亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温试验研究

刘 韬，康 松

(中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500)

1 引言

液体燃料亚燃冲压发动机是未来导弹动力装置的主要发展方向，具有在高马赫数下比冲高的特点，亦可满足无人机高马赫数、高空远航程飞行的需要。亚燃冲压燃烧室在高空、高马赫数条件下工作时，由于进口空气温度很高，冷却空气量相对较少，所以给冲压燃烧室的冷却设计带来严峻考验。对于可重复使用的冲压燃烧室，其冷却设计尤为困难。

热障涂层的使用能提高隔热屏的耐温能力，是冲压燃烧室冷却设计中所考虑的一个环节，但其隔热效果尚需试验验证。另外，燃油喷射方式不仅对冲压燃烧室的燃烧性能有影响，而且还对隔热屏的壁温分布有一定的影响。本文在某型可重复使用的二元亚燃冲压燃烧室上，试验研究了涂覆热障涂层和未涂覆热障涂层两组隔热屏的壁温分布情况，对比分析了热障涂层的隔热效果；同时，还试验研究了两种不同燃油喷射方式对二元亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温的影响。

2 亚燃冲压燃烧室结构简介

某型亚燃冲压燃烧室横截面为矩形，总长度为1.35 m，主要由火焰稳定器、喷油装置、隔热屏和筒体组成。其中火焰稳定器选用蒸发式V型槽火焰稳定器[1]；喷油装置采用分区供油方式，燃油喷嘴为空气雾化喷嘴[2]；隔热屏由四段组成(见图1)，其材料耐热极限为1173 K。

图1 亚燃冲压燃烧室隔热屏结构简图Fig.1 Scheme of the ramjet combustor heat shield

3 亚燃冲压燃烧室的试验研究

3.1 热障涂层对隔热屏壁温的影响

热障涂层考核试验在燃烧室高温区段进行，以隔热屏第三、四段为试验对象。隔热屏分为两组，第一组未涂覆热障涂层，第二组在隔热屏的热面涂覆热障涂层(热障涂层材料为 ZrO2·Y2O3，厚度为 0.15mm)。

试验工况为：常压、进口温度783 K、余气系数α=2.2。隔热屏壁温通过热电偶测量，在隔热屏第三、四段各选择一个截面作为测量截面，每个截面布置6个电偶测点，测点布置方式见图2，测量结果见图3。

从图3可以看出，第一组隔热屏的壁温要比第二组的高，且第三段隔热屏壁温高于第四段。对单点壁温来说，第一组隔热屏的最高壁温点为1180 K，超出了隔热屏的耐温极限，出现在第三段隔热屏的测点1；第二组隔热屏的最高壁温点为1152 K，低于隔热屏的耐热极限，出现在第三段隔热屏的测点4，两者相差28 K。在隔热屏第四段，第一组的最高壁温为1001 K，比第二组的最高壁温996 K高5 K，差距较第三段隔热屏有所减小。比较两段的平均壁温，见图4，对第三段隔热屏而言，第二组平均壁温比第一组低5.3%，大约为55 K；对第四段隔热屏而言，两组平均壁温差距为1.0%，大约为10 K。可见，热障涂层的隔热效果与其工作环境有一定的关系。

由上述对比分析可知，在相同工况条件下，涂覆热障涂层对提高隔热屏的耐热能力有一定的作用，但效果不太明显。这主要是因为：在喷涂热障涂层的过程中，涂层会对隔热屏的冷却孔造成一定面积的堵塞，使得冷却孔的有效流通面积减小，冷却空气量随之减少，从而影响到隔热屏的冷却效果。因此在使用热障涂层之前，应将相应位置的冷却孔面积做适当调整，以抵消涂层堵塞带来的影响。

3.2 燃油喷射方式对隔热屏壁温的影响

设计了两种燃油喷射方式(见图5)，喷射方式1共有16个喷射点，喷射方式2共有12个喷射点，两者均为侧喷供油，且喷油孔位于燃烧室同一截面。

仍以隔热屏第三、四段作为研究对象，壁温测试方式及测点布置与前文同。试验工况为：进口压力72 kPa，进口温度673 K，进行了2.5和2.0两个余气系数的试验。

图2 第三、四段隔热屏热电偶测点分布示意图Fig.2 Scheme of the thermocouple station distribution at the 3rd and 4th section of heat shield

图3 第三、四段隔热屏壁温分布Fig.3 The temperature distribution at the 3rd and the 4th section of heat shield

图4 两组隔热屏平均壁温比较Fig.4 Comparison of heat shield average temperature

图5 两种燃油喷射方式Fig.5 Two kinds of fuel injection mode

图6示出了不同燃油喷射方式对隔热屏壁温分布的影响。比较图6(a)和图6(c)可以看出，两种燃油喷射方式在α=2.5时的壁温分布情况相似，隔热屏第三、四段的壁温曲线走势大体一致，最高壁温点都在第三段隔热屏的测点3，燃油喷射方式2的最高点温度比喷油方式1的高47 K；从图6(b)和图6(d)也可以看出，两种喷射方式在α=2.0时的壁温分布情况相似。可见，两种燃油喷射方式对隔热屏第三、四段截面壁温分布的影响基本相同。

两种燃油喷射方式在α=2.5和α=2.0时的隔热屏第三、四段平均壁温分布见图7。从图中可以看出，当α=2.5时，喷射方式2的隔热屏壁温高于喷射方式1，在第三段隔热屏，喷射方式2比喷射方式1的平均壁温高13 K，在第四段高出20 K；当α=2.0时，这种规律并没有显现，在第四段隔热屏，喷射方式2的平均壁温高于喷射方式1，而在第三段隔热屏，喷射方式1的平均壁温略高于喷射方式2，但差别很小。

图6 不同燃油喷射方式对隔热屏壁温分布的影响Fig.6 The impact of different injection modes on the heat shield temperature distribution

图7 两种燃油喷射方式在α=2.5和α=2.0时隔热屏第三、四段平均壁温Fig.7 The 3rd and the 4th section heat shield average temperature of two fuel injection modes,α=2.5 and α=2.0

综合来看，燃油喷射方式1的隔热屏平均壁温更低，对隔热屏更有利，这是因为燃油喷射方式1的喷油孔分布较均匀，使得燃油分布较均匀，从而隔热屏受热也较均匀。

4 结论

(1)热障涂层对降低隔热屏壁温有一定的作用。建议在以后的使用中，应考虑热障涂层对冷却孔的堵塞影响，使其发挥最大的隔热效果。

(2)喷油孔分布均匀的燃油喷射装置对冲压燃烧室的冷却设计更为有利。

[1]Piper III R H.Design and Testing of a Combustor for a Turbo-ramjet for UAV and Missile Applications[D].Monterey：Naval Postgraduate School，2003.

[2]航空发动机设计手册编委会.航空发动机设计手册：第11册——加力燃烧室[K].北京：航空工业出版社，2001.