液体碳氢燃料超燃冲压发动机点火试验研究

液体碳氢燃料超燃冲压发动机点火试验研究

1引导氢辅助下的液体碳氢燃料的点火燃烧与稳定燃烧液体碳氢燃料的燃烧技术是先进的压裂机技术之一，也是先进压裂机直连式试验的主要内容之一。当发动机工作在低飞行马赫数时(Ma=4),燃烧室内气流总温较低(T0≈900K),燃料化学反应延迟时间较长,据RoutovskyVB的研究,1000K,0.1MPa条件下的煤油点火滞后时间约为100ms。此外,液体碳氢燃料还需要经历液滴破碎、雾化、蒸发、混合等一系列物理过程,造成燃料总的着火延迟时间远远高于其在燃烧室内的驻留时间(几毫秒),所以要在有限长度的燃烧室内实现燃料的点火、火焰传播、火焰维持及稳定燃烧等过程十分困难,必须采取特殊措施,为此国内外进行了许多研究。目前大部分超燃发动机均采用小流量氢气引导火焰进行点火与维持燃烧,因为氢气引导火焰产生的高温、多自由基环境可以加速液体碳氢燃料的着火并增强燃烧。Bonghi等人进行了氢引导火焰促进甲苯的超声速燃烧研究,在来流马赫数2.5,总温分别为300K和1000K条件下实现了超声速燃烧。结果表明,由于液态碳氢燃料对于氢引导火焰具有冷却作用,获得稳定火焰的液态燃料流量受到限制,喷入大量的液体甲苯会淬熄引导氢火焰,使得燃烧不稳定;如果将燃烧室工作温度提高,或者引导氢当量比增大,则燃烧将会变得更加稳定。Segal等人研究了来流马赫数1.8,总温600～1000K,引导氢点火、不同凹腔火焰稳定器条件下煤油的燃烧性能,结果表明:凹腔内部为燃料与空气混合最好的区域,燃烧稳定性强烈地受来流空气总温与当地油气比影响;喷油较多会淬熄火焰。贺伟等人使用煤油燃料,在总温1000K试验条件下以氢气为先锋火焰,使用凹槽结构和火花塞等辅助点火手段,实现了煤油的点火和稳定燃烧。以上研究结果虽然都实现了引导氢辅助下的液体碳氢燃料的点火与稳定燃烧,但是没有详细研究具体的着火和火焰传播过程,而且试验最终也没能实现煤油的自持燃烧。本文采用引导氢+火花塞的点火方式,对不同燃料喷射方式、不同点火位置、不同燃料当量比(ER)条件下煤油(室温条件)的点火、火焰传播以及实现自持燃烧的过程进行了试验研究。2试验模型及方案试验是在超燃发动机直连式试验系统上进行的(图1),整个试验系统主要包括高压气源、配气系统、空气加热器、模型发动机以及测控系统等部分组成,其中加热器采用酒精、气氧、空气三种组元作为工质,以燃烧加热方式模拟飞行马赫数Ma=4,飞行高度H=20km,飞行动压p=62kPa条件下的超燃冲压发动机进气道出口对应的工作状态。加热器喷管出口气流中O2质量分数为23.4%,N2质量分数为69.7%,H2O质量分数为2.6%,CO2质量分数为4.3%,出口马赫数Ma=1.92,总压p0=500kPa(表压),总温T0=846K。图2是试验中主要参数随时间变化的曲线图,其中加热器室压(总压)p0比较平稳,并且达到理论设计值。总温测量热电偶位于加热器喷管入口之前,且与流动方向垂直,由于加热器内流场脉动较大,温度测量值变化比较剧烈,但在加热器工作期间(T=2.4～6.8s),总温主要在800～900K之间波动,其均值比较接近理论设计温度。另外煤油流量(MK/MKref)、引导氢流量(MH2/MHref)较为平稳,其中引导氢关闭时其流量曲线变化缓慢,这是因为所采用的涡轮转子流量计在阀门关闭后不能及时停止转动,从而出现关阀后效的虚假数据,但从引导氢喷前压力曲线(pH2/pref)可以看出氢流量在阀门关闭后瞬间降低为0。各次试验加热器工况重复性较好,总压与设计室压偏差小于5%,总温均值与设计总温偏差小于40K。试验模型发动机总长为1790mm,燃烧室入口尺寸为54.5mm×75mm,总扩张比为2.26,共分隔离段、燃烧室、燃烧室扩张段三部分。为实现煤油多点喷射,从而实现燃烧室内分布式加热,燃烧室安装6个凹腔一体化火焰稳定器,其中扩张面上4个,沿流向分别记为L1#,L2#,L3#,和L4#,平直底面上2个,分别记为R1#和R2#。凹腔一体化火焰稳定器如图1所示,其凹腔上游设有一个直径3mm的氢喷孔以及4个直径0.5mm的煤油喷孔,凹腔长深比L/D=7,后缘斜坡角度为45°,底部设有一个火花塞安装位置。试验采用火花塞+引导氢在单一位置处的点火方式,这样可以简化点火装置系统,降低多位置点火方式下的相互协调、相互干扰问题。为了解超声速气流中的火焰传播过程,试验采用PhotronFASTCAM-ultimaAPX高速数字摄影仪进行流场可视化研究。为对比不同燃料喷射方式、不同点火位置、不同燃料当量比对点火过程的影响,进行了如图3所示的点火过程试验。图中V1～V5分别代表隔离段入口、L2#凹腔内、L3#凹腔内、L4#凹腔上游以及R1#凹腔内的压强测点。“■”、“●”、“▼”等符号分别代表各次试验燃料喷射及点火位置。试验时序如下(参考图2):首先是加热器启动→待工作平稳后,火花塞通电→开氢气阀门→开煤油阀门,同时关闭火花塞电源→氢气喷射0.8s后关闭阀门→煤油继续喷射1.5s后关闭→加热器0.6s后关闭,整个试验结束。3试验结果与分析3.1火焰沿壁面回流传播图4是燃烧室内火焰传播过程的高速摄影照片(2000帧/s,所选每幅图片拍摄间隔为1.0ms)。在图4(a)中,点火位置位于凹腔下游,从图中可以看出,火焰能够逆流向上传播。根据经典燃烧理论,爆燃波的传播速度不会超过声速,试验中火焰逆传的原因是燃烧与边界层相互作用的结果。首先点火区域实现着火后,燃烧产生的逆压梯度使边界层发生分离,随着边界层向上游发展,不断地为上游燃料创造低速、高温的有利点火条件,这种正反馈机制使得火焰能够沿壁面逆流传播。图4(b)中的点火位置在凹腔上游,着火后产生的高温、高活性的燃气顺流向下引燃了下游煤油,引燃后的煤油在凹腔回流区内驻定后,火焰继续向下游及主流扩散。可见超燃发动机内火焰逆流或顺流传播现象都有可能存在。3.2no.3试验结果表1中No.1、No.2与No.3次试验为火焰逆传的点火与燃烧试验,在No.1次试验中,点火区域位于燃烧室下游(R2#内),上游煤油喷射位置相对集中(L2#,L3#,R1#)。为了增强点火初始阶段燃烧室内的壅塞程度,提高燃料或者初始火团的穿透度,特意在L2#与R1#凹腔上游喷射了引导氢。有了氢气的助燃、R1#喷射的煤油在流经R2#时很容易被引燃并可能实现火焰逆传。若火焰传播至R1#处,由于该段喷油比较密集,加上L2#引导氢的助燃,L2#与L3#喷射的煤油也可能被点燃。图5是各测点压强随时间变化的曲线。从图中可知:喷氢阶段,燃烧室内成功实现了点火、火焰逆流传播并维持的过程,其中L2#凹腔内(V2)出现较为明显的压强脉动,反映出该凹腔内出现了燃烧不稳定现象,而其下游如L3#(V3)、R1#凹腔内(V5)压强曲线比较平滑。造成燃烧不稳定的因素与煤油自身燃烧特性有关,因为碳氢燃料与氢燃料的燃烧过程不相同,氢燃料的反应强度是随温度的升高而增大的,而碳氢燃料存在一个温度阈值,只有气流温度超过这个阈值温度以后,碳氢燃料才会着火,因此碳氢燃料的燃烧呈现出间歇性燃烧模式,在这种模式中,碳氢燃料交错地出现点火、熄火、再点火、再熄火的燃烧状态,只有温度超过这个阈值,碳氢燃料才会稳定地燃烧。由于碳氢燃料存在温度阈值,所以上游的煤油燃烧不完全时会出现燃烧不稳定现象,而下游煤油受到了上游燃烧产物的加热助燃作用,因此燃烧不稳定现象有所缓解。试验在关氢不久后熄火,没能实现煤油的自持燃烧。点火阶段隔离段入口压强升高(V1),对于实际发动机而言,已经影响到了进气道的正常工作。为避免隔离段入口受到影响,同时考查燃烧室扩张面去掉引导氢后能否实现火焰在整个流场内的传播,No.2次试验去掉了L2#喷氢,相应增加了R1#凹腔上游引导氢的当量比。试验在点火不久后火焰迅速熄灭(图6),说明缺少L2#引导氢的助燃作用,当煤油流量较大时,蒸发吸收的热量可能大于燃烧释放的热量,最终导致火焰熄灭。No.3次试验恢复了L2#凹腔引导氢,但降低了煤油当量比,以避免隔离段入口受到影响。为使火焰更加顺利地逆流传播,增加了点火位置(R2#)附近的引导氢流量并且延长了引导氢的工作时间。试验最终在关氢后实现了煤油的自持燃烧,但是隔离段入口仍然受到影响(图7(a)中V1曲线)。从壁面压强分布变化可间接反映出点火从R2#开始、火焰逆流传播的过程。在点火开始到煤油喷射之前(t=3.95s)这段时间内,初始着火区产生于燃烧室中后部(L3#～R2#),煤油喷射后,着火区附近壁面压强降低,但燃烧室前端(L1#～L3#)压强却有所上升,这是由于煤油的喷入增加了燃料当量比,燃烧放热强度增大,导致分离区迅速扩大并向上游发展。但由于着火区的前移以及煤油的大量喷入,导致燃烧室中后部燃烧变差,壁面压强下降。当煤油经过较短的时间在凹腔内实现火焰维持后,燃烧放热强度骤增,燃烧室壁面压强整体升高。关闭氢气后,燃烧室前端热壅塞程度降低,壁面压强有所下降,但煤油成功实现了自持燃烧,说明当燃烧室内实现剧烈燃烧反应后,所产生的热量足可以维持煤油的燃烧。与引导氢和煤油共同燃烧阶段相比,煤油自持燃烧阶段的燃烧室中后部壁面压强(V5,V3,V4)有所降低,而且下降幅度沿流向逐渐减小,说明引导氢对下游喷射的煤油虽然有很好的点火、助燃作用,但其燃烧速度较快,同时也消耗了部分来流中的氧含量,助燃作用的距离有一定限度。由于此次试验降低了L2#凹腔上游的煤油当量比,因此在引导氢喷射阶段,氢产生的热量可以抵消煤油蒸发吸收的热量而使煤油燃烧稳定性增强(t=4～4.7s),但关闭氢气后,仅靠煤油虽然能够实现自持燃烧,但由于放热量不足,凹腔内燃烧不稳定现象又有所增强。可见氢与煤油的当量配比对凹腔火焰稳定器内的稳定燃烧有很大关系。解决燃烧不稳定可以提高氢流量或降低煤油流量,但是氢流量增大容易造成燃烧室热壅塞,而减少煤油流量又可能会降低发动机整体的推力性能,因此需要对二者的相对喷射位置以及燃烧室流道构型进行设计优化。3.3引导氢对从纯煤全No.4次试验继续降低煤油总当量比,并且将原L2#凹腔的喷油位置后移至L3#凹腔,以防隔离段入口发生热壅塞。为提高L3#凹腔内煤油的点火与燃烧稳定性能,此次试验将点火位置前移至L2#凹腔内。因为这样可以延长引导氢的燃烧距离,使氢烧得更充分,温度更高,活性更强,可以更好地促进煤油的燃烧。试验在喷氢阶段仍然造成隔离段入口热壅塞,但程度有所减弱,而且关氢后煤油维持了稳定的燃烧(图7(b)中V3曲线),并且隔离段入口状态恢复正常。从此次试验各监测点压强变化来看,关氢后燃烧室中后部(V5,V3,V4)压强有少许升高,这也说明上游引导氢消耗了来流空气中的氧含量,影响了下游煤油的燃烧。为避免隔离段入口由于热壅塞而受到影响,No.5次试验继续降低燃烧室前端燃料当量比,保持整个L3#凹腔附近煤油当量比不变,将L3#凹腔上游煤油流量减半,其余移至凹腔后缘斜坡后的燃烧室壁面上喷射,由于流入L3#凹腔内的煤油当量比降低,试验中隔离段入口没有受到影响,而且燃烧稳定,实现了等压燃烧(图7(c))。通过一维计算,此等压燃烧段处于亚燃模态,燃烧室后部形成了热力喉道,逐渐过渡到超燃模态。与No.4次试验相比,燃烧室壁面压强分布有所降低,燃烧效率下降。从这两次试验的壁面压强分布随时间的变化来看,上游点火有利于更快地传播火焰,因为不存在初始火焰逆流传播的过程,上游产生的高温燃烧产物可直接引燃下游喷射的燃料,因此火焰传播更加容易、速度也更快。从以上几次试验结果可以看出:在Ma=4条件下,来流静温较低,煤油燃烧延迟时间较长,采用引导氢对于提高液体煤油的点火与稳定燃烧性能非常必要,但是必须合理布置氢与煤油的相对喷射位置与当量比配比。整个燃烧过程不必一直借助引导氢,待点火阶段的反应放热量可以满足煤油自持燃烧时,关闭引导氢、仅靠煤油能够维持燃烧。当煤油当量比较大时,尽管煤油可以维持燃烧,但是容易出现燃烧不稳定现象,甚至存在再次熄火的可能。试验最终在当量比0.66条件下实现了煤油自持、稳定的燃烧过程,但要继续提高发动机的燃烧性能,必须对燃料喷射方式和燃烧室流道设计进行优化,比如可以适当延长隔离段长度,增加其抗反压能力,另外合理配比引导氢和煤油的当量比、合理布置凹腔等火焰稳定装置的位置,这需要今后做更深入的试验研究。4引导氢与汽油用量比对燃料燃烧效果的影响(1)