高流场高温风洞液氧空气燃烧加热的研制

高流场高温风洞液氧空气燃烧加热的研制

1燃烧加热器采用高效低能耗的燃料为了模拟高超速汽机的高速气特性，需要在高超速电机上使用加热器进行加热测试，以确保氧气含量接近空气。常用的加热方式有燃烧加热、蓄热加热、电弧加热和激波加热,其中燃烧加热具有运行成本低、运行效率高并且维护方便、适用长时间等优点,在马赫数8以下的高超声速气动/推进试验设备中得到广泛应用燃烧加热器采用燃烧氧(气氧或液氧)、空气和燃料(氢、酒精或烃)获得试验所需的高焓气体。在长时间和大流量运行时,相对于气氧和气态燃料,采用液氧和液态燃料可大为降低供应系统规模,提高运行安全性。而选用何种燃料将对燃烧加热器及配套供应系统设计产生很大影响,并决定了试验气体组分和热力学特性,从而影响风洞流场品质。比如,选用氢燃料时,试验气体中含H自2013年起,课题组开始进行液氧/空气/异丁烷加热器研制论证和技术攻关,并于2014年完成5kg/s量级加热器设计和调试,在此基础上,本文继续开展50kg/s量级燃烧加热器研制,并利用Φ1m高超声速高温风洞完成点火调试和流场校测,旨在为大流量、高流场品质加热器研制奠定基础。2燃料加热设计2.1计算的热量燃烧加热器将空气、氧和燃料混合燃烧获得高焓试验气体。反应物中包括O式中,T式中h2.2大流量加热器的工作原理从国内外燃烧加热器设计来看,通常有两种燃烧组织模式:一种是“空氧混合”,即空气先蒸发液氧并混合形成富氧空气后再进入喷注器,该类型喷注器内含氧化剂和燃料两个集流腔,对于液态异丁烷燃料,为“气液燃烧”模式,空气兼具液氧蒸发热源和氧化剂作用;另一种是“空氧独立”,即燃料、空气和液氧分别直接进入喷注器并在燃烧室内组织燃烧,该类型喷注器内含液氧、空气和燃料三个集流腔,采用异丁烷液态燃料时,通常利用液氧和燃料组织燃烧,形成“液液燃烧”模式,空气起掺混和补燃的作用。从实践情况看,美国8英尺高温风洞和APTU风洞均利用空气蒸发液氧混合形成富氧空气后再组织燃烧。借鉴各类燃烧器设计和调试经验,分析认为相比“液液燃烧”,“气液燃烧”模式能有效避免喷注器内液氧出现不稳定气液两相流,并有利于避免振荡燃烧,还可减弱点火起动时的主阀控制时序精度要求(“液液燃烧”通常要求主阀重复精度在几十毫秒内),后者对于降低大流量加热器配套供应系统和控制系统需求有切实的工程意义。本文采用“气液燃烧”组织模式,加热器本体由空氧混合器、喷注器、点火段、加热器身部、火炬点火器等组成,如图1所示。其中空氧混合器完成液氧蒸发及其与空气的掺混,设计目标是出口形成组分浓度均匀的富氧空气;喷注器是燃烧加热器核心部件,其内设有多个气液同轴喷嘴,通过同轴喷射雾化保证燃料和氧化剂形成恰当的喷雾尺寸分布、流强分布和混合比分布,满足燃烧加热器的流场性能指标;点火段上安装火炬点火器,完成可燃混气的可靠点火;燃烧室是燃烧进行的主要场所,目的是在出口形成获得充分燃烧的,且组分及温度等流场参数均匀稳定的高焓气体。2.3空气直流喷嘴设计关键部件包括喷注器、燃烧室和点火系统。其中,喷注器采用多个气液同轴喷嘴组织异丁烷和富氧空气喷注、掺混、蒸发以形成可燃混气,同轴喷嘴中心为燃料离心喷嘴,环缝为富氧空气直流喷嘴设计,流量关系式分别如下式中ṁ燃烧室工作过程的综合特性可用停留时间τ表征,为了保证氧化剂和燃料的充分燃烧,氧化剂和燃料应有足够的停留时间,τ可用下式计算式中V点火方式通常有直接点火和间接点火,前者采用点火电嘴直接引燃主气流,后者通过火炬或烟火点火器引燃主气流。为了保证点火可靠性以及使用和维护便利性,并且不在火炬点火器中引入氢气或氧气等危险介质,专门研制了一种新型空气-异丁烷火炬点火器,该火炬点火器流量70~120g/s,燃气温度约1300~1600K,如图2所示。3试验系统和方法3.1喷管系统组成利用Φ1m高超声速高温风洞上进行调试。试验系统包括空气供应系统、液氧供应系统、燃料供应系统、燃烧加热器系统、设备喷管(喷管出口直径Φ1m)、排气系统以及测控系统等组成,如图3所示。3.2马赫数的求解在离喷管出口下游截面25mm处布置流场校测排架。校测排架为十字型水冷排架,分别在横向和纵向布置28个皮托压探针和28个总温探针,见图4。皮托压测量值为正激波后气流总压,速度场需要根据气流总温、组分、皮托压场计算得出。由于气流总温高,分子振动能被激发,气体比热不再是定值,需从基本的正激波关系式出发,考虑变比热效应迭代求解马赫数。设马赫数、静压、总压、静温、密度分别为Ma,p正激波前后满足激波关系式根据测得的激波前后总压、总温及试验气体组成,迭代计算式(6)~(13)以及状态方程,得到激波前后的马赫数,计算中气体各组分的比热、焓以及熵等热力学函数由Jnaff表拟合给出。获得喷管出口总温和马赫数分布后,一般将喷管出口截面的马赫数(或速度)偏差和温度偏差在指定范围内的区域定义为均匀区(如取<3%),通过均匀区内各测点的马赫数均方根和总温均方根评估均匀程度,均匀区大小和均匀程度决定了喷管出口流场的可用范围,是燃烧加热器均匀流场设计水平的直接体现。4试验结果及分析4.1火和燃烧过程图5给出了Ma=6.0,p4.2降低过冲总温图7给出了Ma=6.0,p为了验证上述分析,通过调整燃料吹扫进入燃料腔的时间对停车时序进行优化,得到的流场校测总温-时间曲线如图8所示。可见,最大过冲总温降低至1680K,相比优化前的最大过冲总温1990K,明显改善。图10给出了Ma=6.0,p从以上流场校测情况可见,燃烧加热器均匀流场设计是成功的:在马赫数6状态,不同总压情况下,燃烧加热器能在喷管出口直径80%中心区域内提供均匀试验气流,在此均匀区内,马赫数均方根偏差在0.05以内,总温均方根偏差在20K以内。5火炬点火器没有引入新的危险介质(1)采用“气液燃烧”组织方式设计并研制50kg/s量级液氧/空气/异丁烷燃烧加热器,点火调试表明,该燃烧加热器能实现快速点火,并在火炬关闭后,继续维持稳定燃烧,燃烧室压波动小。(2)从点火和时序控制情况来看,采用自主设计的异丁烷-空气火炬点火器,能可靠应用于燃烧加热器点火,相比于国内外常用的氧气-酒精火炬、空气-氢气火炬点火器,没有引入新的危险介质,有利于降低配套系统要求,提高运行安全性。(3)燃烧加热器起动过程中室压无过冲,但在起动和停车时气流总温有过冲。分析认为这是由于起动和停车时,燃料主阀和燃料吹扫阀有一段共同开启时间,导致燃料腔喷前压力高,抬升了燃料瞬时流量,增加了燃烧释热。通过优化燃料吹扫阀和燃料主阀时序,在马赫数6.0状态,将最大过冲总温从~1990K降低到~1680K,有效改善了停车过冲。(4)马赫数6,总压6.0MPa/总压5.2MPa两个状态的流场校测表明,燃烧加热器能在喷管出口直径80%中心区域提供均匀试验气流,在此均匀区内,马赫数均方根偏差在0.05以内,总温均方根偏差在20K以内,可用于有效开展高超声速推进或气动试验。图6给出了该状态下燃烧加热器重要测点压力-时