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壁面喷射当量比对支板凹腔耦合燃烧的影响
韩啸1, 林宇震1,2, 张弛1, 王建臣1     
1. 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 航空发动机气动热力国家级重点实验室, 北京 100083;
2. 先进航空发动机协同创新中心, 北京 100083
摘要: 在纯净空气来流条件下,对于全高后掠支板与凹腔耦合的燃烧室,采用分级喷射供油,对比研究了壁面喷射当量比对壁面压力和燃烧性能的影响。结果表明:在支板喷射当量比一定的情况下,随着壁面喷射当量比增加,壁面静压峰值升高,静压开始提升的位置向上游移动,总当量比达到1.1时发生溢流;一维分析表明,马赫数在支板附近降到1以下,在凹腔处达到0.5左右,在出口扩张段恢复至1以上,燃烧室处于亚燃模态;燃烧性能方面,保持支板喷射当量比一定,随着壁面喷射当量比的增加,总压恢复系数提高,出口总温增加,燃烧效率降低。
关键词: 支板     凹腔     分级喷射     壁面喷射     一维分析    
Effect of equivalence ratio of wall injection on strut-cavity coupled combustion
HAN Xiao1, LIN Yuzhen1,2, ZHANG Chi1, WANG Jianchen1     
1. National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-engine Aero-thermodynamics, School of Energy and Power Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine, Beijing 100083, China
Received: 2016-04-28; Accepted: 2016-06-12; Published online: 2016-06-24 11:19
Corresponding author. LIN Yuzhen, E-mail:linyuzhen@buaa.edu.cn
Abstract: For the combustor based on full-height swept strut coupled with cavity, the experiments were conducted under clean air conditions and the inlet air was preheated by storage heater. Liquid kerosene was used as fuel and was injected by stages from the wall and strut. The effect of equivalence ratio of wall injection on the static pressure distribution and combustion performance was studied by experiments and one-dimensional analysis. The results show that as the equivalence ratio of strut was constant, with the increasing of wall injection equivalence ratio, the peak static pressure increased, and the position of the lifting of pressure was moved upward. When the total equivalence ratio reached 1.1, an inlet unstart occurred. One-dimensional analysis shows that the Mach number decreased below 1 in the strut area, then reached 0.5 in cavity and finally back to more than 1 in diverging area of outlet. The combustor worked in subsonic mode. In the combustion performance aspect, increasing of wall injection equivalence ratio ledes to increase of total pressure recovery coefficient, increase of total temperature at exit, but reduction of combustion efficiency.
Key words: strut     cavity     staged injection     wall injection     one-dimensional analysis    

超声速燃烧室由于来流马赫数很高,燃料停留的时间仅为毫秒级,因此对燃料喷射和火焰稳定提出了更高的要求[1]

支板喷射能够将燃料引入来流中心区域,解决燃料穿透深度不足的问题,支板前缘会形成弓形波和马蹄涡,尾部会形成回流区和流向涡,这些流场结构对燃料的掺混有很好的促进作用,但稳焰能力较差[2-3]。凹腔是广泛应用的火焰稳定器,具有良好的稳焰性能[1]。因此支板凹腔耦合构型的燃烧室得到了广泛的研究。King等[4-6]研究了支板凹腔耦合结构的流场结构,发现由于支板后存在的膨胀波,所形成的低压区加强了凹腔内的回流,使凹腔的质量交换率提高了3倍。Pitz和Carter[7]用数值方法对支板凹腔耦合区域的流场结构进行了研究,发现支板能够增强凹腔内的循环流动,并加快了剪切层的发展。Zhao等[8]利用PIV技术研究了凹腔内的冷态流动,发现支板前缘的弓形波与凹腔剪切层发现相互作用,从而使回流区增大,有利于火焰稳定。Hsu等[9]基于凹腔和支板耦合的超声速流场进行了研究,结果表明:支板喷注器可以有效提高点火能力并促进超声速流场的火焰稳定,支板侧喷效果更好;在凹腔内部注入空气可以很好地改善凹腔内部和支板尾部区域的燃烧,提高凹腔的稳焰范围。Ghodke等[10]在Hsu的基础上开展大涡模拟,对支板凹腔耦合区域的流场做了详细的分析。

但支板喷射容易造成热壅塞,且总压损失较大[11]。为了提高燃烧室推力,尽可能增加燃油当量比,日本Tomioka等[12-15]研究了分级喷射对燃烧性能的影响,以氢气为燃料,采用壁面和支板组合喷射方式,其中支板放置在燃烧室上游,壁面喷孔在支板下游。通过调节不同喷孔燃料分配比例,发现在不引起热壅塞的情况下,分级喷射可以喷注更多燃料,总当量比可以达到1或更高,燃烧效率优于单级喷射。通过对比喷孔位置发现,异侧壁面两级喷射(一级在支板,一级在壁面)的燃烧效率和最大壁面压力都高于同侧壁面两级喷射(两级都在壁面),他们认为这是由于同侧壁面喷射时,下游含有大量第一级喷射的反应产物,因而降低了反应速度。他们还研究了分级喷射中喷孔相位位置的影响。数值研究[16-17]表明,分级喷射可以加强燃料的掺混,同时异壁喷射能够充分利用上级喷射后残留的氧气,在增加释热量的同时,提高了隔离段抗反压的能力。Yang等[18]的研究发现,分级喷射对双支板燃烧室的工作模态有很大影响。在亚燃模态,单级支板喷射燃烧性能更好,而在超燃模态,双级支板喷射有更好的表现。

国内相关研究较少,范学军等[19-20]在基于凹腔的燃烧室发现,双路喷射相对于单路喷射,燃料最大喷注当量比可以达到1.0以上,燃烧室推力增益最大可以提高约20%。

综上所述,支板凹腔耦合燃烧室兼具了凹腔良好的稳焰特性和支板较好的掺混性能,但在该构型下的分级喷射方案研究还不够深入。本文在纯净空气来流下,以煤油做燃料,研究壁面支板共同喷射下,壁面喷射当量比对燃烧性能的影响。

1 实验系统及工况 1.1 实验系统