燃燒室高溫燃油的密度變化特性及控制方法研究

王想義,張 磊,張若凌,蔣 勁

中國空氣動力研究與發展中心 高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室,四川 綿陽 621000

0 引 言

作為吸氣式高超聲速飛行器的典型動力裝置,超燃沖壓發動機是一種飛行馬赫數(Ma)大于5、以大氣中的氧氣作為氧化劑、能夠長時間運行的推進裝置。與其他飛行器的發動機相比,超燃沖壓發動機具有速度快、比沖高、航程遠、經濟安全、可重復使用等優點。美國和俄羅斯等航空航天大國都將超燃沖壓發動機作為研究的重點,并開展了大量的理論及試驗研究工作[1-4]。

超燃沖壓發動機燃燒室的熱防護技術是當今的研究熱點。當飛行速度為Ma＝6時,來流氣體總溫超過1600 K,燃燒室內燃燒氣流的溫度將高達2700 K,即使最先進的材料也無法長時間承受如此高的溫度[5]。目前普遍認為,飛行馬赫數高于5．5時,長時間運行的燃燒室可以采用主動冷卻結構來實現冷卻,即采用飛行器自身攜帶的碳氫燃油先對燃燒室壁面進行主動冷卻,然后再注入燃燒室內進行燃燒[6-7]。主動冷卻燃燒室的工作過程如圖1所示。

圖1 主動冷卻燃燒室的工作過程示意Fig.1 The working process and active cooling of combustor

主動冷卻燃燒室點火后,冷卻通道內燃油溫度逐漸升高,最終達到穩定工作狀態。在起動過程中,液體碳氫燃油流過細小冷卻管道時會帶走熱量使燃燒室固壁得到冷卻,與此同時燃油溫度會逐漸升高。穩定工作時,冷卻通道出口燃油為高溫高壓(溫度＞900 K,壓力＞3 MPa)狀態[8-9],燃油物性顯著變化,增大了噴注控制的難度。

本文對燃燒室主動冷卻通道內的高溫高壓燃油的工作特性進行分析,研究燃油密度的變化特性,設計能夠適應燃油密度大幅度變化的高溫高壓燃油噴注控制方法并開展燃燒室燃油噴注調控試驗。通過計算和試驗的對比,驗證高溫燃油密度計算及測控方法的有效性。

1 高溫高壓燃油密度變化特性

主動冷卻燃燒室典型燃油為RP-3航空煤油。采用碳氫化合物物性計算程序,得到燃油密度隨溫度和壓力的變化曲線如圖2所示。

圖2 RP-3密度隨溫度和壓力變化Fig.2 The density of RP-3 vs.temperature and pressure

由上圖可知,不同壓力下的燃油密度都會隨著溫度的升高而逐漸降低,在臨界溫度附近變化最為顯著。圖2采用的計算方法與文獻[8-11]相同。

由此可見,準確掌握冷卻通道內燃油溫度、壓力和密度等參數,對于燃油測控系統設計有著重要意義。燃油測控系統必須適應燃油密度顯著變化的情況。當燃油溫度極高、密度極小時,必須合理設計燃油噴注壓力和噴孔面積。本文將利用圖2中的燃油溫度和壓力來確定燃油的密度。

2 燃油測控系統

燃燒室工作狀態控制的核心是燃油的輸送控制[12]。由于燃油溫度變化會引起燃油密度的劇烈變化,進而引起噴注壓力的改變。如果燃油輸送控制不當,會嚴重影響燃燒室的正常工作。

在燃油噴注前,常溫燃油在通過燃燒室細小冷卻通道時帶走熱量,使燃燒室固壁得到冷卻。為滿足燃油正常輸送的要求,冷卻通道出口燃油壓力要求在其臨界值以上。當溫度超過850 K時,冷卻通道內的燃油會發生裂解,生成大量分子量較小的碳氫化合物,其物理和化學性質將發生巨大變化[10-11],嚴重影響燃油測控系統的正常工作。此外,合適的噴孔前燃油壓力(燃油噴注壓力)對燃燒室的正常點火燃燒非常重要。

為了同時適應常溫燃油點火與高溫燃油穩定工作兩種狀態,燃油測控系統需要完成燃油溫度和壓力的測量,并能進行燃油噴注壓力的合理控制。

典型的地面試驗燃油測控系統如圖3所示。燃燒室參數測量系統為發動機測控系統提供測量數據,用于監測燃燒室狀態并完成燃油噴注控制等功能,其關鍵參數就是燃油溫度和壓力。此外,采集的試驗數據可用于驗證并改進燃燒室設計及分析方法。

圖3 燃油控制系統原理示意Fig.3 The principles of measurement and control for combustor

燃燒室參數測量系統需要確定合適的測點位置以及傳感器的量程和精度,并匹配傳感器與數據采集的接口。

K，α——與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，本工程為中硬巖石，K取150，α取1.8。

2.1 燃油溫度與密度變化

為滿足燃燒室正常工作條件,燃油噴注壓力一般約為4 MPa。在主動冷卻燃燒室工作過程中,燃油溫度會由常溫(約300 K)升高至約1000 K,由圖2可知,在不考慮裂解反應的情況下,燃油密度會大幅下降。當燃油流量一定時,燃油密度降低會引起噴注壓力大幅升高。因此,在設計供油方案時需要掌握燃油的沿程溫度和壓力,合理配置燃油噴注面積,從而合理控制燃油壓力。

在主動冷卻通道燃油工作的起始階段,燃油溫度低、密度高,所需的噴孔面積小;穩定工作時燃油溫度高、密度低,所需噴孔面積大。因此,在控制噴注壓力時,需要利用燃油溫度與密度變化的關系。

本文采用調節噴孔面積的方案控制高溫燃油的噴注壓力,即隨著燃油溫度的升高逐漸擴大噴注面積,使噴注壓力滿足要求。當達到穩定工作狀態時,燃油溫度基本維持恒定,噴注面積和噴注壓力也基本不再變化。

2.2 油壓調控方案

為實現高溫燃油噴注控制,需要完成兩方面工作:1)燃油物性預測,即燃油溫度、密度和壓力預測;2)燃油流量、噴注壓力、密度與噴孔面積的匹配,即滿足噴孔流量公式:

式中,為質量流量,ζ為流量系數,A為噴孔面積,ρ為密度,Δp為噴注壓差。

根據上式,當燃油密度無變化,質量流量和噴孔面積保持恒定時,則噴注壓力維持不變;當質量流量恒定、燃油密度變化較大時,如要維持噴注壓力基本不變,則噴孔面積需作較大調整。

燃油噴孔為限流孔,相當于收斂通道,根據氣體壅塞的原理,超臨界燃油最大噴速只能是聲速。管路的當量通徑比噴孔大,忽略三維效應時,高溫燃油的流動可以簡化為變截面的一維等熵流,利用能量守恒以及等熵關系式[13],通過迭代計算,可以得到噴孔前燃油的靜溫、靜壓、密度以及噴速,并確定燃油流量和噴前壓力的關系。

能量守恒以及等熵關系式如下:

式中,h為焓,a為聲速,T為燃油溫度,p為燃油壓強,s為熵,下標t表示駐點。由于噴孔前燃油流速低,計算時可將噴孔前的燃油靜溫和靜壓作為總溫和總壓,并忽略噴孔前流速。

噴孔面積調節控制方案的理想狀態是噴孔面積無級調節,本文采用三組噴孔面積調節方案設計燃油輸送系統,如圖4所示。

圖4 噴孔面積調節系統示意Fig.4 The regulating scheme of the area of fuel injection holes

針對某主動冷卻燃燒室,進行了噴孔面積調節燃油噴注的計算分析。采用RP-3航空煤油,利用式(1)～(3)以及圖2的曲線,經代數迭代計算,使三組噴孔面積能夠同時滿足噴注和穩定燃燒要求。

噴孔面積調節方案需要確定的關鍵參數是噴孔調節時刻,選擇不當會使噴注壓力過低引起燃燒室熄火。利用圖2和式(1)～(3),借助碳氫燃油一維管道流動計算軟件,當噴孔面積確定后,燃油溫度達到一定值,就可以計算得出燃油噴注壓力和密度的變化值。基于此,在滿足燃油噴注壓力限制的條件下,進行了一組計算,無量綱噴孔面積(總面積比初始面積)、無量綱噴注壓力(噴注壓力比初始壓力)和燃油密度隨溫度變化曲線如圖5所示?？梢钥吹?隨著燃油溫度的升高,燃油密度大幅下降,必須合理調整燃油噴孔面積才能使燃油噴注壓力滿足要求。

由圖5可知,打開噴孔1時燃燒室點火;之后燃油溫度逐漸升高、密度逐漸降低,導致噴注壓力較高,為確保燃油噴注壓力滿足要求,當燃油溫度達到一定值時需打開噴孔2;打開噴孔2后,燃油壓力降低至合理范圍,但燃油溫度還在繼續升高、密度繼續降低、噴注壓力繼續升高,為確保燃油噴注壓力滿足要求,當燃油溫度達到另一值時需打開噴孔3。需要指出的是,在噴孔面積確定和滿足燃油噴注壓力限制的條件下,打開噴孔2和3的溫度是一個范圍。當燃油溫度達到基本穩定狀態時,燃油壓力也基本維持不變。

圖5 噴孔面積和燃油密度隨溫度變化Fig.5 The fuel injection area and density vs.temperature

根據上述分析和計算結果,設計了地面試驗燃油輸送及噴注控制系統,如圖4所示。油溫傳感器采用K型熱電偶,測量精度±10 K,響應時間約1 s。燃油壓力采用壓力傳感器進行測量,量程0～10 MPa,測量精度±0．5%。

由于燃油工作溫度300～1000 K,溫度測量誤差對燃油輸送控制影響較小。溫度測量的延遲,會使噴注壓力調控略微滯后,實際工作中可以根據燃油噴注壓力調整開啟閥門對應的油溫閾值。

不同的燃燒室,對噴孔的位置、噴注燃油流量和壓力的要求是不同的。利用本文的噴孔面積調節控制方案和計算方法,能夠開展各個噴孔的流量和壓力匹配設計。

3 高溫高壓燃油測控試驗結果分析

在直連式燃燒試驗平臺開展某主動冷卻燃燒室的燃油噴注調控試驗。試驗中采用燃油泵供油,流量控制精度約為±0．2%。試驗中,燃油泵輸出流量保持不變。

為驗證燃油測控方法和上節應用的變截面一維等熵流假設,測量了燃油噴注壓力和溫度。如圖6所示,試驗流程為:1)設備吹冷空氣,同時打開冷卻燃油并進行噴注;2)風洞設備點火建立來流后,打開噴孔1,燃燒室點火工作;3)燃油溫度達到一定值,打開噴孔2;4)燃油溫度達到另一值,打開噴孔3;5)試驗結束,關閉所有噴孔;6)風洞設備吹冷空氣,然后進入關閉程序。

圖6 主動冷卻燃燒室啟動過程試驗流程Fig.6 The test procedure of starting process of actively cooled combustor

試驗得到的燃油無量綱噴注壓力和溫度隨時間分布曲線如圖7所示。由圖可知,當閥門1打開,燃燒室點火后,燃油溫度逐漸升高、燃油密度逐漸降低,導致噴注壓力逐漸升高。為合理控制燃油噴注壓力,打開閥門2。之后,燃油溫度繼續升高、燃油密度繼續降低,導致噴注壓力繼續升高,為合理控制燃油噴注壓力,打開閥門3。最后,燃油溫度和噴注壓力基本維持穩定。試驗結果表明,在燃油溫度大幅升高(密度大幅降低)的工作過程中,燃油噴注壓力滿足要求,燃油輸送及測控系統工作正常,燃燒室正常完成了啟動過程。

圖7 燃油壓力和溫度曲線Fig.7 The fuel injection pressure and temperature

在求解高溫燃油通過噴孔的流動時,利用了流體通過變截面的一維等熵流動假設(式(1)～(2))。采用一車數據來定量說明該假設的準確性,如圖8所示。利用測得的燃油溫度和壓力,并結合圖2來確定燃油的密度。

圖8 燃油噴注壓力的試驗與計算對比Fig.8 The comparison of the injection pressure between test and calculation

由圖可知,在計算選擇的5個點處燃油密度由751 kg/m3逐漸降低至111 kg/m3(冷態時密度約為780kg/m3)。無量綱燃油噴注壓力的試驗與計算結果吻合較好,最大偏差7．0%。在約26．4 s處,受閥門突然開啟的影響(開啟時間約0．5 s),高溫燃油通過噴孔時產生一個突變點。在閥門開啟過程中實際噴孔面積不便確定,如果采用前文所述計算方法,視實際噴孔面積為閥門開啟后的噴孔面積,將產生很大誤差。

燃油噴注壓力和密度大幅變化過程與計算結果較為吻合,驗證了高溫燃油密度計算方法和測控方法的有效性。

4 結 論

針對主動冷卻通道內燃油工作特性進行了分析,給出了能夠適應高溫燃油密度大幅度變化的噴注壓力調控方案。為確定燃油密度變化對調控方案的影響,在直連式燃燒試驗平臺上開展了燃油噴注壓力調控試驗。通過計算分析和試驗驗證,得到以下結論:

1)燃燒室主動冷卻通道出口的燃油溫度大幅度升高使燃油密度大幅降低,需合理控制燃油噴注壓力以維持燃燒室正常工作;

2)噴孔面積調節方案能夠維持燃油測控系統正常工作,并解決了燃燒室在啟動過程中的控制問題;

3)基于變截面的一維等熵流動假設建立的高溫燃油噴注控制方法,得到的燃油壓力計算分析與試驗結果偏差小于7%,驗證了高溫燃油密度計算方法和測控方法的有效性。