(gòu)和火花塞等輔助點(diǎn)火手段,實(shí)現(xiàn)了煤油的點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。以上研究結(jié)果雖然都實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)氫輔助下的液體碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒,但是沒(méi)有詳細(xì)研究具體的著火和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程,而且試驗(yàn)最終也沒(méi)能實(shí)現(xiàn)煤油的自持燃燒。本文采用引導(dǎo)氫+火花塞的點(diǎn)火方式,對(duì)不同燃料噴射方式、不同點(diǎn)火位置、不同燃料當(dāng)量比(ER)條件下煤油(室溫條件)的點(diǎn)火、火焰?zhèn)鞑ヒ约皩?shí)現(xiàn)自持燃燒的過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。2試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨冈囼?yàn)是在超燃發(fā)動(dòng)機(jī)直連式試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的(圖1),整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括高壓氣源、配氣系統(tǒng)、空氣加熱器、模型發(fā)動(dòng)機(jī)以及測(cè)控系統(tǒng)等部分組成,其中加熱器采用酒精、氣氧、空氣三種組元作為工質(zhì),以燃燒加熱方式模擬飛行馬赫數(shù)Ma=4,飛行高度H=20km,飛行動(dòng)壓p=62kPa條件下的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道出口對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)。加熱器噴管出口氣流中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.4%,N2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69.7%,H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6%,CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%,出口馬赫數(shù)Ma=1.92,總壓p0=500kPa(表壓),總溫T0=846K。圖2是試驗(yàn)中主要參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖,其中加熱器室壓(總壓)p0比較平穩(wěn),并且達(dá)到理論設(shè)計(jì)值?？倻販y(cè)量熱電偶位于加熱器噴管入口之前,且與流動(dòng)方向垂直,由于加熱器內(nèi)流場(chǎng)脈動(dòng)較大,溫度測(cè)量值變化比較劇烈,但在加熱器工作期間(T=2.4～6.8s),總溫主要在800～900K之間波動(dòng),其均值比較接近理論設(shè)計(jì)溫度。另外煤油流量(MK/MKref)、引導(dǎo)氫流量(MH2/MHref)較為平穩(wěn),其中引導(dǎo)氫關(guān)閉時(shí)其流量曲線變化緩慢,這是因?yàn)樗捎玫臏u輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)在閥門關(guān)閉后不能及時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng),從而出現(xiàn)關(guān)閥后效的虛假數(shù)據(jù),但從引導(dǎo)氫噴前壓力曲線(pH2/pref)可以看出氫流量在閥門關(guān)閉后瞬間降低為0。各次試驗(yàn)加熱器工況重復(fù)性較好,總壓與設(shè)計(jì)室壓偏差小于5%,總溫均值與設(shè)計(jì)總溫偏差小于40K。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)為1790mm,燃燒室入口尺寸為54.5mm×75mm,總擴(kuò)張比為2.26,共分隔離段、燃燒室、燃燒室擴(kuò)張段三部分。為實(shí)現(xiàn)煤油多點(diǎn)噴射,從而實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)分布式加熱,燃燒室安裝6個(gè)凹腔一體化火焰穩(wěn)定器,其中擴(kuò)張面上4個(gè),沿流向分別記為L(zhǎng)1#,L2#,L3#,和L4#,平直底面上2個(gè),分別記為R1#和R2#。凹腔一體化火焰穩(wěn)定器如圖1所示,其凹腔上游設(shè)有一個(gè)直徑3mm的氫噴孔以及4個(gè)直徑0.5mm的煤油噴孔,凹腔長(zhǎng)深比L/D=7,后緣斜坡角度為45°,底部設(shè)有一個(gè)火花塞安裝位置。試驗(yàn)采用火花塞+引導(dǎo)氫在單一位置處的點(diǎn)火方式,這樣可以簡(jiǎn)化點(diǎn)火裝置系統(tǒng),降低多位置點(diǎn)火方式下的相互協(xié)調(diào)、相互干擾問(wèn)題。為了解超聲速氣流中的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程,試驗(yàn)采用PhotronFASTCAM-ultimaAPX高速數(shù)字?jǐn)z影儀進(jìn)行流場(chǎng)可視化研究。為對(duì)比不同燃料噴射方式、不同點(diǎn)火位置、不同燃料當(dāng)量比對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響,進(jìn)行了如圖3所示的點(diǎn)火過(guò)程試驗(yàn)。圖中V1～V5分別代表隔離段入口、L2#凹腔內(nèi)、L3#凹腔內(nèi)、L4#凹腔上游以及R1#凹腔內(nèi)的壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)?！啊觥?、“●”、“▼”等符號(hào)分別代表各次試驗(yàn)燃料噴射及點(diǎn)火位置。試驗(yàn)時(shí)序如下(參考圖2):首先是加熱器啟動(dòng)→待工作平穩(wěn)后,火花塞通電→開(kāi)氫氣閥門→開(kāi)煤油閥門,同時(shí)關(guān)閉火花塞電源→氫氣噴射0.8s后關(guān)閉閥門→煤油繼續(xù)噴射1.5s后關(guān)閉→加熱器0.6s后關(guān)閉,整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1火焰沿壁面回流傳播圖4是燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的高速攝影照片(2000幀/s,所選每幅圖片拍攝間隔為1.0ms)。在圖4(a)中,點(diǎn)火位置位于凹腔下游,從圖中可以看出,火焰能夠逆流向上傳播。根據(jù)經(jīng)典燃燒理論,爆燃波的傳播速度不會(huì)超過(guò)聲速,試驗(yàn)中火焰逆?zhèn)鞯脑蚴侨紵c邊界層相互作用的結(jié)果。首先點(diǎn)火區(qū)域?qū)崿F(xiàn)著火后,燃燒產(chǎn)生的逆壓梯度使邊界層發(fā)生分離,隨著邊界層向上游發(fā)展,不斷地為上游燃料創(chuàng)造低速、高溫的有利點(diǎn)火條件,這種正反饋機(jī)制使得火焰能夠沿壁面逆流傳播。圖4(b)中的點(diǎn)火位置在凹腔上游,著火后產(chǎn)生的高溫、高活性的燃?xì)忭樍飨蛳乱剂讼掠蚊河?引燃后的煤油在凹腔回流區(qū)內(nèi)駐定后,火焰繼續(xù)向下游及主流擴(kuò)散?？梢?jiàn)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)火焰逆流或順流傳播現(xiàn)象都有可能存在。3.2no.3試驗(yàn)結(jié)果表1中No.1、No.2與No.3次試驗(yàn)為火焰逆?zhèn)鞯狞c(diǎn)火與燃燒試驗(yàn),在No.1次試驗(yàn)中,點(diǎn)火區(qū)域位于燃燒室下游(R2#內(nèi)),上游煤油噴射位置相對(duì)集中(L2#,L3#,R1#)。為了增強(qiáng)點(diǎn)火初始階段燃燒室內(nèi)的壅塞程度,提高燃料或者初始火團(tuán)的穿透度,特意在L2#與R1#凹腔上游噴射了引導(dǎo)氫。有了氫氣的助燃、R1#噴射的煤油在流經(jīng)R2#時(shí)很容易被引燃并可能實(shí)現(xiàn)火焰逆?zhèn)?。若火焰?zhèn)鞑ブ罵1#處,由于該段噴油比較密集,加上L2#引導(dǎo)氫的助燃,L2#與L3#噴射的煤油也可能被點(diǎn)燃。圖5是各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可知:噴氫階段,燃燒室內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火、火焰逆流傳播并維持的過(guò)程,其中L2#凹腔內(nèi)(V2)出現(xiàn)較為明顯的壓強(qiáng)脈動(dòng),反映出該凹腔內(nèi)出現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,而其下游如L3#(V3)、R1#凹腔內(nèi)(V5)壓強(qiáng)曲線比較平滑。造成燃燒不穩(wěn)定的因素與煤油自身燃燒特性有關(guān),因?yàn)樘細(xì)淙剂吓c氫燃料的燃燒過(guò)程不相同,氫燃料的反應(yīng)強(qiáng)度是隨溫度的升高而增大的,而碳?xì)淙剂洗嬖谝粋€(gè)溫度閾值,只有氣流溫度超過(guò)這個(gè)閾值溫度以后,碳?xì)淙剂喜艜?huì)著火,因此碳?xì)淙剂系娜紵尸F(xiàn)出間歇性燃燒模式,在這種模式中,碳?xì)淙剂辖诲e(cuò)地出現(xiàn)點(diǎn)火、熄火、再點(diǎn)火、再熄火的燃燒狀態(tài),只有溫度超過(guò)這個(gè)閾值,碳?xì)淙剂喜艜?huì)穩(wěn)定地燃燒。由于碳?xì)淙剂洗嬖跍囟乳撝?所以上游的煤油燃燒不完全時(shí)會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,而下游煤油受到了上游燃燒產(chǎn)物的加熱助燃作用,因此燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象有所緩解。試驗(yàn)在關(guān)氫不久后熄火,沒(méi)能實(shí)現(xiàn)煤油的自持燃燒。點(diǎn)火階段隔離段入口壓強(qiáng)升高(V1),對(duì)于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)而言,已經(jīng)影響到了進(jìn)氣道的正常工作。為避免隔離段入口受到影響,同時(shí)考查燃燒室擴(kuò)張面去掉引導(dǎo)氫后能否實(shí)現(xiàn)火焰在整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)的傳播,No.2次試驗(yàn)去掉了L2#噴氫,相應(yīng)增加了R1#凹腔上游引導(dǎo)氫的當(dāng)量比。試驗(yàn)在點(diǎn)火不久后火焰迅速熄滅(圖6),說(shuō)明缺少L2#引導(dǎo)氫的助燃作用,當(dāng)煤油流量較大時(shí),蒸發(fā)吸收的熱量可能大于燃燒釋放的熱量,最終導(dǎo)致火焰熄滅。No.3次試驗(yàn)恢復(fù)了L2#凹腔引導(dǎo)氫,但降低了煤油當(dāng)量比,以避免隔離段入口受到影響。為使火焰更加順利地逆流傳播,增加了點(diǎn)火位置(R2#)附近的引導(dǎo)氫流量并且延長(zhǎng)了引導(dǎo)氫的工作時(shí)間。試驗(yàn)最終在關(guān)氫后實(shí)現(xiàn)了煤油的自持燃燒,但是隔離段入口仍然受到影響(圖7(a)中V1曲線)。從壁面壓強(qiáng)分布變化可間接反映出點(diǎn)火從R2#開(kāi)始、火焰逆流傳播的過(guò)程。在點(diǎn)火開(kāi)始到煤油噴射之前(t=3.95s)這段時(shí)間內(nèi),初始著火區(qū)產(chǎn)生于燃燒室中后部(L3#～R2#),煤油噴射后,著火區(qū)附近壁面壓強(qiáng)降低,但燃燒室前端(L1#～L3#)壓強(qiáng)卻有所上升,這是由于煤油的噴入增加了燃料當(dāng)量比,燃燒放熱強(qiáng)度增大,導(dǎo)致分離區(qū)迅速擴(kuò)大并向上游發(fā)展。但由于著火區(qū)的前移以及煤油的大量噴入,導(dǎo)致燃燒室中后部燃燒變差,壁面壓強(qiáng)下降。當(dāng)煤油經(jīng)過(guò)較短的時(shí)間在凹腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)火焰維持后,燃燒放熱強(qiáng)度驟增,燃燒室壁面壓強(qiáng)整體升高。關(guān)閉氫氣后,燃燒室前端熱壅塞程度降低,壁面壓強(qiáng)有所下降,但煤油成功實(shí)現(xiàn)了自持燃燒,說(shuō)明當(dāng)燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)劇烈燃燒反應(yīng)后,所產(chǎn)生的熱量足可以維持煤油的燃燒。與引導(dǎo)氫和煤油共同燃燒階段相比,煤油自持燃燒階段的燃燒室中后部壁面壓強(qiáng)(V5,V3,V4)有所降低,而且下降幅度沿流向逐漸減小,說(shuō)明引導(dǎo)氫對(duì)下游噴射的煤油雖然有很好的點(diǎn)火、助燃作用,但其燃燒速度較快,同時(shí)也消耗了部分來(lái)流中的氧含量,助燃作用的距離有一定限度。由于此次試驗(yàn)降低了L2#凹腔上游的煤油當(dāng)量比,因此在引導(dǎo)氫噴射階段,氫產(chǎn)生的熱量可以抵消煤油蒸發(fā)吸收的熱量而使煤油燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng)(t=4～4.7s),但關(guān)閉氫氣后,僅靠煤油雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自持燃燒,但由于放熱量不足,凹腔內(nèi)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象又有所增強(qiáng)?？梢?jiàn)氫與煤油的當(dāng)量配比對(duì)凹腔火焰穩(wěn)定器內(nèi)的穩(wěn)定燃燒有很大關(guān)系。解決燃燒不穩(wěn)定可以提高氫流量或降低煤油流量,但是氫流量增大容易造成燃燒室熱壅塞,而減少煤油流量又可能會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)整體的推力性能,因此需要對(duì)二者的相對(duì)噴射位置以及燃燒室流道構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。3.3引導(dǎo)氫對(duì)從純煤全No.4次試驗(yàn)繼續(xù)降低煤油總當(dāng)量比,并且將原L2#凹腔的噴油位置后移至L3#凹腔,以防隔離段入口發(fā)生熱壅塞。為提高L3#凹腔內(nèi)煤油的點(diǎn)火與燃燒穩(wěn)定性能,此次試驗(yàn)將點(diǎn)火位置前移至L2#凹腔內(nèi)。因?yàn)檫@樣可以延長(zhǎng)引導(dǎo)氫的燃燒距離,使氫燒得更充分,溫度更高,活性更強(qiáng),可以更好地促進(jìn)煤油的燃燒。試驗(yàn)在噴氫階段仍然造成隔離段入口熱壅塞,但程度有所減弱,而且關(guān)氫后煤油維持了穩(wěn)定的燃燒(圖7(b)中V3曲線),并且隔離段入口狀態(tài)恢復(fù)正常。從此次試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化來(lái)看,關(guān)氫后燃燒室中后部(V5,V3,V4)壓強(qiáng)有少許升高,這也說(shuō)明上游引導(dǎo)氫消耗了來(lái)流空氣中的氧含量,影響了下游煤油的燃燒。為避免隔離段入口由于熱壅塞而受到影響,No.5次試驗(yàn)繼續(xù)降低燃燒室前端燃料當(dāng)量比,保持整個(gè)L3#凹腔附近煤油當(dāng)量比不變,將L3#凹腔上游煤油流量減半,其余移至凹腔后緣斜坡后的燃燒室壁面上噴射,由于流入L3#凹腔內(nèi)的煤油當(dāng)量比降低,試驗(yàn)中隔離段入口沒(méi)有受到影響,而且燃燒穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了等壓燃燒(圖7(c))。通過(guò)一維計(jì)算,此等壓燃燒段處于亞燃模態(tài),燃燒室后部形成了熱力喉道,逐漸過(guò)渡到超燃模態(tài)。與No.4次試驗(yàn)相比,燃燒室壁面壓強(qiáng)分布有所降低,燃燒效率下降。從這兩次試驗(yàn)的壁面壓強(qiáng)分布隨時(shí)間的變化來(lái)看,上游點(diǎn)火有利于更快地傳播火焰,因?yàn)椴淮嬖诔跏蓟鹧婺媪鱾鞑サ倪^(guò)程,上游產(chǎn)生的高溫燃燒產(chǎn)物可直接引燃下游噴射的燃料,因此火焰?zhèn)鞑ジ尤菀?、速度也更快。從以上幾次試?yàn)結(jié)果可以看出:在Ma=4條件下,來(lái)流靜溫較低,煤油燃燒延遲時(shí)間較長(zhǎng),采用引導(dǎo)氫對(duì)于提高液體煤油的點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒性能非常必要,但是必須合理布置氫與煤油的相對(duì)噴射位置與當(dāng)量比配比。整個(gè)燃燒過(guò)程不必一直借助引導(dǎo)氫,待點(diǎn)火階段的反應(yīng)放熱量可以滿足煤油自持燃燒時(shí),關(guān)閉引導(dǎo)氫、僅靠煤油能夠維持燃燒。當(dāng)煤油當(dāng)量比較大時(shí),盡管煤油可以維持燃燒,但是容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,甚至存在再次熄火的可能。試驗(yàn)最終在當(dāng)量比0.66條件下實(shí)現(xiàn)了煤油自持、穩(wěn)定的燃燒過(guò)程,但要繼續(xù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能,必須對(duì)燃料噴射方式和燃燒室流道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,比如可以適當(dāng)延長(zhǎng)隔離段長(zhǎng)度,增加其抗反壓能力,另外合理配比引導(dǎo)氫和煤油的當(dāng)量比、合理布置凹腔等火焰穩(wěn)定裝置的位置,這需要今后做更深入的試驗(yàn)研究。4引導(dǎo)氫與汽油用量比對(duì)燃料燃燒效果的影響(1)