超燃沖壓發動機燃氣取樣探針設計與試驗驗證

劉洪凱，張 杰，馮大強，劉重陽，蒙正猛

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621010)

1 引言

燃燒室是超燃沖壓發動機的核心部件之一，其工作過程復雜，影響因素眾多且相互耦合，如何評價其性能是燃燒室研究亟需解決的難題[1-2]。燃燒效率作為衡量燃料化學反應過程完全程度的指標，可直觀反映不同燃燒室的綜合性能差異，為燃燒室設計提供最直接、最真實的信息，是燃燒室綜合性能評價的一個重要指標，對超燃沖壓發動機燃燒室研制具有重要的指導作用。由于超燃沖壓發動機燃燒室內高焓、高速、激波等復雜條件的影響，燃燒效率通常不能直接獲取，需借助試驗、數值模擬等手段，再經試驗數據后處理間接得到[3-4]。目前，高溫燃燒效率主要采用氣體取樣法測量[5]，即應用燃氣取樣探針對燃燒室出口的氣體組分進行取樣分析，獲取出口截面上的氣體組分分布，進而獲得燃燒室出口截面上未發生化學反應的燃料量，再根據剩余燃料量與總燃料量之比推斷出燃燒室內的燃燒效率[5]。

氣體取樣法不僅測溫范圍大，而且測量精度和穩定性均高于熱電偶，為此日益受到國內外研究人員的重視。國外Colket等[6]對小尺度管道(0.075～2.000 mm)內的氣體流動進行了實驗研究，證實了保持合適的小尺度管道形狀和較大的壓比可建立超聲速流動，為取樣探針膨脹冷卻凍結化學反應提供了理論基礎。Mitani[7]等利用探針取樣-色譜分析法對超燃沖壓發動機燃燒室進行了取樣分析，獲得了燃燒效率。國內李鋒等[8]設計了在馬赫數2、總溫3 000 K、總壓790.355 kPa的超聲速流場中成功取樣的16點取樣探針，與取氣瓶、色譜儀等配套使用可獲取超燃沖壓發動機的燃燒效率，但由于色譜分析定性能力差，其組分測量結果誤差偏大，導致燃燒效率計算結果對燃燒室性能評估的可靠度降低。

本文基于超燃沖壓發動機試驗條件，在對燃氣取樣探針理論分析的基礎上，采用結構設計與流場分析相結合的方法，設計了一支6點燃氣取樣探針，并配套暫沖式取樣系統獲取了燃氣發生器(簡稱燃發器)出口高溫燃氣；采用連續在線式成分分析儀分析燃氣，準確獲取了燃發器出口超聲速氣流中氧氣、一氧化碳和二氧化碳的濃度，預估了燃發器的燃燒效率，可為超燃沖壓發動機綜合性能評估提供技術支持。

2 取樣探針設計

2.1 理論分析

超聲速流場中燃氣取樣最重要的準則是保持樣氣組分不變，即獲取具有取樣代表性的燃氣。化學反應凍結是取樣的關鍵，而燃氣流速大造成的激波也將對取樣產生影響。因此，取樣探針的設計應重點考慮以下問題：

(1)取樣流量的高效匹配。超燃沖壓發動機的工作時間只有1～6 s，有效取樣時間僅1～3 s。

(2)取樣探針的高效冷卻。超燃沖壓發動機出口總溫最高可達3 000 K，通過選取高溫合金和水冷技術確保探針有效冷卻，實現樣氣溫度在433.15±10 K范圍。

(3)樣氣的快速致冷。為防止燃氣組分繼續化學反應，應進行猝熄凍結化學反應處理，快速膨脹降溫。

(4)規避脫體正激波。為保證流場品質，避免脫體正激波對取樣的影響，取樣前必須保證取樣管路的高真空度。

(5)取樣探針堵塞比小，具有足夠的機械強度，能耐壓、耐振和耐熱沖擊。

2.2 結構設計

取樣探針設計主要包括頭部結構設計、傳熱計算、強度校核三方面。根據某型超燃沖壓發動機的試驗條件，表1給出了取樣探針設計指標。

超燃沖壓發動機試驗有效時間為1～6 s，取樣時間僅為1～3 s。為滿足分析儀流量需求，取樣流量不低于2 L/s，經計算取樣小孔直徑為0.5 mm。探針頭部要求有銳利的唇口，以避免產生脫體正激波。為此，探針頭部外形為30°前緣楔形結構，取樣流道采用 10°和 60°兩級擴張，壓比 12：1，擴張后流道內徑為4.0 mm。探針采用一體化6點設計，測量密度為0.15點/cm2。考慮加工工藝和冷卻換熱，取樣探針頭部采用GH3049加工，采用兩次擴張驟冷和對流冷卻雙重方式凍結化學反應。探針整個頭部都有水冷通道，冷卻水使處于高溫氣流中的探針得到保護。探針出口布置溫度和壓力傳感器，分別監測探針出口樣氣的溫度和壓力。圖1示出了取樣探針結構。假設取樣探針樣氣進口溫度為3 000 K，出口溫度為430 K，總傳熱量為24.17 kJ，冷卻水質量流量為0.096 kg/s，選用普通自來水即可達到冷卻要求。取樣探針的結構強度校核基于靜強度、靜剛度考慮，計算結果滿足靜強度安全系數大于1.25、剛度小于1.5%的要求。

2.3 流場分析

計算模型及網格如圖2所示。采用ICEM-CFD軟件進行網格劃分，網格數約為1 960萬。計算選用SSTk-ω模型，進口湍流強度為2.91%。采用SIMPLE算法實現壓力速度耦合，采用一階迎風格式進行離散求解。連續性方程、湍動能方程和耗散率方程均以10-5作為收斂依據，能量方程以10-6作為收斂依據。圖3為取樣探針內外流動計算結果，包含探針位于燃發器出口超聲速流場內的馬赫數和靜壓分布。圖4為燃氣取樣探針頭部中心線馬赫數對比圖，圖中橫坐標x=0表示取樣探針進口截面。

圖1 取樣探針結構圖Fig.1 Sketch of the sampling probe structure

根據圖3的計算結果，并結合圖4中馬赫數的變化可知，各取樣測點中心線上的模型參數分布一致性很好。超聲速氣流進入探針后，在兩級擴張段(x=0.001～0.006 m)中馬赫數迅速上升，相應的靜壓和靜溫在擴張段中降至最低。探針頭部擴張段區域內的馬赫數增大到約4.8，靜壓和靜溫大幅降低，靜溫最低至350 K以下，從數值仿真可看出探針頭部擴張段能實現快速凍結化學反應的要求。進入平直段后馬赫數逐漸下降，相應的靜壓和靜溫逐漸回升，再通過調節取樣探針冷卻通道的冷卻水供給量，燃氣取樣探針出口溫度可以有效控制在433.15±10 K范圍內。

圖2 取樣探針計算模型及網格Fig.2 Computational model and meshing for sampling probe

圖3 燃氣取樣探針內外流動計算結果Fig.3 Calculated results of flow inside and outside for the sample probe

圖4 取樣探針頭部中心線馬赫數對比Fig.4 Mach number comparison of the center line of the sample probe head

3 試驗方案

3.1 試驗系統

超燃沖壓發動機試驗系統是將超燃沖壓發動機的燃燒室直接與高溫來流模擬設備相連接的超聲速燃燒試驗設備，主要包括燃發器和發動機燃燒室，見圖5。其中，燃發器的功能是為發動機燃燒室提供相對均勻的高溫超聲速流場，具有效率高、升溫快等特點。燃發器采用酒精補氧燃燒加熱方式，加熱燃燒后的燃氣通過噴管加速，在燃發器出口穩流段產生高溫超聲速氣流，并模擬設定的發動機燃燒室入口參數。穩流段的功能是保證燃發器出口高溫超聲速氣流均勻發展，為發動機燃燒室入口提供均勻流場。發動機燃燒室采用燃油或其他形式的燃料組織燃燒。

圖5 試驗器簡圖及測試截面Fig.5 Test unit diagram and test section

3.2 測試方案

選擇穩流段出口為取樣截面，6點取樣探針安裝在該截面上，用以測量燃發器出口燃氣組分。燃氣取樣探針安全性和可靠性驗證試驗包括空氣校核試驗和燃料校核試驗。空氣校核試驗的試驗狀態為p空氣=2.1 MPa，T空氣=常溫，W空氣=2 kg/s；燃料校核試驗的試驗狀態為 p空氣=0.9 MPa，T空氣=常溫，W空氣=1.50 kg/s，W酒精=0.37 kg/s，W氧氣=0.13 kg/s。校核試驗中，發動機燃燒室均不點火。受暫沖式取樣系統限制，單次采用3點取樣，每個測點對應一個樣氣罐。取樣探針Probe-2測點出口、Probe-4測點出口和Probe-6測點出口分別連接暫沖式取樣系統中壓力編號為 p2、p4和 p6所對應的樣氣罐；穩流段出口截面壁面靜壓編號為 ps。取樣時間由燃發器工作時間決定。測試中，氧氣分析儀的測量原理為順磁氧式，測量量程為0～30%，測量精度為±1%F·S；一氧化碳分析儀的測量原理為NDIR，測量量程為0～-0.5%，測量精度為±1%F·S。二氧化碳分析儀的測量原理為NDIR，測量量程為0～10%，測量精度為±1%F·S。

4 試驗結果及分析

無燃料的空氣校核試驗，其目的是校核冷態下取樣探針的結構強度，測量空氣的氧氣含量，驗證取樣探針的安全性。有燃料的燃料校核試驗，其目的是校核熱態下取樣探針的結構強度，測量燃燒產物，評估燃發器燃燒效率，驗證取樣探針的可適性。

4.1 空氣校核試驗

試驗前，將燃氣取樣探針安裝在穩流段出口截面，探針出口連接暫沖式取樣系統。為減小測量誤差，采用真空泵將暫沖式取樣系統中的樣氣罐抽至接近真空狀態。壓力編號 p2、p4和 p6所對應的樣氣罐初始壓力分別為3.27 kPa、3.21 kPa和4.24 kPa。試驗中，點火器不工作，調節燃發器空氣供給壓力為2.1 MPa，穩定供給6 s，取樣時間為3 s。試驗的控制信號統一由燃發器試驗臺控制，試驗臺通過自動控制打開空氣供給閥門，基于設定時序提供24 V脈沖信號給暫沖式取樣系統，觸發暫沖式取樣系統控制燃氣取樣探針實現取樣連鎖動作。通過暫沖式取樣系統將樣氣儲存至樣氣罐中，利用氧氣分析儀對暫存的樣氣進行氧氣含量分析，并與理論值比對。

取樣開始與結束的時間點通過測試得到的取樣罐內壓力變化作為判定依據，壓力開始升高表明取樣開始，壓力停止升高表示取樣結束。圖6給出了空氣校核試驗取樣系統采集控制時序。由圖可知：取樣開始時刻燃發器已處于穩定工作狀態，取樣結束時刻仍在工作，整個取樣過程在燃發器有效工作范圍內，取樣數據有效。在3 s取樣時間內，樣氣罐內壓力迅速增加，到停止爬升時取樣壓力約80 kPa，滿足順磁氧測量原理的氧氣分析儀的測試需求。

圖6 空氣校核試驗取樣系統采集控制時序Fig.6 Controlling sequence of sampling probe system in air verification experiment

表2給出了空氣校核試驗燃發器出口樣氣中氧氣的含量。可見樣氣中氧氣含量的體積百分數與實際空氣中的理論值(22.01%)接近，3個測點的測量偏差分別為0.80%、0.27%、-0.18%，均在1%以內。這說明，一方面樣氣罐初始狀態具有高真空度，有效減小了樣氣罐內殘存空氣對測量結果的影響；另一方面表明燃發器出口流場較為均勻。

表2 空氣校核試驗燃發器出口組分測量結果Table 2 Measurement results of gas generator exit components in the air verification test

在空氣校核試驗中，成功獲取了2.1 MPa的超聲速流場中氧氣的含量，燃氣取樣探針在超聲速、強沖擊環境中幾何結構無異常，表明該探針具有良好的機械強度和較強的耐壓、耐沖擊能力，燃氣取樣探針設計可靠。

4.2 燃料校核試驗

試驗前準備工作與空氣校核試驗的相同，壓力編號 p2、p4和 p6所對應的樣氣罐初始壓力分別為3.22 kPa、3.18 kPa和 3.73 kPa。試驗中，空壓機充氣，調節燃發器所需的空氣、氧氣的試驗壓力，以及酒精流量。燃發器工作時間約為5 s，燃氣取樣時間為2 s。試驗的控制信號統一由燃發器試驗臺控制，試驗臺通過自動控制打開空氣供給閥門，基于設定時序提供24 V脈沖信號給暫沖式取樣系統，觸發暫沖式取樣系統控制燃氣取樣探針實現取樣連鎖動作。通過暫沖式取樣系統將樣氣儲存至樣氣罐中，利用一氧化碳、二氧化碳紅外分析儀和氧氣分析儀對暫存的樣氣進行組分分析。

圖7給出了燃料校核試驗取樣系統采集控制時序。由圖可知：整個取樣過程在燃發器有效工作范圍內，取樣數據有效。樣氣罐內壓力在104～154 kPa范圍內，滿足取樣分析要求。試驗后檢查取樣探針無異常，換熱冷卻和結構強度滿足取樣要求，說明探針系統冷卻效果良好；取樣過程正常，驗證了取樣探針可用于燃燒狀態下燃發器出口取樣組分的測量。

圖7 燃料校核試驗取樣系統采集控制時序Fig.7 Controlling sequence of sampling probe system in fuel verification experiment

表3給出了燃料校核試驗中燃發器出口組分測量結果。由表可知：燃發器穩定工作后，來流氧氣與酒精、空氣發生燃燒反應，燃氣取樣探針出口溫度在433.15±10 K范圍，可有效避免所生成的碳氫化合物和氮氧化物冷凝、吸附在取樣管路中，減小測量誤差。補氧后氧氣的含量與后端發動機燃燒室組織燃燒的成功與否息息相關，利用氧氣分析儀得到燃燒后剩余的氧氣含量約為22%，測量結果表明燃發器出口流場的氧氣分布較均勻。燃燒產物中一氧化碳含量約為0.26%，二氧化碳含量約為2.00%。燃燒生成的一氧化碳含量較多，二氧化碳含量不高，基于全成分法估算燃發器的燃燒效率約為83%。燃發器效率偏低的原因，是燃發器燃燒不完全或酒精與空氣以非化學恰當比混合，產生了大量的碳氫化合物氧化反應的中間產物一氧化碳，也可能與燃發器的工況、油氣匹配等有關。

表3 燃料校核試驗燃發器出口組分測量結果Table 3 Measurement results of gas generator exit components in the fuel verification test

5 結論

基于超燃沖壓發動機試驗條件，以燃氣取樣探針理論分析為基礎，利用結構設計和流場分析相結合的方法，完成了取樣探針的設計，并在燃發器出口超聲速環境下開展了試驗驗證，得到以下結論：

(1)空氣校核試驗測量的氧氣含量與理論值吻合，偏差小于1%。

(2)燃料校核試驗獲取了燃發器出口氧氣、一氧化碳、二氧化碳的含量，預估燃發器燃燒效率約為83%。

(3)利用燃氣取樣探針成功實現了燃發器出口超聲速流場的燃氣取樣，對超聲速燃氣取樣探針設計具有一定的指導意義。后續將進一步探索超燃沖壓發動機燃燒室出口超聲速流場的取樣研究，用以評估超燃沖壓發動機綜合性能。