关于注水预冷却对后燃室点火特性和火焰稳定性影响的研究

《Acta Astronautica》：Study on the effect of water injection pre-cooling on the ignition characteristics and flame stability of afterburners

　　何鹏宇|岳晨|范玉鑫|胡珂
南京航空航天大学能源与动力学院，中国南京210016

摘要：质量注入和预压气机冷却（MIPCC）技术是一种有前景的过渡模式推力性能提升方法，通过扩展基于涡轮的联合循环（TBCC）发动机中涡轮模式的上限运行范围来实现。然而，冷却介质的引入可能会降低加力燃烧室入口处的温度和氧气浓度，从而导致点火挑战和燃烧不稳定。本研究重点设计并构建了一个带有钝体火焰稳定器的加力燃烧室测试系统，以及一个水注入系统。基于该测试系统，通过结合实验测试和数值模拟，系统地研究了水注入对TBCC加力燃烧室在涡轮模式下运行时的点火性能和点火后火焰稳定性的影响。点火和爆震极限测试结果表明，在本研究的注射范围内，当进口流温度低于800 K时，点火极限当量比随着水注入量的增加而增加，导致点火性能恶化。然而，当进口流温度超过800 K时，点火极限当量比最初会减少，然后又随着水注入量的增加而增加。这表明，在本研究中指定的进口流温度条件下，适当的水注入量可以实现最佳的点火性能。此外，当水注入量低于2%时，加力燃烧室的爆震性能得到改善。火焰图像分析结果显示，在进口流温度为900 K时，水注入促进了燃烧并缩短了点火延迟时间。另外，在进口流温度低于800 K时，水注入会破坏火焰的燃烧稳定性并抑制其热释放率；相反，在进口流温度超过800 K时，水注入会增强火焰的热释放率并提高燃烧稳定性，从而提高加力燃烧室的点火可靠性。

引言
双模式加力燃烧室/冲压燃烧室是紧凑型系列基于涡轮的联合循环（TBCC）发动机的关键组成部分，在过渡模式下其可靠运行对于确保TBCC发动机的推进性能至关重要[1]。质量注入和预压气机冷却（MIPCC）技术提高了涡轮模式的运行上限，是缓解TBCC发动机在过渡模式下遇到的“推力间隙”的有效方法[2]。自20世纪50年代美国引入MIPCC技术以来，已经进行了大量的理论分析和实验验证。配备有水注入预冷涡轮发动机的飞机在马赫1.7时的爬升率约为没有MIPCC的传统发动机的两倍，并且在达到马赫2.0时推力增加了约44%[3],[4]。Henneberry[5]对MIPCC技术在涡轮喷气和涡扇发动机中的应用进行了实际研究。结果表明，单独使用水注射可以将这两种类型的发动机的运行速度提高到原来的1.5倍。该研究还比较了两种条件下的发动机推力性能：水注射与水和液氧混合物。得出的结论是，使用水和液氧混合物是提高发动机性能最简单直接的方法。Peace Jack研究项目旨在验证J79发动机上的水注入预冷系统。研究结果表明，配备水注入预冷系统的J79发动机能够达到目标飞行马赫数和高度。此外，该项目首次引入了质量注入和预压气机冷却基于涡轮的联合循环发动机（MIPCC-TBCC）的概念[6]。此外，美国还成功进行了全尺寸MIPCC发动机的高空模拟飞行测试，证明了MIPCC技术在提高涡轮发动机性能方面的可行性[7]。
显然，MIPCC技术具有重大的实际价值。然而，由于其独特的运行原理，它可能会影响发动机的燃烧性能。Cater[8]研究了水基预冷系统中的冷却剂注入，并发现水是最有效的冷却流体。然而，过量的水注入可能会导致主燃烧室熄火。因此，在水注入冷却过程中仔细调节水注入量非常重要[9]。此外，适当的水注入不仅可以增加航空发动机的推力，还可以显著减少氮氧化物排放，从而有助于减轻污染[10]。然而，过多的未蒸发水滴会降低燃烧室中的火焰稳定性，从而导致燃烧效率降低[11],[12]。MSE Technology Application Company早期的研究表明，水注入显著增加了加力燃烧室突然熄火的风险，这种现象在高水注入比和高马赫数飞行时尤为明显。为了解决这个问题，他们建议在注入水进行预冷的同时补充氧化剂以增强燃烧稳定性[8]。此外，F-100发动机的地面测试结果表明，当风扇上游的水注入量超过饱和水平的50%时，会发生加力燃烧室爆震[13]。然而，与这些观察结果相反，在某些条件下，水进入燃烧室也可以增强燃烧。Liang等人[14]对水注入条件下的煤油自燃进行了实验研究。结果表明，水蒸气改善了煤油燃烧过程中的化学反应，加速了点火过程，尤其是在临界温度以下。此外，Houghton等人[15]评估了水蒸气对1000至1500 K温度范围内、1个大气压下的氢/氧/氩平衡混合物点火的影响。结果表明，水蒸气加速了氢-氧反应。大量研究表明，在特定条件下，水作为第三体直接或间接参与碳氢燃料的氧化过程，加快了燃烧反应[16],[17],[18],[19]。此外，适量的未蒸发液滴会在燃烧流场中造成扰动，从而增加燃烧火焰与未燃烧区域之间的接触面积，从而在特定条件下增强燃烧过程[20],[21]。Xia等人[22]对氢-甲烷预混气体中的超细水雾的熄火抑制机制进行了实验研究，他们发现水雾的注入位置、角度和滴径对燃烧抑制有不同的影响。在火焰发展的早期阶段，注入45 μm的液滴增加了火焰表面的湍流，从而增强了燃烧强度，表现出促进燃烧的效果。相反，较小的液滴则表现出熄火抑制效果。Zhu等人[23]研究了进气温度和湿度对涡轮发动机中潮湿空气燃烧的影响，发现增加湿度会延长点火延迟时间，从而促进未燃烧反应物与废气的更充分混合，有助于减少NOx排放。此外，一些研究表明，在适当条件下，水蒸气或液态水通过改善碳氢燃料的化学反应或诱导燃烧流场的局部扰动来促进燃烧。初步研究表明，当水注入量约为2%时，加力燃烧室的燃烧效率比无水注入条件有所提高[21]。

总结
MIPCC技术有效地延长了涡轮发动机的运行马赫数极限，并在加力燃烧室燃烧处于稳定状态的情况下显示出显著缓解“推力间隙”问题的潜力。然而，冷却介质的引入会导致加力燃烧室入口气体温度和氧气含量降低，这可能导致点火可靠性和燃烧不稳定。现有研究大多集中在全发动机运行条件下加力燃烧室的燃烧效率和污染物排放上，而关于水蒸气或液态水对碳氢燃料燃烧或点火促进效果的结论主要来自地面实验室环境。因此，系统研究水注入对TBCC发动机高速涡轮模式下加力燃烧室点火特性的影响仍然缺乏。为了解决这一研究空白，本研究重点关注TBCC发动机的高速涡轮模式，以及水注入对加力燃烧室点火特性的影响，特别是揭示在相对较低温度、高速度进口条件下的点火可靠性和燃烧稳定性。本研究 investigates了在质量注入预冷（MIPCC）条件下水注入对加力燃烧室点火可靠性的影响，旨在确定提高点火可靠性的有效策略，并为该技术在TBCC发动机中的工程应用提供参考。

方法论
本研究通过实验测试和数值模拟相结合的方法，研究了带MIPCC的加力燃烧室的贫燃点火和爆震特性、火焰发展机制以及稳定燃烧特性。使用数值模拟方法分析了水注入后加力燃烧室入口气体物理性质的变化，并通过实验验证了计算结果。

水注入对加力燃烧室内气体性质的影响
根据图9(a)和图9(b)，随着水注入量的增加，加力燃烧室的入口气体温度逐渐降低，在高进口流温度条件下观察到明显的气温下降。具体来说，在进口流温度为700 K时，温度下降了约65 K；而在进口流温度为900 K时，温度下降了80 K。同时，水注入量的增加提高了水蒸气的质量分数。

结论
本文研究了水注入对加力燃烧室的点火和爆震特性、火焰发展机制以及稳定燃烧性能的影响，得出的结论如下：
(1) 在本研究检测的水注入量范围内，当进口流温度较低（≤800 K）时，点火性能随着水注入量的增加而恶化。然而，在初始阶段，点火性能随着水注入量的增加而有所提高。

作者贡献声明
范玉鑫：监督、资金获取
胡珂：验证
何鹏宇：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草案、软件
岳晨：验证、监督、资金获取

利益冲突声明
本文的提交不存在利益冲突，所有列出的作者均同意发表本文。作者声明本文中的内容尚未在其他地方发表或考虑发表。

致谢
作者感谢中国航空发动机研究院（CAER）基础研究基金（1002-LCC21006）提供的财务支持。