冲压发动机燃烧室性能参数探讨

2011年2月第32卷第1期

推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY Feb.2011

Vol.32No.1冲压发动机燃烧室性能参数探讨

*

李

庆，潘

余，谭建国，王振国

（国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073）

摘

要：针对亚燃冲压发动机直连式试验中燃烧室性能评价的问题，对原有的燃烧效率及总压损失等评价指

标进行了介绍，同时对自由射流试验与直连式试验之间的联系与区别进行了分析，并阐述了现有评价指标的局限性。为了综合衡量总温及总压对直连式试验中发动机整体性能的影响，从而为自由射流试验中燃烧室结构的设计提供参考，依据直连式试验的特点，建立了基于推力性能的新型评价指标—

——修正动量比。针对一组亚燃冲压发动机直连式试验数据，计算了其燃烧效率、总压损失及修正动量比。结果显示，三种方法计算出的修正动量比具有相同的变化趋势，修正动量比与燃烧效率及总压损失所反映的燃烧室性能比较吻合。

关键词：燃烧效率；总压损失；评价指标；修正动量比中图分类号：V235.213

文献标识码：A

文章编号：1001-

4055（2011）01-0065-05*

收稿日期：2009-07-21；修订日期：2010-01-15。作者简介：李庆（1982—），男，博士，讲师，研究领域为高超声速推进技术。E-

mail ：nudtliqing@ Discussion for evaluation of connected-pipe ramjet combustor

performance parameters

LI Qing ，PAN Yu ，TAN Jian-guo ，WANG Zhen-guo

（Inst．of Aerospace and Material Engineering ，National Univ．of Defence Technology ，Changsha 410073，China ）Abstract ：With regard to the method for the evaluation of connected-pipe ramjet performance ，present evaluation index such as combustion efficiency and total pressure loss is introduced ，and the connection between connected-pipe experiment and free-jet experiment is analyzed ，and the limit of the present evaluation index is illustrated．In order to evaluate the comprehen-sive effect of combustion efficiency and total pressure loss towards the performance of connected-pipe ramjet combustor and give a reference to the design of ramjet to be tested in free-jet experiment ，according to the characteristics of connected-pipe experiment ，a new evaluation index named revised impulse ratio based on thrust performance is introduced．The combustion efficiency ，total pressure loss and revised impulse ratio is calculated．The results show that the value of revised impulse ratio based on three different methods shows the same variation trend．There exists a good match among the value of revised impulse ratio ，combustion efficiency and total pressure loss．

Key words ：

Combustion efficiency ；Total pressure loss ；Evaluation index ；Modified momentum ratio

1引言

地面试验是亚燃冲压发动机研制过程中的重要

环节。一般来说，地面试验主要分为直连式试验与自由射流试验。在地面试验过程中，做为亚燃冲压发动机的核心部件，燃烧室性能一直是地面试验过程中研究的重点问题。直连式试验中通常使用燃烧效率及

总压损失来衡量燃烧室的性能。而自由射流中则考

虑的是包括进气道、燃烧室及尾喷管在内的整个发动机的性能，通常通过推力和比冲来衡量。对于直连式试验中的亚燃冲压发动机性能评价方法，北约航天研

究与发展顾问小组（AGARD ）［1］

进行了详细的论述；

对于自由射流试验中的性能评价方法，刘兴洲［2］

等

人也进行了详细的介绍。潘余

［3］

对超燃冲压发动机

中燃烧效率计算方法进行了详细的介绍，王振锋［4，5］和王芳［6］也分别通过一维分析发展了超燃冲压发动机中的性能评估方法。上述超燃冲压发动机中的性能评估方法同样适用于亚燃冲压发动机。燃烧效率及总压损失分别是评价燃烧室内的燃烧性能与阻力特性的单项指标，由于二者对发动机推力性能存在相互抵消的影响，因此如何综合考虑二者的影响也是当前需要解决的问题。本文提出了一种评价亚燃冲压发动机燃烧室性能的新型指标，可以作为燃烧效率及总压损失评价体系的重要补充，同时也起到了联结直连式试验与自由射流试验的桥梁作用。

2原有性能评价指标简介及其局限性

在介绍原有评价指标之前，首先对通用的亚燃冲压发动机截面符号进行一下介绍［1］。如图1所示，其中ɕ代表自由来流截面；0代表进气道激波上游截面；1代表进气道唇口截面；2代表进气道亚扩段出口截面；3代表燃烧室入口截面；4代表燃烧室出口截

面；5代表尾喷管喉部截面；6代表尾喷管出口截面

。

Fig．1Denotation of the cross-section of the ramjet

2．1原有性能评价指标

2．1．1燃烧效率

燃烧效率表示燃料燃烧时热量的利用程度，定义为燃料燃烧的实际放热量与理论放热量之比。由于历史的原因，燃烧效率存在以下四种计算方式［1］：基于特征速度的燃烧效率；基于温度升高的燃烧效率；基于真空比冲的燃烧效率；基于当量比的燃烧效率。2．1．2总压损失

总压可以看作是能量可利用的量度，表征着气流做功能力的大小［7］。总压损失的计算公式为

δ=p

t2

－p

t4

p

t2

（1）

式中δ为总压恢复系数，p t2和p t4分别为截面2和截面4处的总压（文中所指的截面参数，均为截面处的平均参数）。总压损失的原因主要包括两个方面，即气动原因产生的总压损失及燃烧原因产生的总压损失。其中气动原因产生的总压损失，主要包括突扩损失、壁面摩擦、气流转向及燃料喷射装置及火焰稳定装置产生的损失［8］；而燃烧原因产生的总压损失，其主要原理是燃烧会释放大量的热能，而在等截面管流中加入热量就会引起总压的减小。

2．1．3燃料推力增益比冲

试验中还经常采用燃烧推力增益比冲作为一种评价指标。直连式试验中的推力增益比冲定义为燃烧状态与冷流状态下的台架推力之差。推力增益计算公式为

ΔF= mu6，hot－ m a u6，cold+（p6，hot－p6，cold）A6（2）式中ΔF为台架推力增益，u6，hot和u6，cold分别为燃烧状态下和冷态下截面6处的气流速度，p6，hot和p6，cold 分别为燃烧状态下和冷态下截面6处的静压。 m为发动机出口的总流量，等于空气流量 m a和燃料流量 m

f

之和。式（2）可以进一步写为

ΔF= mλ6，hot C cr6，hot－ m aλ6，cold C cr6，cold+（p6，hot－p6，cold）A6

（3）式中λ6，hot及C cr6，hot分别为燃烧状态下截面6处的速度系数和临界声速，λ6，cold及C cr6，cold分别为截面6处冷态下的速度系数和临界声速。

由

q（λ

6

）=

A

5

A

6

（4）式中q（λ6）为流量公式中的速度系数函数，A5，A6分别为截面5与截面6处的面积。

则

λ6，hot=λ6，cold（5）由

I

f

=ΔF/ m

f

（6）

I

f

=［（ mC

cr6，hot

－ m

a

C

cr6，cold

）λ

6，hot

+

（p

6，hot

－p

6，cold

）A

6

］/ m

f

（7）而

p

6，hot

=p

t6，hot

（1+γ－1

γ+1

λ6，hot2）γγ－1（8）

p

6，hot

=

m T

t5，

槡hot

KA

5

（1+γ－1

γ+1

λ6，hot2）γγ－1（9）同理

p

6，cold

=

m

a

T

t5，

槡cold

KA

5

（1+γ－1

γ+1

λ6，cold2）γγ－1（10）式中γ为气体的比热比。由式（7 10）可见，由于临界声速及截面6处的静压只与当地总温有关，在直连式试验中流量确定的情况下，推力增益比冲只与燃烧