基于气动斜坡的超燃冲压发动机双燃烧室方案研究

为提高超燃冲压发动机工作稳定性,提出了基于气动斜坡的超声速燃烧冲压发动机双燃烧室方案,该方案属于高超声速飞行器动力装置新方案。超燃主燃烧室采用基于气动斜坡的燃料喷注方式,并以小型燃气发生器作为亚燃燃烧室布置于气动斜坡喷嘴下游。超声速来流空气经进气道分流,96%左右进入超燃主燃烧室,4%左右经燃料电池驱动的离心式压气机增压后进入亚燃燃烧室。亚燃燃烧室在富油工况下工作,其出口布置在超燃主燃烧室气动斜坡喷注模块的下游(距气动斜坡第1排喷孔10倍喷孔直径处),此模块在主燃烧室中高效、低损失地形成流向涡。亚燃燃烧室喷流位于流向涡之后,起到点火、增强掺混和稳定火焰的作用。在直连式试验台上进行了该方案燃烧室部分的燃烧试验,结果表明:该方案成功实现了碳氢燃料大当量比范围内的稳定燃烧,以燃料比冲为评判标准,初步证明了该方案的可行性。     

两种空气/煤油燃气发生器富油燃烧组织方案对比

根据空气/煤油富油燃烧的特点,提出了两种空气/煤油燃气发生器富油燃烧组织方案,设计了采用钝体稳定火焰和旋流空气、二次喷注空气稳定火焰的两种燃气发生器.为了对比两种方案的点火和燃烧特性,对两种燃气发生器进行了一系列热试,结果表明余氧系数是燃气发生器最重要的工况参数.随着余氧系数的增加,燃气发生器的状态逐渐从启动失败变为中途熄火,最终呈正常启动状态.采用钝体稳定火焰的燃气发生器稳定工作的余氧系数边界为0.518,采用旋流空气和二次喷注空气稳定火焰可将该边界延伸到0.237,极大地扩大了燃气发生器的工作范围.与钝体稳定火焰的燃气发生器相比,旋流空气和二次喷注空气稳定火焰的燃气发生器的富油燃烧的燃烧效率提高了20%.两种方案结构复杂性相当,旋流空气和二次喷注空气稳定火焰的燃气发生器不需要冷却火焰稳定器,可提高燃气发生器的工作时间.      

超声速燃烧室煤油多点喷注实验研究

为了解决超声速燃烧室内局部煤油当量油气比过高造成的点火及稳定燃烧困难，在Ma=5，总当量油气比接近的条件下，研究了不同煤油喷注位置相互匹配方法对发动机点火性能和推力性能的影响。研究结果表明:多个油位匹配喷注，有利于煤油点火及燃烧，发动机推力性能更好。“值班火焰”引燃煤油时，其余煤油由更多位置喷注且单个位置当量油气比更低时更容易点火燃烧。“值班火焰”的当量油气比由0.51增加到0.55时，煤油燃烧性能变差，比冲降低46N·s/kg；当量油气比均为0.51时，其余煤油由三个位置喷注比两个位置喷注时比冲增加66N·s/kg。同一截面内上部壁面喷注结合下部支杆喷注，可以优化煤油在燃烧室高度方向上的分布，获得更好的发动机性能。上游位置喷注对煤油的预混作用不明显，煤油未燃烧会造成“值班火焰”当量油气比升高，导致发动机点火性能和推力性能变差。     

碳氢燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室匹配性能试验研究

在模拟飞行马赫数Ma=6,高度25km条件的液体碳氢燃料超燃冲压发动机自由射流试验中,对比研究了4种不同进气道,不同燃烧室入口条件下模型发动机的点火与燃烧性能。试验结果表明几何内收缩比3的侧压式进气道的出口压强低而无法实现模型发动机的点火;进气道增加部分前体压缩,模型发动机则能够维持稳定燃烧,得到正推力;采用较高收缩比5.35的三维进气道的出口流场畸变程度较高,降低了隔离段抗反压的能力,会对燃烧性能产生很大影响,燃烧效率、发动机推力显著下降,甚至可能导致发动机熄火。不同长度的隔离段对比研究表明隔离段加长能够提高抗反压能力,有助于实现煤油分级燃烧,提高燃烧效率。     

超声速燃烧室中煤油分布对燃烧性能的影响

为研究煤油分布对燃烧性能的影响,在来流马赫数6,总温1650K的条件下,通过改变喷孔数量、喷射方向(单向对喷、双向喷)、喷孔排布方式(单列3孔、4孔)等,实现煤油在燃烧室截面上的不同均匀程度,获得了壁面压力及推力收益等数据。实验表明,单列4孔更易于煤油进入附面层和凹槽内的回流区等低速高温区域,有利于对点火和火焰稳定;对喷时燃烧主要集中在燃烧室核心区,虽可避免壁面承受太大的热载荷,但中部极度富油的状态对总燃烧效果有负面影响;双向喷能够充分利用两个侧壁附近的角落区,在整个燃烧室截面上的分布更均匀,燃烧效果更好,推力收益更大。     

超声速燃烧室中支杆位置对煤油燃烧的影响

使用支杆喷注煤油,可以通过喷孔使煤油获得初步的雾化而有利于煤油与气流的混合,从而更快地达到点火条件。为研究支杆在燃烧室中的位置对煤油掺混及燃烧性能的影响,在燃烧室入口马赫数2和3条件下,开展了支杆位于第一位置(燃烧室前部)和第二位置(燃烧室中部)时对煤油燃烧影响的数值模拟及试验。根据试验获得的壁面压力及数值模拟结果,得到以下结论:(1)支杆位置越接近氢气燃烧区,喷出的煤油可以更多、更快地进入该区域进行能量交换,减少煤油点火延迟时间。(2)支杆位于第二位置,支杆前后的近壁面低速区与氢气燃烧区前的回流区连成一片,增加燃料驻留时间,增强混合,有利于火焰向上游传播。(3)在煤油能够点火燃烧的前提下,支杆位于第二位置,煤油与氢气燃烧区域的高度超过燃烧室高度的一半,导致该区域流通面积减小,超声速气流减速,升温,促使煤油燃烧强度更高。     

电阻加热器在超声速燃烧研究中的应用

建立了采用连续式电阻加热器的超声速燃烧室直连式试验平台,介绍了该试验平台的调试结果,可以满足飞行马赫数约3.0～4.5时进行超声速燃烧的试验要求.自行设计了采用凹槽火焰稳定器的超声速燃烧室试验模型,在超声速燃烧室直连式试验平台上,进行了来流总温约1 000 K,马赫数约2.0条件下氢气燃料的燃烧试验,研究了氢气与来流空气的当量油气比对超声速燃烧室内燃烧情况的影响.并在此基础上开展了氢气引燃煤油的点火试验研究,研究了氢气和煤油的喷射位置、喷孔直径等对煤油点火性能的影响.      

双模态燃烧室隔离段预喷注预蒸发煤油的火焰回传特性试验研究

以超燃冲压发动机双模态模型燃烧室为研究对象,对隔离段喷注条件下的预喷注、预蒸发煤油点火和火焰回传特性进行了试验研究。试验分别针对典型的启动工况和巡航工况气流特点,对比了Ma2和Ma3两个工况下的边界层逆流火焰传播过程。试验结果表明,相比于单边预喷注,双边预喷注的燃料横向扩散能力增强,增加了火焰在主流中回传形成热壅塞的风险;相比于Ma2工况的低总温来流条件,Ma3条件下因气流总温高,采用预喷注方式注入的煤油喷雾其蒸发形成的气态预混气更加充分,更易形成逆流传播的火焰。     

凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验

在来流总温为1486K、总压为1.6MPa、马赫数为2.52的条件下,采用两级串联凹腔构型燃烧室,开展了凹腔底壁喷注煤油燃料的超燃点火试验,研究了喷嘴孔径、喷注位置对点火性能的影响.结果表明:上游凹腔底壁大孔径喷嘴喷注燃料,下游凹腔点火的方案点火性能高,在煤油总体当量比为0.102~0.206范围内均可实现成功点火与稳定燃烧;燃烧反压向上游的传播过程具有明显的滞后性且与分离区的形成过程紧密耦合;燃料喷注方案决定了煤油雾化燃料场的分布,燃料的分布特征又决定了点火特征.      

三旋流燃烧室点火阶段燃烧性能

为研究三旋流燃烧室的点火熄火性能,对单头部燃烧室进行了地面和高空的点、熄火试验研究,测取了负温条件下的高空点火性能,借助高速摄像法录取了地面点火过程,采用燃气分析法对地面点火燃烧效率进行了测量,获得了单头部燃烧室的点、熄火性能和点火燃烧性能参数,以及火焰传播过程。结果表明:三旋流燃烧组织方式可在宽广的主燃区气流速度范围内,具有良好的点熄火性能,地面点火边界的燃烧充分性较高,燃烧效率约为80%,负温条件增加了点火难度,与常温点火边界相比,进气压力70 kPa时的负温点火的边界变窄了188%~375%,高空贫油熄火边界与点火边界接近,所获结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。