水沖壓發動機多噴嘴霧化效果試驗研究①

劉叢林,劉一術,陳 宏,劉子初,郜 冶

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院,哈爾濱 150001)

0 引言

水沖壓發動機自身攜帶的金屬藥柱中氧化劑含量很少,工作中吸入過量的海水,一部分作為氧化劑,與金屬燃料發生燃燒反應,一部分在高溫下汽化,轉為工質,膨脹做功,以此提高魚雷等水下航行體的航速[1-3]。由于無需攜帶大量氧化劑,這種動力系統極大提高了發動機的能量密度。

金屬水沖壓發動機的進水組織方式以及霧化效果是影響其推進性能的關鍵因素,決定了燃料燃燒是否充分,以及過量的液相水是否能有效轉為氣相工質,從而高效做功[4-6]。國內外學者開展了大量相關研究。陳錦琛等[7]發現水流的射出運動由切向速度和軸向速度主導,而噴嘴霧化錐角的大小隨工作壓力的提高不會發生明顯變化。閻紅巧等[8]設計了一種旋轉式復合霧化噴嘴結構,比單純氣泡霧化噴嘴的霧化粒徑更小。聶濤等[9]分析了不同霧化壓力對霧粒索特平均直徑(SMD)和霧粒運動速度的影響,發現SMD隨霧化壓力升高而減小,霧粒軸向運動速度隨霧化壓力升高而增大。吳正人等[10]采用數值模擬方法分析了壓力、噴霧高度與噴霧傾斜角度對噴嘴霧化特性的影響。朱千穩等[11]對不同一次噴嘴霧化錐角、噴射速度下的鎂基水沖壓發動機內部燃燒組織進行了數值模擬,認為一次噴嘴霧化錐角接近110°,一次噴嘴噴射速度在38.4～50 m/s時,發動機比沖效率最優。劉叢林等[12]對發動機內流場進行三維數值模擬,研究了燃燒室中不同種類顆粒的變化規律。LIU等[13]對不同一次注水角度的水沖壓發動機內部流動特性進行數值研究,發現環形入口突然膨脹引起的縱向渦旋可以加劇混合,噴嘴向上游的適當傾斜使混合發生得更早,比沖增加約8%。晁侃等[14]基于渦耗散模型開展三維多相流摻混燃燒反應數值模擬,發現多股燃氣在中心匯聚,明顯提升了一次進水區域內的鎂/水燃燒反應速度,有效提高了發動機工作壓強和比沖。霍東興等[15]指出進水設計應該遵循兩個原則:一次進水流量和活性鋁粉流量應接近1∶1;后部進水位置應盡量靠前。黃利亞等[16]通過發動機地面直連試驗,發現二次進水角度為90°時,可避免霧化水噴向燃氣上流而引起的一次水反應區溫度提前下降問題。劉立靜等[17]通過數值模擬計算,認為添加旋流葉片,可極大提高水沖壓發動機流動與燃燒反應性能。ZHANG等[18]通過連接地面測試系統測試水沖壓發動機的相關參數,結果表明,隨著水燃比升高,無量綱推力幾乎呈線性增加,孔徑較小的氣泡噴射器只能略微提高發動機性能。RAMAKRISHNAN 等[19]估算了推進劑的燃燒特性。指出基于硼推進劑的水沖壓發動機顯示出更高的理論比沖,適用于水燃比大于1的情況。

良好的進水狀態是保證水沖壓發動機高效工作的關鍵,進水適當霧化才能與燃氣充分發生化學反應。適當霧化的內涵包括兩個方面:第一,進水與燃氣充分摻混;第二,進水與燃氣充分燃燒。而這兩方面對進水的霧化程度提出了互為矛盾的要求:前者要求進水霧化不能太細,若霧化過細,則水滴直徑較小,大部分進水在燃燒室近壁面處即轉為氣相,穿透力較弱,不能深入到達燃氣中心區域,影響與燃氣摻混的充分性;后者要求進水充分霧化,水滴直徑需小于一定值,若霧化水滴直徑過大,則難以轉為氣相,既不能與燃氣發生反應而釋放熱量,也不能轉為有效氣相工質,會降低發動機推力等性能。因而在進水系統設計中,要把握好“度”,不能因霧化過細,而使進水失去穿透能力,也不能因霧化過粗,降低了化學反應活躍程度。這就需要開展專項試驗,仔細研究水滴霧化直徑與有效進水射程的關系,尤其要考慮發動機燃燒室內多噴嘴共同作用下,進水的相互干擾作用而引起的實際射程變化,探索合適的進水方法,提出有效進水方案。

綜上所述,本文考慮了發動機實際工作中進水經單噴嘴霧化后,在燃燒室有限空間內會與其他噴嘴霧化的水滴相遇,發生再次聚合的問題,考慮了在壁面噴嘴徑向噴射作用下,將形成沿燃燒室軸線方向上的射流,影響進水與推進劑燃氣的摻混效果的問題,分別開展單噴嘴霧化性能與多噴嘴冷態試驗研究。主要分析不同直徑噴嘴的霧化性能,反映發動機燃燒室內有限空間中,多個噴嘴同時工作的真實霧化狀態;詳細探討進水組織方式對燃燒室內綜合霧化效果的影響,有助于進一步分析進水與推進劑燃氣的實際摻混效果,以便在進水系統設計中把握好進水霧化“度”,解決進水有效射程與粒徑霧化的矛盾,為發動機熱試車提供基礎。

1 試驗方法

1.1 試驗系統

單噴嘴試驗系統主要由供水設備、數據采集設備、激光粒度分析儀、測試噴嘴等組成,如圖1所示。試驗介質為水,供水設備由3個水泵組成,并聯在供水管道上。管道末端安裝測試噴嘴,通過主管道與支路的閥門開度調節噴嘴供水壓差,從而控制噴嘴流量。噴嘴上游安裝壓力傳感器,測量來流水壓。噴嘴下游放置激光粒度分析儀,測量霧化后的索太爾平均直徑SMD,分析其霧化效果。

圖1 單噴嘴性能測試系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of single nozzle test system

多噴嘴霧化性能分析試驗系統如圖2所示。主要設備包括數據采集設備、高壓水箱、發動機供水殼體(包括一次供水及二次供水)、高壓氣源和供氣裝置等。試驗中利用高壓氣源對供水箱供氣,產生高壓水源,輸入發動機供水殼體,形成高壓進水,以模擬航行體水下高速航行時的沖壓進水狀態。分別在高壓氣源、供水箱和發動機供水殼體處設置壓力傳感器,與數據采集設備相連,實時記錄供水壓力變化。高壓水箱與發動機供水殼體間設置若干電磁閥,通過控制電磁閥開關的數量調整發動機的總進水量。主供水管路上設有流量計,與數據采集設備相連,實時反映進水變化過程。

圖2 多噴嘴霧化性能分析試驗系統簡圖Fig.2 Schematic diagram of multi-nozzles atomizationperformance analysis test system

1.2 單噴嘴試驗方法

對于單噴嘴測試,在常溫大氣壓環境下,選用5個不同直徑的旋流噴嘴進行試驗,如圖3所示,從左到右編號依次為1、2、3、4、5,對應直徑(d)分別為2.0、2.4、2.8、3.2、3.6 mm。旋流噴嘴由進水口,旋流室、出水口三部分組成,噴嘴結構如圖4所示。

圖3 單噴嘴試驗中的旋流噴嘴Fig.3 Swirl nozzles in single nozzle test

在噴嘴前后壓差驅動下,高壓水箱內的水通過噴嘴內的旋流孔,在噴嘴內部的旋流室中旋轉,以旋轉液膜的形式噴出。旋轉的液體依靠離心力和強化旋流的作用,在離開噴嘴時成空心錐形液膜散開,與空氣的相互作用下破碎成為微小的液滴。

圖4 旋流噴嘴的剖視圖Fig.4 Cross-sectional view of a swirling nozzle

1.3 多噴嘴試驗方法

對于多噴嘴測試,首先開展2個固定直徑噴嘴條件下,不同供水壓差對噴嘴性能影響的測試,再結合發動機供水流量設計要求,選擇合適直徑的噴嘴,開展定供水壓差不同噴嘴數量時發動機進水情況試驗研究。試驗用發動機內徑為180 mm,供水壓差保持測試范圍為2～5 MPa,噴嘴數量(n)分別取2～6個,分析噴嘴數量對發動機燃燒室有限空間射流霧化效果的影響。

本文采用多噴嘴共同工作時形成的軸向噴射距離分析霧化效果。軸向噴射距離是指多個噴嘴噴出的水霧相互撞擊后,沿發動機燃燒室中軸線形成的射流距離,如圖5和圖6紅色箭頭線標注所示。

圖5 發動機內軸向噴射距離示意圖Fig.5 Schematic diagram of axial injectiondistance in the ramjet

圖6 軸向噴射距離示意圖Fig.6 Schematic of axial injection distances

多噴嘴冷態試驗中,為了研究不同噴嘴數量對于整體霧化性能的影響,需要在供水段內側安裝不同數量的旋流噴嘴。本文在一、二次供水段內側分別加工多個供水口,用于安裝旋流噴嘴和堵頭,提高了冷態試驗噴嘴數量和空間布局的靈活性,能夠快速調整不同工況,節省試驗經濟、時間成本。以4個噴嘴測試工況為例,供水段內側如圖7所示。具體試驗操作流程如下:

(1)檢查供水、供電、供氣系統是否正常工作,檢查管路是否漏氣、漏水;校準流量計。

(2)供水段殼體內安裝試驗用噴嘴,用堵頭塞住其余位置;連接供水管路與供水段殼體。

(3)調試流量、壓力等數據采集系統。

(4)向高壓水罐加水,調整氣源壓力到設計值。

(5)開啟數據采集系統,打開供水電磁開關,記錄噴嘴供水狀況,待流量穩定后關閉閥門,記錄對應的穩定流量及實時壓力值。

(6)調整供水壓力、噴嘴個數等多個變量,設置不同工況,進行試驗并記錄。

圖7 4噴嘴安裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of four nozzles installation

2 試驗結果與分析

2.1 單噴嘴試驗結果與分析

測量了不同壓差下各噴嘴在典型測點的SMD值。從液滴的空間分布看,同一供水壓差下各噴嘴在距出口l=30 mm處霧化粒徑最小,隨著遠離出口,霧化粒徑逐漸增大。以供水壓差2 MPa工況為例(見圖8),距出口l=30 mm處的霧化粒徑均小于80 μm,而在距出口l=80 mm處,霧化粒徑普遍達到100 μm以上。從測試結果看,l為60、80 mm處的結果相差不明顯,霧化液滴增長較慢,說明經過一段距離后,噴嘴的霧化性能較為穩定,粒徑值趨于穩定。從水沖壓工作方式考慮,外界進水在燃燒室內與燃氣接觸而發生摻混。在貼近壁面l=30 mm處,霧化效果較好,但受到進水沖擊的影響,推進劑燃燒產生的燃氣尚未完全擴散到這一區域,因而這部分液滴不能與燃氣發生良好混合。在l=60～80 mm范圍內,液滴已經到達了燃氣的主流區,二者能夠充分混合,有效發生化學反應。因此,應當以此處霧化粒徑作為噴嘴霧化性能的標準。

不同壓差下,各直徑噴嘴在l=60 mm測點處的SMD特征曲線見圖9所示。從整體趨勢上看,隨著供水壓差的增加,液滴的霧化粒徑不斷降低。而同一供水壓差下,d=3.6 mm噴嘴的霧化粒徑明顯大于其他直徑噴嘴。可見,隨噴嘴直徑增大,出口截面積增加,總壓差轉變成軸向動量能力相應減弱,使得噴嘴出口速度降低,液體與空氣的剪切作用減小,從而導致在相同供水壓差下,霧化粒徑SMD隨噴嘴直徑增大而降低。

圖8 4號噴嘴(d=3.2 mm)SMD特征曲線Fig.8 SMD characteristic curves of No.4 nozzle(d=3.2 mm)

圖9 各噴嘴在l=60 mm處SMD特征曲線Fig.9 SMD characteristic curves of all nozzlesat 60 mm from nozzle exit

單噴嘴霧化試驗表明,d=3.6 mm噴嘴的霧化粒徑相對偏大,整體霧化效果不佳,不利于與高溫燃氣充分摻混。后續選用d=3.2 mm噴嘴作為多噴嘴冷態試驗的研究對象。

2.2 多噴嘴試驗結果與分析

為更好地探究多噴嘴共同作用時軸向射流特性,試驗對射流長度進行定量分析。在固定位置采用同一拍攝方法對不同工況下多噴嘴工作過程進行正面拍攝;再對包含有供水段殼體和霧化水的多噴嘴工作照片進行圖像處理,得到射流長度與供水段殼體的相對尺寸,根據殼體直徑按照比例關系即可計算出射流長度。其中,圖像處理方法為依次將圖像對比度提高400%,并進行虛化處理。通過判斷圖像中白色的霧化水像素與周圍(地面背景)像素的明顯差異,可得到較為清晰的軸向射流輪廓。以3 MPa下直徑3.2 mm的噴嘴在數量n為2～6的工況試驗為例,其試驗狀態與處理后圖像效果如圖10所示。圖中(a)、(c)、(e)、(g)、(i)為試驗測試原圖,相應的(b)、(d)、(f)、(h)、(j)為處理后的圖像。

(a)n=2 experimental photo (b)n=2 processed image

(c)n=3 experimental photo (d)n=3 processed image

(e)n=4 experimental photo (f)n=4 processed image

(g)n=5 experimental photo (h)n=5 processed image

(i)n=6 experimental photo (j)n=6 processed image圖10 試驗測試照片與處理圖像對比Fig.10 Comparison of experimental photos andprocessed images

分別測試發動機殼體外徑尺寸Lramjet與處理后圖像中顯示的軸向射流長度Linject,可得二者比例關系為Lramjet∶Linject,則可根據已知的殼體外徑尺寸Lramjet=20.7 cm,計算得到不同工況下的軸向射流長度Linject。

試驗測試結果如表1所示。當噴嘴數量由2個逐漸增加至6個時,計算所得軸向射流長度逐漸增加,分別為4.5、8.2、13.0、16.6、18.0 cm。這種處理方法可以較好地辨識出多噴嘴共同工作時的軸向射流長度,且不同工況區別明顯。測試結果表明,從軸向射流長度的增長率上看,當噴嘴數量增加到一定值時,射流增長情況有所減緩,如圖11所示。當噴嘴數量由2個增加到3個時,增長率最高,為82.2%;當數量由3個增加到4個時,增長速度有所變緩,為58.5%;再由4個增加到5個時,增長率已經降低為27.7%;而由5個增加到6個時,增長率僅為8.4%。說明當噴嘴數量增加時,軸向射流會隨之增長,但到一定值后,軸向射流長度增長有限。

表1 5種工況軸向射流長度計算Table 1 Calculation of axial injection distance for 5 cases

圖11 軸向射流增長率變化Fig.11 Change in axial injection distance growth rate

(1)不同供水壓差影響分析

取2個直徑為2.0 mm的噴嘴,改變系統供水壓差,從2～5 MPa不等,測試進水軸向噴射距離的變化情況。測試的基本參數如表2所示。不同壓差作用下2噴嘴霧化效果如圖12所示。

表2 不同供水壓差冷態試驗相關參數Table 2 Relative parameters of cold tests withwater supply differential pressures

(a)Δp=2 MPa (b)Δp=3 MPa

(c)Δp=4.5 MPa (d)Δp=5 MPa圖12 不同壓差作用下2個噴嘴霧化效果Fig.12 Atomization effect of two nozzlesunder differential pressures

明顯可見,噴嘴數量和噴嘴直徑不變時,增大供水壓差,會使水霧的動能變大,水霧之間的碰撞也會更加劇烈,表現出軸向噴射距離不斷增大的結果,具體數值列于表3。整理成曲線形式,更能清晰反映不同壓差對供水能力的影響,如圖13。當供水壓差由2 MPa增加至5 MPa時,軸向噴射距離由4 cm增長至10 cm,供水流量也增長了2倍多,由0.19 kg/s增長至0.39 kg/s。軸向噴射距離與供水流量均與供水壓差成正比。

(2)不同噴嘴數量影響分析

為反映不同壓力、不同噴嘴數量對射流的影響,仍取直徑3.2 mm的噴嘴,開展4 MPa下,2～6個數量不等噴嘴的噴射能力試驗,主要測試進水軸向噴射距離的變化情況。基本參數如表4所示。

試驗觀察到,在壓差的作用下,從不同噴嘴噴出的霧化水發生碰撞后,沿發動機中軸線向供水段兩側噴出。當軸向噴射距離達到一定距離時,噴嘴之間的影響減小,霧化粒徑相對穩定,可形成穩定的霧化射流。可以看到,中軸線上霧化液滴較為集中,有利于與燃氣發生摻混,同時射流沿中軸線向壁面方向呈擴張趨勢,空間上增大了霧化區域,有利于進一步促進水與金屬燃料充分反應。

表3 不同壓差時軸向噴射距離統計Table 3 Statistics of axial injection distanceunder differential pressures

圖13 不同壓差下供水能力對比Fig.13 Water supply capacity under differential pressures

表4 多噴嘴冷態試驗相關參數Table 4 Relative parameters of cold testswith multiple nozzles

圖14反映了噴嘴數量n分別為3、5、6時,多噴嘴同時工作的霧化效果。從試驗結果看,當噴嘴在燃燒室周向均勻分布時,噴嘴間距隨著數量的增加而減小,導致霧化后的液滴相互撞擊的位置越來越接近噴嘴出口,同時相鄰噴嘴的霧化液滴相互干擾程度也愈加嚴重。相對于圖14(a)、(c)相鄰噴嘴間干擾嚴重,整體霧化效果明顯變差。顯然,噴嘴數量增加,多股霧化射流在較短距離內相互融合,形成一股射程較長的射流,但穿透能力更強,更容易噴射至燃燒室中心軸線,在空間上延長了沖壓進水與燃氣摻混的路徑,有利于促進水/金屬燃料充分發生化學反應。但也應當注意,噴嘴數量過多時,會形成實心水柱,嚴重弱化進水霧化效果,反而不利于水與高溫燃氣摻混,限制推力提升。因此,設計進水噴嘴數量時,應當把握好“度”,形成合適的噴射距離,是提高水沖壓發動機工作效率的關鍵。

5組試驗結果表明,隨著噴嘴數量不斷增加,軸向噴射距離逐漸變長。表5為多噴嘴軸向噴射距離的試驗統計結果。噴嘴數n=3時,軸向噴射距離為7.9 cm,相對n=2時,增長了51.9%;n=4時,軸向噴射距離為13 cm,增長了64.5%;但n超過5后,軸向噴射距離增長有限,n=6時,相對n=5的試驗結果僅增長了5.8%,二者數值很接近,分別為17 cm與18 cm。說明當噴嘴增加到一定數量后,軸向增長率有降低的趨勢,噴射距離變化不大。這與3 MPa壓力下,相同直徑噴嘴的測試結果較為相近。

(a)n=3 (b)n=5 (c)n=6圖14 多噴嘴霧化效果Fig.14 Atomization effect of multi-nozzles

表5 多噴嘴軸向噴射距離統計Table 5 Axial injection distance statistics for multi-nozzles

顯然,當噴嘴數量較多時,軸向噴射距離增加不明顯,同時由于噴嘴數量增多,增大了霧化水相互干擾程度,從而降低了整體霧化效果。當噴嘴數量較少時,軸向噴射距離減小,不利于水霧與高溫燃氣充分摻混。從試驗結果看,內徑180 mm的發動機中,周向均布5個噴嘴時,相鄰噴嘴的霧化液滴相互間干擾程度較小,整體霧化效果較好。

3 結論

本文針對水沖壓發動機適用的典型旋流噴嘴,測試了單個噴嘴的流量特性和粒徑特性,再選取合適的噴嘴,開展了多噴嘴霧化效果測試,反映了水沖壓發動機燃燒室有限空間內,多噴嘴共同作用的真實狀態,結論如下:

(1)同一供水壓差下,距噴嘴出口l=30 mm處液滴霧化粒徑最小,隨著遠離出口,霧化粒徑逐漸增大,經過一段距離后,趨于定值。從水沖壓發動機工作方式考慮,建議距離噴嘴出口l=60～80 mm處的霧化粒徑作為噴嘴霧化性能判定標準。

(2)多噴嘴同時工作時,相鄰噴嘴的霧化性能會相互干擾,但同時軸向噴射距離也在增加,但穿透能力更強,更容易噴射至燃燒室中心軸線,空間上延長了進水與燃氣的摻混路徑,有利于充分進行化學反應。但噴嘴數量過多時,會形成實心水柱,嚴重弱化進水霧化效果,進水系統應當把握好“適度”原則。

(3)試驗范圍內數據表明,在內徑180 mm的發動機內,供水壓差為3～4 MPa下,周向均布5個直徑3.2 mm的噴嘴時,相鄰噴嘴間霧化干擾程度相對較小,整體霧化效果較好,軸向噴射距離約為17 cm,有利于水霧與高溫燃氣摻混燃燒。