冲压喷雾干燥机点火起动试验研究

冲压喷雾干燥机点火起动试验研究

1点火延迟时间压力汽气箱是依靠高速导向空气流的压力和压迫作用工作的空气燃气发动机。一般来说，压力汽车不能单独移动。有必要使用原油和其他添加剂加速到一定步长世。在助推器脱落后,冲压发动机起动前的这段时间内,飞行器会暂时失去动力而减速,燃烧室的点火条件会变得严酷。因此,冲压发动机设计要求通常提出点火延迟时间的技术指标。冲压发动机的点火可靠性及点火延迟时间的长短对发动机及飞行器的工作稳定性具有十分重要的影响,必须尽量缩短点火延迟时间。文献对不同类型发动机的点火性能进行了研究,影响发动机点火延迟时间的因素很多,包括点火器类型、点火器空间布局、点火器工作参数等。对具有四个旁侧进气道和一个机械火焰稳定装置的冲压喷气发动机的点火性能进行了直连式试验研究。通过点火试验研究了影响发动机点火延迟时间的因素。2试验安装和测量方法2.1发动机燃烧方案试验发动机简图见图1。相对于燃烧室周向截面,各进气道等直段出口相对面积比为0.0791,进气道转弯段出口相对面积比为0.1572,均为矩形结构。燃烧室头部机械火焰稳定器相对长度0.681,燃烧区相对长度2.15,燃烧室的头部火焰稳定装置由直射式喷油环、径向火焰稳定器和点火通道等组成,这样一个紧凑的设计实现了喷油、点火和火焰稳定等功能。燃烧室的热防护方式采用气膜冷却方案,设计为多级圆筒形开孔隔热屏。发动机尾喷管采用固定收、扩的结构,其相对长度为1.0,喉道相对面积为0.80。冲压燃烧室的点火采用烟火点火器旁侧点火方案。2.2发动机进口总压、空气流量、进气道静压的测量采用冲压发动机直连式试验设备,试验设备主要由主气路系统、主气路加热器、航空煤油供应系统、供电系统、测量系统和发动机的固定装置等组成。其中,主气路系统用于模拟试验状态要求的气流总温、总压和发动机所需要的空气流量。为了测量得到发动机的工作性能,利用PSI9000,Neff620系统对发动机进气道出口总压、燃烧室出口总压、燃烧室头部静压、喷油环进口压强、发动机进口总温与总压以及进气道通道静压等参数进行测量。部分参数进行动态测量,动态传感器的采样频率约2kHz。3试验结果与讨论3.1点火系统优化对同一个燃烧室,研究了四种烟火点火器对发动机点火起动时间的影响,四种点火器A,B,C和D的特性参数见表1所示。其中,A和B两种点火器燃烧方式为内孔燃烧,C和D两种点火器燃烧方式为端面燃烧,相对能量流比率的对比基准为点火器方案A。试验结果见图2,试验表明,四种点火装置均能使发动机燃烧室点火起动成功,说明燃烧室点火系统的初步设计是可行的。根据表1及图2可以看出,烟火点火器的输出能流值是影响冲压发动机点火起动的主要因素。当输出能流增大到方案A的3.11倍时,其着火时间显著缩短(由10s左右减少到1s左右)。A点火器能量小,点火时间长;B点火器采用内孔燃烧,其燃速不易控制,点火时间散度较大。采用端面燃烧的C及D点火器,基本满足发动机起动要求。3.2槽宽对发动机点火的影响表2是发动机某状态下的点火延迟时间比较。从表2中还可以看出,对相同的烟火点火器,当稳定器相对槽宽(RW为相对发动机直径)从试验最窄方案增加到最大方案(由0.1125增大到0.1458)时,采用相同的烟火点火器发动机点火起动时间上升较大。随着稳定器槽宽增加,发动机头部装置的流通面积减小,径向蒸发式稳定器左右翼板处的马赫数增加,造成下游混合油气被点燃的难度加大,直接影响到发动机点火起动性能。槽宽过小,稳定器下游的稳定区过小,也不利于发动机点火起动性能。根据文献可知火焰稳定性准则K=p⋅T⋅WvΚ=p⋅Τ⋅Wv(1)式中K为稳定系数,p为稳定器边缘静压(kPa),T为稳定器边缘总温(K),W为稳定器槽宽(m),v为稳定器边缘速度(m/s)。稳定系数K越大说明发动机的稳定火焰的能力越强。表3是对典型状态下不同稳定器槽宽的稳定系数估算结果。图3为试验结果,由图可知,选择恰当的稳定器槽宽非常重要,槽宽加大,其稳定系数较高,在相同的点火能量下,其点火延迟时间也很短,说明火焰稳定准则可以用于点火起动时间的分析。3.3来流温度较低图4表示了来流温度不同时,发动机的点火起动性能,可以看到,来流温度越低,发动机的点火起动时间越长,当在来流温度由475K减至368K时,点火起动时间可增加一倍左右。这是因为温度越低,越不利于燃油的蒸发,化学反应速率也越低。因此,在进行点火性能验证时采用来流温度较低的典型状态进行试验可以扩大试验结果的适用范围,有利于燃烧室点火性能的预测。来流温度对点火性能的影响也可以归结到稳定系数K中,温度的升高也意味着K值的升高,对点火性能有利,这进一步说明了火焰稳定性准则适用于点火性能的预计和分析。3.4发动机点火多条件选择不同的点火余气系数α(发动机燃烧室总的平均余气系数)对应着发动机稳定器下游不同的燃油浓度场,尤其是在点火器附近形成局部两相燃油分布,将直接影响发动机点火起动性能。图5表示了发动机点火延迟时间与点火余气系数的关系。由图5可知,正确选择发动机点火余气系数很重要,过大或过小的点火余气系数均对点火起动不利。实际上,最短的发动机点火起动时间所对应的余气系数称为最佳点火余气系数,一般来讲,最佳点火余气系数所对应的燃烧室的效率也较高。或者说,在同样条件下,燃烧效率较高的余气系数下发动机的点火起动时间也是较短的。要想得到点火余气系数范围,可以首先得到燃烧室燃烧效率较高的余气系数范围,只要能验证在某效率下燃烧室的点火延迟时间能达到要求值,那么高于该效率值(门槛值)的余气系数范围就是点火范围。一般,对于偏富油及贫油的燃烧效率门槛值会有所不同。这对于点火性能的预计是非常有帮助的。通过发动机的点火余气系数范围的大量试验可以发现,当燃烧室的偏富油燃烧效率大于0.7时、贫油燃烧效率大于0.75时,发动机燃烧室均可以正常点火起动。3.5点火器的燃烧性能从上述的研究中可以看到,即使采用高能量的烟火点火器方案,部分点火起动时间也较大,超过了0.5s,同时它的散度也较大。为此进行了增加能量的设计。铝、镁等金属的燃烧性能良好,其单位质量能量也较高,可以在系统中另外增加这样的金属,使之在点火器的高温产物中快速燃烧,增加高温产物的能量,促进燃烧室的快速起动。对此也进行了试验研究,试验结果表明增加金属后,发动机的点火起动时间明显缩短,小于0.25s,而且时间散度很小,可以在较宽的来流范围内实现发动机的快速点火起动。典型发动机燃烧室起动曲线见图6,其中pt4为燃烧室出口总压,第136.036s为点火器通电时刻,而燃烧室出口总压上升到稳定状态的90%的时间仅为0.05s。4点火击穿时间通过本文的研究,可以得出以下结论:(1)冲压发动机燃烧室的点火起动时间与点火能量关系密切,加大点火能量可以明显缩短燃烧室的点火起动时间。为保证发动机点火时间能始终处于一个较短的时间范围内,