劉洪凱，張 杰，馮大強，劉重陽，蒙正猛

(中國航發(fā)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(fā)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(shè)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(fā)動機燃燒室研制具有重要的指導作用。由于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)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(shù)值模擬等手段，再經(jīng)試驗數(shù)據(jù)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(fā)生化學反應的燃料量，再根據(jù)剩余燃料量與總?cè)剂狭恐韧茢喑鋈紵覂?nèi)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(wěn)定性均高于熱電偶，為此日益受到國內(nèi)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(nèi)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(jié)化學反應提供了理論基礎(chǔ)。Mitani[7]等利用探針取樣-色譜分析法對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室進行了取樣分析，獲得了燃燒效率。國內(nèi)李鋒等[8]設(shè)計了在馬赫數(shù)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(fā)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(jié)果誤差偏大，導致燃燒效率計算結(jié)果對燃燒室性能評估的可靠度降低。

本文基于超燃沖壓發(fā)動機試驗條件，在對燃氣取樣探針理論分析的基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計與流場分析相結(jié)合的方法，設(shè)計了一支6點燃氣取樣探針，并配套暫沖式取樣系統(tǒng)獲取了燃氣發(fā)生器(簡稱燃發(fā)器)出口高溫燃氣；采用連續(xù)在線式成分分析儀分析燃氣，準確獲取了燃發(fā)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(fā)器的燃燒效率，可為超燃沖壓發(fā)動機綜合性能評估提供技術(shù)支持。

2 取樣探針設(shè)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?；瘜W反應凍結(jié)是取樣的關(guān)鍵，而燃氣流速大造成的激波也將對取樣產(chǎn)生影響。因此，取樣探針的設(shè)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(fā)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(fā)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(shù)確保探針有效冷卻，實現(xiàn)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(xù)化學反應，應進行猝熄凍結(jié)化學反應處理，快速膨脹降溫。

(4)規(guī)避脫體正激波。為保證流場品質(zhì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計

取樣探針設(shè)計主要包括頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱計算、強度校核三方面。根據(jù)某型超燃沖壓發(fā)動機的試驗條件，表1給出了取樣探針設(shè)計指標。

超燃沖壓發(fā)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(jīng)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(chǎn)生脫體正激波。為此，探針頭部外形為30°前緣楔形結(jié)構(gòu)，取樣流道采用 10°和 60°兩級擴張，壓比 12：1，擴張后流道內(nèi)徑為4.0 mm。探針采用一體化6點設(shè)計，測量密度為0.15點/cm2?？紤]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(jié)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(jiān)測探針出口樣氣的溫度和壓力。圖1示出了取樣探針結(jié)構(gòu)。假設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)強度校核基于靜強度、靜剛度考慮，計算結(jié)果滿足靜強度安全系數(shù)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(wǎng)格如圖2所示。采用ICEM-CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)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(xiàn)壓力速度耦合，采用一階迎風格式進行離散求解。連續(xù)性方程、湍動能方程和耗散率方程均以10-5作為收斂依據(jù)，能量方程以10-6作為收斂依據(jù)。圖3為取樣探針內(nèi)外流動計算結(jié)果，包含探針位于燃發(fā)器出口超聲速流場內(nèi)的馬赫數(shù)和靜壓分布。圖4為燃氣取樣探針頭部中心線馬赫數(shù)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(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch of the sampling probe structure

根據(jù)圖3的計算結(jié)果，并結(jié)合圖4中馬赫數(shù)的變化可知，各取樣測點中心線上的模型參數(shù)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(shù)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(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)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(shù)值仿真可看出探針頭部擴張段能實現(xiàn)快速凍結(jié)化學反應的要求。進入平直段后馬赫數(shù)逐漸下降，相應的靜壓和靜溫逐漸回升，再通過調(diào)節(jié)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(nèi)。

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

圖3 燃氣取樣探針內(nèi)外流動計算結(jié)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(shù)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(tǒng)

超燃沖壓發(fā)動機試驗系統(tǒng)是將超燃沖壓發(fā)動機的燃燒室直接與高溫來流模擬設(shè)備相連接的超聲速燃燒試驗設(shè)備，主要包括燃發(fā)器和發(fā)動機燃燒室，見圖5。其中，燃發(fā)器的功能是為發(fā)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(fā)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(fā)器出口穩(wěn)流段產(chǎn)生高溫超聲速氣流，并模擬設(shè)定的發(fā)動機燃燒室入口參數(shù)。穩(wěn)流段的功能是保證燃發(fā)器出口高溫超聲速氣流均勻發(fā)展，為發(fā)動機燃燒室入口提供均勻流場。發(fā)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(wěn)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(fā)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?？諝庑：嗽囼灥脑囼灎顟B(tài)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(tài)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(fā)動機燃燒室均不點火。受暫沖式取樣系統(tǒng)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(tǒng)中壓力編號為 p2、p4和 p6所對應的樣氣罐；穩(wěn)流段出口截面壁面靜壓編號為 ps。取樣時間由燃發(fā)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(jié)果及分析

無燃料的空氣校核試驗，其目的是校核冷態(tài)下取樣探針的結(jié)構(gòu)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(tài)下取樣探針的結(jié)構(gòu)強度，測量燃燒產(chǎn)物，評估燃發(fā)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(wěn)流段出口截面，探針出口連接暫沖式取樣系統(tǒng)。為減小測量誤差，采用真空泵將暫沖式取樣系統(tǒng)中的樣氣罐抽至接近真空狀態(tài)。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(diào)節(jié)燃發(fā)器空氣供給壓力為2.1 MPa，穩(wěn)定供給6 s，取樣時間為3 s。試驗的控制信號統(tǒng)一由燃發(fā)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(shè)定時序提供24 V脈沖信號給暫沖式取樣系統(tǒng)，觸發(fā)暫沖式取樣系統(tǒng)控制燃氣取樣探針實現(xiàn)取樣連鎖動作。通過暫沖式取樣系統(tǒng)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(jié)束的時間點通過測試得到的取樣罐內(nèi)壓力變化作為判定依據(jù)，壓力開始升高表明取樣開始，壓力停止升高表示取樣結(jié)束。圖6給出了空氣校核試驗取樣系統(tǒng)采集控制時序。由圖可知：取樣開始時刻燃發(fā)器已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，取樣結(jié)束時刻仍在工作，整個取樣過程在燃發(fā)器有效工作范圍內(nèi)，取樣數(shù)據(jù)有效。在3 s取樣時間內(nèi)，樣氣罐內(nèi)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(tǒng)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(fā)器出口樣氣中氧氣的含量?？梢姌託庵醒鯕夂康捏w積百分數(shù)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(nèi)。這說明，一方面樣氣罐初始狀態(tài)具有高真空度，有效減小了樣氣罐內(nèi)殘存空氣對測量結(jié)果的影響；另一方面表明燃發(fā)器出口流場較為均勻。

表2 空氣校核試驗燃發(fā)器出口組分測量結(jié)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(huán)境中幾何結(jié)構(gòu)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(shè)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(diào)節(jié)燃發(fā)器所需的空氣、氧氣的試驗壓力，以及酒精流量。燃發(fā)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(tǒng)一由燃發(fā)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(shè)定時序提供24 V脈沖信號給暫沖式取樣系統(tǒng)，觸發(fā)暫沖式取樣系統(tǒng)控制燃氣取樣探針實現(xiàn)取樣連鎖動作。通過暫沖式取樣系統(tǒng)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(tǒng)采集控制時序。由圖可知：整個取樣過程在燃發(fā)器有效工作范圍內(nèi)，取樣數(shù)據(jù)有效。樣氣罐內(nèi)壓力在104～154 kPa范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)強度滿足取樣要求，說明探針系統(tǒng)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(tài)下燃發(fā)器出口取樣組分的測量。

圖7 燃料校核試驗取樣系統(tǒng)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(fā)器出口組分測量結(jié)果。由表可知：燃發(fā)器穩(wěn)定工作后，來流氧氣與酒精、空氣發(fā)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(fā)動機燃燒室組織燃燒的成功與否息息相關(guān)，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(jié)果表明燃發(fā)器出口流場的氧氣分布較均勻。燃燒產(chǎn)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(fā)器的燃燒效率約為83%。燃發(fā)器效率偏低的原因，是燃發(fā)器燃燒不完全或酒精與空氣以非化學恰當比混合，產(chǎn)生了大量的碳氫化合物氧化反應的中間產(chǎn)物一氧化碳，也可能與燃發(fā)器的工況、油氣匹配等有關(guān)。

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

5 結(jié)論

基于超燃沖壓發(fā)動機試驗條件，以燃氣取樣探針理論分析為基礎(chǔ)，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計和流場分析相結(jié)合的方法，完成了取樣探針的設(shè)計，并在燃發(fā)器出口超聲速環(huán)境下開展了試驗驗證，得到以下結(jié)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(fā)器出口氧氣、一氧化碳、二氧化碳的含量，預估燃發(fā)器燃燒效率約為83%。

(3)利用燃氣取樣探針成功實現(xiàn)了燃發(fā)器出口超聲速流場的燃氣取樣，對超聲速燃氣取樣探針設(shè)計具有一定的指導意義。后續(xù)將進一步探索超燃沖壓發(fā)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(fā)動機綜合性能。