电阻加热的超音速燃烧实验设备研制和初步实验研究

1电阻加热的超音速燃烧实验设备研制和初步实验研究乐嘉陵宋文艳王靛陈亮*（西北工业大学动力与能源学院，陕西，西安，710072）摘要：本文采用电阻加热的连续式实验设备，在燃烧室进口气流为高温纯净空气、Ma数M=2、总温Tt=1000K，总压Pt=0.8MPa条件下，进行了不同当量油气比的氢和乙烯燃料的超音速燃烧室直连式实验。采用从壁面垂直主流喷射燃料和以氢作为先锋火焰，实现了乙烯燃料的可靠点火和稳定燃烧。实验测量了燃烧室的壁面压力、空气流量、燃料喷射压力、设备喷管进口总温等，并拍摄了燃烧室出口火焰。本文实验采用的电阻加热设备具有实验介质无污染、稳定运行时间长、工作性能稳定、成本低、操作简单等优点，其主要部件电阻加热器出口的最高温度可达600～1000K，对应的流量为1.5～0.73kg/s、加热器功率为750KW。关键词：超燃冲压发动机；超音速燃烧室；电阻加热器；乙烯；先锋火焰；燃烧实验ResearchonResistanceHeatedFacilityforSupersonicCombustionandPreliminaryExperimentLeJialing,SongWenyan,WangDian,ChenLiang（SchoolofPowerandEnergy，NorthwestPolytechnicalUniversity，Shaanxi，Xi’an，710072，China）Abstract:Inthepaper,theresistanceheatedandcontinuousfacilityisadoptedtofinishscramjetcombustorexperimentresearchonhydrogen-fueledandethylene-fueledignitionandcombustionatdifferentequivalenceratio.Thecontinuouscleanairflowofflowratio0.73kg/s,totaltemperatureTt=1000K,MachnumberM=2.0,totalpressurePt=0.8MPaisavailabletotheinletofdirect-connectedexperimentalmodel.Successfulethyleneignitionandsustainedmainstreamcombustionisachievedwithnormalfuelinjectionandtakinghydrogenaspilotflame.Thewallpressureofcombustormodel,airflowratio,fuelinjectionpressureandtotaltemperatureinfacilitynozzleinletaremeasured.Thevideorecordsoftheflamezoneincombustorexitareshown.Theresistanceheatedfacilityhasmanypracticaladvantages,includingcleantestmedium,longandstableoperationtime,stableperformance,lowoperatingcost,simpleoperation.Theexittotaltemperatureoftheresistanceheaterasmaincomponentofthefacilitycanreachabout600－1000Kcorrespondingtoairflowratioof1.5－0.73kg/s,heaterelectricpowerof750KW.Keywords:Scramjet;Supersoniccombustor;Resistanceheater;Ethylene;Pilotflame;Combustionexperiment*高等学校博士学科点专项科研基金资助。地面试验、飞行试验和理论研究一体化的手段是研制超燃冲压发动机的技术途径，而其中地面实验是关键和基础。为了能在地面进行超燃冲压发动机实验研究，必须建造能模拟高超音速飞行状态的高焓、高压、高Ma数和气体组分的地面模拟设备,从而能在十分接近实际飞行条件的超音速和高超音速风洞中进行实验。模拟气流焓值往往采用加热器加热气流，并保证实验气体中氧气体积组分与空气中的一致。目前国内外进行超燃冲压发动机地面实验主要使用了两类风洞：脉冲式风洞和连续式风洞，国内外采用的加热方式主要有燃烧加热、电弧加热、蓄热加热、激波加热等，这些加热方式都有各自的优点和局限性，其中一些加热方法会产生实验气体污染问题（实验气体组分与实际飞行条件下的真实气体组分有差异）。国内外研究表明，污染气体的实验结果不同于实际飞行条件下真实气体的实验结果[1][2]。实验气体污染主要是对发动机燃烧室性能产生重要的影响，进而直接影响发动机的推力性能和起动性能等。已往国外针对实验气体污染对氢燃料超音速燃烧特性的影响进行过较多的研究，但针对实验气体污染对碳氢燃料超音速燃烧性能影响的研究甚少[1][2]。采用燃烧加热，启动时间短，但会产生实验气体污染问题。如氢燃烧加热器可将气体加热到2600K，但实验气体中含有一定量的H2O、O、H、OH和NO等，水组分含量高于空气。煤油燃烧加热器可将气流加热到2300K，但存在CO、CO2污染问题。电弧加热可将气流加热到3000K，启动时间短，但会产生NOX和少量杂质粒子，气体会离子化，对实验结果产生影响。采用卵石床蓄热式加热器的加热温度最高可达2200K，但启动时间长，同时会产生较多的杂质微粒。采用激波管最高加热温度可达6000K以上，无实验气体污染问题，但实验时间极短，不利于燃烧性能研究。采用蓄热式电阻加热器，无实验气体的污染问题，但启动时间较长，最高加热温度低于1300K。超燃冲压发动机燃烧室设计的挑战性问题之一是在短的停留时间和宽的飞行Ma数范围内，使燃烧室点火可靠、燃烧稳定、燃烧效率高、损失低。在超音速燃烧室中，燃烧效率主要取决于燃料/空气的混合效率，燃料喷射和混合增强在超音速燃烧室设计中起着重要的作用。本文采用电阻加热的超燃冲压发动机燃烧室实验设备，模拟双模态超燃冲压发动机在飞行Ma数M0≈4时的燃烧室进口条件，进行超音速燃烧室结构方案设计和纯净高温空气来流下的超音速燃烧室直联式实验研究，研究在超燃燃烧室内实现着火和稳定燃烧的方法和途径，研究火焰稳定器结构、供油规律和点火方式等对燃烧性能的影响。1实验设备简介电阻加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统，主要由气源系统、电阻加热器系统、燃料供应和调节系统、排气系统、控制和数采系统、监控系统等组成。该实验系统的主要设备照片见图1。箱式变电站的配电总功率为1600KW。目前电阻加热器采用多台子电加热器并联结构，各子电加热器的最大功率均为125kW，该加热器具有加热效率高、热惯性小、体积小、加温温度高等优点，电加热器热效率约0.88。为保证电加热器的可靠性，通常情况下不使电加热器处于满功率工作状态，一般取小于95%。目前所需最大功率为750KW。加热器中采用的蓄热材料耐温不大于1400K，通过加热器的气流温度可达600～1000K，对应的空气流量为1.5～0.73kg/s。加热器对气流的加热速率随出口温度增加而降低，图2给出了加热器出口气流温度的测量曲线，由图可见加热器出口温度为1000K时，升温时间小于4分钟。空气气源耐压6.0MPa,容积18m3。根据目前的气源容量，电阻加热的实验系统稳定工作时间大于30秒。空气调节装置能保证空气以稳定的压力和流量进入加热器，空气调节装置出口压力能在0.4～5.0MPa之间可调。燃料调节装置能保证将燃料储箱中的燃料以稳定的压力和和流量喷入超音速燃烧室中。气体和液体燃料通过减压器、截止阀、流量计、单向阀等调节和控制，为安全起见，供燃料流路采用了单向阀、截止阀和氮气吹除装置。液体和气体燃料流路均与氮气供应流路相连，在燃料喷入燃烧室前后，液体和气体燃料流路都需要用氮气吹除。液体和气体燃料供应流路简图见图3。常温气流经加热器加热后被分成两路,当加热器出口气流温度达到实验要求的温度之后，加热器出口气流被切换到主路，然后通过圆转方段和设备喷管进入超音速燃烧室实验模型。气流经与喷入的燃料混合燃烧后，最后经排气系统排入大气。加热器出口管道直径100mm，设备喷管进、出口截面均为矩形，设备喷管出口Ma数为2.0。该设备可模拟超燃冲压发动机飞行Ma数为M0=3～4时的燃烧室工作状态，为超音速燃烧室进口提供连续和纯净的、温度600K～1000K、流量1.5～0.73kg/s，总压0.4～5MPa、M=2.0的实验气流，并可进行超音速燃烧室性能实验。2超音速燃烧室实验模型燃烧室实验模型被设置在设备喷管下游，进口面积为30×40mm2，总长度为770mm，总扩张比约为2.0。燃烧室由等面积段和扩张段组成。燃烧室四个壁面采用可拆卸的结构，以利于光学测量、测量仪器安装和较大范围的结构调整设计。将直流式燃料喷嘴和凹槽火焰稳定器设置在燃烧室扩张段的下壁面，凹槽采用了带后楔面的结构。两个燃料喷嘴和一个点火器分别被设置在凹槽上游和凹槽底部（见图4）。针对实验加工了不同孔径和孔数的喷嘴，燃料喷孔直径0.3～0.8mm。在燃烧室的上、下壁面和側壁面设计了近150个壁压测点。燃烧室点火系统包括火花塞、变压器、直流电源和控制器等，火花塞的点火能量约12J。实验模型结构设计采用了可拆卸的填块，以利于调整凹槽长高比、喷嘴结构和点火器位置等，从而可研究不同的火焰稳定器结构、供油规律和点火方式对燃烧性能的影响。Time(s)Heaterexittemperature(K)01002004006008001000T=1000KT=900KT=800KT=700K燃烧室模型混合器旁路排气管冷却水箱设备喷管电阻加热器图1实验系统主要设备照片图2电阻加热器出口气流温度测量曲线Fig.1mainfacilityphotographoftestfacilityFig.2Heaterexittotaltemperaturemeasurement气体燃料液体燃料氮气压力表流量计压力传感器手动阀单向阀过滤器减压器截止阀阀门控制气路液体燃料供应气路气体燃料供应气路氮气气体燃料气体燃料供应气路图3液体和气体燃料供应系统简图图4超音速燃烧室内流道结构简图Fig.3LiquidandgasfueldeliverysystemschematicsFig.4Supersoniccombustorchamberschematic3～100K的48通道并行采集系统，采集存储可达到每通道1M样点。该系统包括DSG－9803通用动态应变放大器、IDTS－4516U便携数据采集仪和Dasview2.0支持软件。放大器可以提供应变计、测力计、动态压力和扭矩等多种传感器类型的电压激励和信号调理功能，同时也可以作为通用的热电偶、电流转换和小电压信号放大调理仪器，对共模信号有很好的抑制作用。仪器具有自动调平衡功能，每通道拥有独立可程控的放大器，和滤波器通道之间信号隔离度高，输出线性度好，具有较宽的频带响应和较高的精度，可支持程控和手动两种模式的操作。Dasview2.0软件，可驱动多通道数据采集器，完成配置和采集工作，显示和分析波形数据。实验测量了空气源压力、加热器进、出口气流压力和温度、各子加热器出口温度、空气流量、设备喷管进口气流压力和温度、燃料流量、燃料喷射总压、超音速燃烧室上、下壁面压力、旁路排气温度等。监控系统有四个监控点，可对整个实验过程进行监控和录像。在燃烧室实验模型的两侧壁面对称设置了观测窗，通过观测窗，可对燃烧室凹槽附近的流场进行光