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渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機bcc射流試驗?zāi)Ｐ脱芯?/p>

1tbcc試驗研究現(xiàn)狀發(fā)動機和渦輪機聯(lián)合車身的優(yōu)點是，擁有相同或更多的發(fā)動機和壓縮發(fā)動機的性能優(yōu)勢，并將它們結(jié)合起來，以擴大車輛的有效工作范圍，提高發(fā)動機的動態(tài)性能。TBCC作為一種吸氣式發(fā)動機,具有飛行包線寬、能常規(guī)起落和可重復(fù)使用的優(yōu)點,被認為是最有希望的高超聲速飛行器的動力裝置,已成為包括美國和日本在內(nèi)的世界各國研究機構(gòu)關(guān)注和研究的熱點。對于串聯(lián)式TBCC發(fā)動機,超級燃燒室既作為渦輪發(fā)動機的加力燃燒室,又作為沖壓發(fā)動機的燃燒室,其工作范圍寬、性能要求高,超級燃燒室的穩(wěn)定高效燃燒是TBCC眾多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國的NASA和GE公司研制了RTA(RevolutionaryTurbineAccelerator,革新渦輪加速器)發(fā)動機,為了滿足RTA地面驗證機的要求,GE公司設(shè)計了帶有新型火焰穩(wěn)定器和新型噴油結(jié)構(gòu)的沖壓燃燒室,并進行了大量的CFD模擬和地面試驗研究,研究表明該燃燒室的火焰穩(wěn)定界限寬,燃燒效率高,結(jié)構(gòu)可靠,有較高的點火性能。普惠公司設(shè)計的F100-PW-229發(fā)動機,采用一圈環(huán)形V型穩(wěn)定器并由該V型穩(wěn)定器向外環(huán)和中心在同一平面排布徑向穩(wěn)定器的穩(wěn)定方式,新型的燃油噴嘴在外涵道和新鮮空氣混合,對此模型在各工作狀況下的振蕩燃燒情況作了大量的CFD模擬。NASA還設(shè)計了用于RTA的采用小孔作為驅(qū)動孔的駐渦結(jié)構(gòu),在駐渦前緣帶有長度不同徑向火焰穩(wěn)定器,采用多區(qū)供油的模型,經(jīng)過大量的CFD模擬表明此穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)可以保證在RTA的整個飛行包線內(nèi)成功點火。HiroakiHasegawa等對RTA沖壓燃燒室內(nèi)火焰穩(wěn)定器采用兩排錯開排布方式進行了實驗研究。研究表明,穩(wěn)定器采用兩排排布有利于火焰前鋒在較短的距離內(nèi)交匯,與比采用一排排布的燃燒效率高20%～30%,總壓損失減小。由以上研究現(xiàn)狀可以看出,目前TBCC超級燃燒室的研究采用CFD模擬較多。CFD有其自身的優(yōu)勢,但是在準確模擬燃燒狀態(tài)下的氣動、熱力特性方面仍有不盡如人意的地方,尤其是在紊流流動和化學(xué)燃燒準確模擬方面,還存在較大困難。需要對TBCC超級燃燒室的性能與規(guī)律進行系統(tǒng)、深入的實驗研究,但是由于渦扇發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實驗費用大、加工周期長,為了摸清楚TBCC燃燒室關(guān)鍵部件的性能與規(guī)律,需要能真實模擬內(nèi)涵高溫燃氣的實驗裝置。本文參照目前國內(nèi)外加力燃燒室的進口條件及ATR和ATREX發(fā)動機的渦輪受熱溫度,得到TBCC發(fā)動機在整個飛行包線內(nèi)內(nèi)涵的工作狀態(tài)為溫度小于1200K,流動馬赫數(shù)小于0.6。在一定氣源條件限制下,設(shè)計了能模擬TBCC燃燒室內(nèi)涵高溫燃氣核心射流的溫度與速度的實驗?zāi)Ｐ汀４四Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡單,通過實驗研究表明,該模型工作可靠,燃燒效率高,能夠產(chǎn)生0.236～0.342kg/s的750～1050K的高溫燃氣,燃燒室出口的馬赫數(shù)、溫度和氧氣成份分布均勻,能夠真實模擬整個工作范圍中TBCC燃燒室內(nèi)涵的進口速度、溫度和燃氣的余氣系數(shù),為TBCC燃燒室的設(shè)計和性能研究提供實驗基礎(chǔ)和技術(shù)支持。2模擬模型系統(tǒng)和實驗內(nèi)容2.1旋轉(zhuǎn)燃油摻混本文設(shè)計的內(nèi)涵核心射流模擬模型主要包括:軸流式旋流器、噴嘴、火焰筒,如圖1所示。采用軸流式旋流器在燃燒室中產(chǎn)生用于點火和穩(wěn)定火焰的回流區(qū);選用噴霧角60°、流量8g/s的離心噴嘴,離心噴嘴噴口位于旋流器的軸心,燃油與空氣在旋流器下游進行摻混?；鹧嫱仓睆綖?90mm,火焰筒上從前到后依次有主燃孔、補燃孔和摻混孔,主燃孔為4個?24mm的孔,進入主燃孔的射流有較深的穿透深度,增加回流區(qū)內(nèi)的回流量,防止整個燃燒室頭部富油熄火;為了提高燃燒效率,采用16個?6mm的壁面補燃孔與3個直徑?20mm的中心補燃孔相結(jié)合的補燃方式補燃主燃區(qū)的未燃燃料;摻混孔采用4個?26mm的孔,用來調(diào)節(jié)出口溫度場。摻混孔后設(shè)計長200mm的由?90mm到?60mm的收縮段,一方面利于火焰筒內(nèi)壓力的升高,提高燃燒效率;另一方面有利于獲得均勻的出口溫度和速度分布。2.2測試系統(tǒng)組成實驗系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和內(nèi)涵核心射流模擬模型組成。如圖2所示。供氣系統(tǒng)是由一臺羅茨風機和相應(yīng)的輸氣管道組成,最大流量為1.5kg/s。供油系統(tǒng)由兩級油泵組成和一些相應(yīng)的油管油閥組成。實驗中由輸油閥和回油閥共同控制油路中的油壓來調(diào)節(jié)供油量的大小。點火系統(tǒng)由一臺高能點火器和點火電嘴組成,高能點火器的點火能量最大為0.5J。本實驗的測試系統(tǒng)主要包括四部分:(1)測量空氣流量的皮托管,U型管,壓力表和K型熱電偶。(2)測量燃油流量的精密壓力表。實驗中對所選用的離心噴嘴在同樣的輸油管路內(nèi)用精密壓力表預(yù)先標定,然后使用精密壓力表檢測,由標定值確定供油流量大小。(3)用于測量燃燒室出口參數(shù)的K型熱電偶(溫度)、皮托管及相應(yīng)的U型管(速度)、煙氣分析儀(氧氣含量),為了避免測試設(shè)備所帶來的截面堵塞,將它們固定在三維坐標架上,進行多點測量,本實驗采用的3D坐標架,行程精度為0.1mm。(4)用于觀測燃燒室內(nèi)燃燒火焰狀況的石英玻璃觀察窗,此觀察窗為圓形位于外涵道壁面,圓心與一個主燃孔同軸。試驗?zāi)康氖菧y量內(nèi)涵模擬模型件的性能和出口參數(shù)。內(nèi)涵核心射流模擬模型即為所設(shè)計的燃燒室。2.3燃氣溫度、速度和比的分布實驗?zāi)Ｐ椭苯优c風機出口供氣段相連。燃料為93#汽油,汽油相對于航空發(fā)動機中的煤油蒸發(fā)特性較好,燃燒的放熱量與理論空氣量都與航空煤油基本相似,因此,采用汽油所得到的高溫高速燃氣與煤油得到的燃氣成分相似,可以直接用于模擬渦扇沖壓組合發(fā)動機燃燒室的內(nèi)涵流動的模擬。分別在供氣量為0.236kg/s,0.292kg/s,0.342kg/s時,不同當量比下燃燒室出口燃氣的溫度、速度和氧氣分布和不同當量比下的燃燒效率進行實驗研究。在進行不同當量比下出口截面燃氣的溫度、速度和氧氣含量分布研究時,以出口截面圓心為坐標原點(o),在水平方向沿截面的半徑(r)移動3D坐標架,以7mm的間距為一個單元,在一個半徑方向上采集4個點記錄數(shù)據(jù),每個點采集5組數(shù)據(jù)進行平均。采集點如圖3所示。利用煙氣分析儀中的數(shù)據(jù),采用煙氣分析法定義的燃燒效率對燃燒效率進行分析。3結(jié)果與分析3.1對比實驗結(jié)果圖4是不同空氣流量下燃燒效率與當量比的變化關(guān)系,圖5是不同空氣流量下模型出口氧氣體積分數(shù)和當量比間的關(guān)系,圖6是不同空氣流量下模型出口溫度和當量比間的關(guān)系,圖7是模型出口馬赫數(shù)和當量比間的關(guān)系。圖4～圖7中,ma表示為不同的供氣量的質(zhì)量流量;Φ表示為汽油與空氣的當量比。由圖4可以看出,在各工況條件下此模型的燃燒效率都在98%以上,不同的燃燒室空氣流量下,燃燒效率變化趨勢基本一致,都隨當量比的增大而增加,增加到一定當量比時,燃燒效率下降。同時,空氣流量增加時,燃燒效率也有所提高。分析認為,燃燒效率取決于主燃區(qū)和補燃區(qū)內(nèi)的當量比,即整個燃燒區(qū)內(nèi)的當量比分布。離心噴嘴噴出的燃油在火焰筒前端主要集中在噴嘴霧化錐附近,呈霧化錐附近富油、壁面和軸心附近貧油的鞍型分布,到火焰筒后半部時軸心附近燃油分布相對于壁面附近相對較富。這樣在整個燃燒區(qū)內(nèi)存在不同的富油區(qū)和貧油區(qū)。當量比增加時,貧油區(qū)趨于化學(xué)恰當比,燃燒效率增加;而富油區(qū)遠離化學(xué)恰當比,燃燒效率降低。當貧油區(qū)對燃燒效率提高的貢獻大于富油區(qū)對燃燒效率的減小時,整個燃燒室燃燒效率升高,反之亦然。所以本實驗中當量比小于0.24時燃燒效率隨當量比的增加而升高,而大于0.24時燃燒效率隨當量比的增加反而降低。另外,燃燒室空氣流量的增加必然增加火焰筒內(nèi)的截面速度,混氣在火焰筒內(nèi)的停留時間縮短,這對于燃燒效率是不利的;但同時,空氣流量的增加也會增加主燃孔和補燃孔的穿透深度,從而增加其射流的紊流強度,紊流強度的增加會加快化學(xué)反應(yīng)速度,化學(xué)反應(yīng)速度的增加會提高燃燒效率。當化學(xué)反應(yīng)時間的縮短時間大于混氣停留時間時,燃燒效率提高。因此,出現(xiàn)本文中空氣流量增加燃燒效率反而升高的情況。由圖5可以看出,氧氣質(zhì)量分數(shù)隨當量比的增加而減小,在3個工況下,氧氣質(zhì)量分數(shù)14.7%～17.7%之間,與文獻中加力燃燒室的氧氣含量數(shù)據(jù)接近,能夠模擬超級燃燒室內(nèi)涵氣流中的氧氣含量的要求。由此可以得到結(jié)論,本文的模型,燃燒效率都大于98%,可以較好的模擬超級燃燒室的內(nèi)涵高溫燃氣,不會引起不利于超級燃燒室內(nèi)燃燒組織較為困難的污染物,氧氣含量模擬準確,符合超級燃燒室的氧含量要求。由圖6可以看出,在空氣流量為0.236～0.342kg/s時,隨著當量比的增加,燃燒室出口燃氣溫度的由750K升高到1050K。空氣流量一定時,燃燒室出口平均溫度隨著當量比的增加而升高;不同空氣流量下溫度變化趨勢基本一致,相同的當量比下,空氣流量大的溫度相對較高。分析認為,空氣流量不變時,燃油流量增加會增加整個燃燒室內(nèi)的放熱量,所以出口燃氣的溫度也隨之增加。在相同當量比下,空氣流量較大的出口溫度高是因為空氣流量的增加提高了燃燒室內(nèi)的燃燒效率。由圖7可以看出,在空氣流量為0.236～0.342kg/s時,隨著當量比的增加,燃燒室出口燃氣馬赫數(shù)由0.33變化到0.55?？諝饬髁恳欢〞r,燃燒室出口平均馬赫數(shù)隨著當量比的增加而升高;不同空氣流量下馬赫數(shù)變化趨勢基本一致,相同的當量比下,空氣流量大的馬赫數(shù)較高。當總壓和出口面積一定時,馬赫數(shù)與空氣流量與總溫的0.5次方的乘積成正比,即Ma∝ma?T???√(maΜa∝ma?Τ*(ma為空氣流量,T*為出口截面總溫)。在空氣流量一定時,溫度的升高必然導(dǎo)致馬赫數(shù)的增加;在空氣流量在0.236～0.342kg/s,溫度在750～1100K的變化范圍內(nèi),空氣流量的大小對馬赫數(shù)的影響起決定性作用,因此空氣流量大的馬赫數(shù)大。從燃氣的溫度和馬赫數(shù)范圍來講,此模型可以真實的模擬TBCC在整個工作過程中內(nèi)涵進口的溫度與速度條件。3.2燃燒溫度、溫度和氣量分布均勻的燃氣速度、溫度和氧氣含量分布是作為TBCC超級燃燒室渦輪涵道所要求的。本實驗?zāi)Ｐ蜑檩S對稱模型,通過試驗前對模型的數(shù)值模擬結(jié)果顯示,出口參數(shù)在周向分布也呈軸對稱的分布,實驗以數(shù)值模擬的結(jié)果為參考,只考慮徑向分布的不均勻性,選取同一半徑方向上的4個點作為測試點。圖8為不同空氣流量下模型出口截面的溫度分布圖,圖9為不同空氣流量下模型出口截面馬赫數(shù)分布圖。圖10為不同空氣流量下模型出口截面的氧氣體積分數(shù)分布圖。圖8～圖10中,ma表示為不同的供氣量的質(zhì)量流量;Φ表示為汽油與空氣的當量比;r代表出口同一半徑方向的坐標。由圖8～10可以看出,在各工況下模型出口的溫度、馬赫數(shù)和氧氣體積分數(shù)分布合理,參數(shù)基本均勻,各個工況下的參數(shù)差ΔT≤50K,ΔMa≤0.015,ΔO2%≤0.6。各工況下的馬赫數(shù)和溫度為中心高、壁面附近低的分布形狀,而氧氣體積分數(shù)分布則為中心處低壁面附近相對較高的分布形狀。在燃燒室流量一定時,各參數(shù)分布的差別隨當量比的增大而變大。流量變大時,各參數(shù)的分布不均勻度變大。分析認為,由于本文中的模型在摻混孔后采用收縮段,有利于燃燒室出口馬赫數(shù)、溫度和氧氣體積分數(shù)的均勻分布。另外,在摻混空前燃燒區(qū)內(nèi)各參數(shù)分布均勻的前提下,燃燒室出口截面的參數(shù)分布與摻混孔射流的穿透深度和摻混時間相關(guān)。由于摻混孔射流的冷氣分布在整個射流方向上流量和速度減弱,所以壁面附近高溫氣流的降溫比中心處的降溫幅度大,在穿透深度一定時,就會有溫度中心高壁面附近低的分布形式。而出口溫度分布同時決定著出口馬赫數(shù)和氧氣體積分數(shù)的分布。在相同的工況下,溫度越高馬赫數(shù)越大。氧氣的體積分數(shù)可以表征燃燒室的溫升大小,溫升越大,說明實際燃燒室的耗氧量越大,氧氣含量越低。在空氣流量一定時,摻混孔的穿透深度一定,隨著當量比越大,摻混孔后的溫度越高,摻混區(qū)內(nèi)的速度越大,摻混時間越短,高溫混氣和新鮮冷空氣的傳熱傳質(zhì)時間越短,所以隨著當量比的增大,參數(shù)的不均勻性也變大。當流量變大時,摻混射流深度變大,這對出口參數(shù)的均勻分布是有利的,但是流量的升高導(dǎo)致氣流速度大幅增加,摻混時間過短,出口截面參數(shù)分布不均勻,而圖8～圖10中表征隨氣流流量變大,不均勻性變大主要是因為摻混時間過短導(dǎo)致的。所以得到結(jié)論,本文中的模型出口截面的參數(shù)分布存在不均勻性,參數(shù)分布合理,各參數(shù)的不均勻性在允許的誤差范圍內(nèi),能夠作為超級燃燒室內(nèi)涵流動的進口條件。4高溫燃氣是熱燃劑,在低碳燃燒溫度下.通過本文研究,得到以下結(jié)論:(1)設(shè)計了可以模擬TBCC超級燃燒室內(nèi)涵核心射流的模型。(2)