镁基水冲压发动机燃烧室长度及进水距离设计方法

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1、航空学报ActaAerOnautiCaetAstrOnauticaSiniCaJan．252001VoI．32No．167．74ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：∥11I‘xb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．e山．cn文章编号：looO一6893(2011)o卜0067一08镁基水冲压发动机燃烧室长度及进水距离设计方法黄利亚，夏智勋*，胡建新，韩超，朱千稳，周星国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073摘要：针对两次进水的镁基水冲压发动机，对发动机总体的燃烧室长度和一次、二次进水距离设计方法进行了研究

2、。根据理论分析和试验测温结果，提出金属镁以熔融液滴形式进入燃烧室，镁滴燃烧为蒸气相扩散燃烧过程。采用简化的D3雎定律计算镁滴燃烧时间，并以镁滴燃烧和雾化水滴蒸发所需时间为依据，建立了燃烧室长度和一次，二次进水距离设计方法。参照该方法对某型试验水冲压发动机构型进行了改进，两种构型发动机的地面直连试验结果表明．改进构型后的水冲压发动机性能得到较大提高，验证了该设计方法的有效性。关键词：水下推进系统；水冲压发动机；金属颗粒；燃烧室；水滴中图分类号：V439文献标识码：A水冲压发动机具备能量密度高、比冲大、结构简单以及可靠性高等特点，是目前超高速鱼雷巡航主推

3、进系统的理想选择[1]。在水冲压发动机设计阶段，需要根据鱼雷总体技术指标，确定发动机结构和总体参数，这包括：发动机总体结构形式、推进剂种类和重量、燃烧室直径和长径比、燃烧室压力、水燃比以及喷管膨胀比等。国外水冲压发动机相关研究主要是基于金属粉末与水蒸汽的反应系统，美国宾夕法尼亚州立大学ARL实验室的Miller等瞳q]设计了粉末供应系统及金属／水燃烧器，进行了铝粉、镁粉与水蒸汽燃烧的对比试验。国内研究则主要是基于采用高金属含量固体推进剂的水冲压发动机。在总体设计方面，已开展过发动机结构形式【5{]、金属燃料组分和配方[7_8]以及发动机工作参数[91

4、等因素对发动机性能影响的研究。研究中发现，在结构形式上采用两次进水的水冲压发动机拥有更高的燃烧效率[I¨1。。然而，目前还鲜有关于该种发动机构型燃烧室长度及一次、二次进水距离设计的研究报道。水冲压发动机燃烧室设计应使金属燃料与雾化水滴在其中有足够的驻留时间，以保证充分燃烧，减小燃烧不完全损失。目前对于镁基水冲压发动机中金属镁颗粒燃烧时间的计算【123常采用文献[2]提出的经验公式。然而，该式只是镁颗粒燃烧时间与初始粒径、氧化剂浓度及燃气流雷诺数的经验关系，并没有考虑水冲压发动机中高温高压环境对镁颗粒液化、蒸发和燃烧物理过程的影响。本文基于理论和试验数

5、据分析结果，采用蒸汽相扩散燃烧模型描述镁基水冲压发动机中金属镁的燃烧过程。针对两次进水的发动机结构，提出了燃烧室长度和～次、二次进水距离的设计方法，最后通过地面直连试验证明了该方法的有效性。收稿日期：2010-0443；退修日期：2010—06-08；录用日期：2010．07加，；网络出版时问：2010—11一”09：”网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V2010．1111．09．”．们7．htmIDOI：CNKI：11．1929／V．2010．1111．0911．017基金项目：国家”973”计划(61

6、350)*通讯作者．Tel．：0731．84573099E_mail：xi犯hjxm@sina．com辱

7、用格式I黄剁亚。夏智勘．胡建薪．等．镁基永冲匿受动机燃烧享长度及迸禾距离设计方法[∞．靛空学报．20¨．32(1)：67．74jHuangLiya．xiaZhlxun。HuJianx’n．etalI)es哳mell删olcombustionchambef

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11、)：67．74．航空学报1燃烧室中镁的点火燃烧过程1．1镁离开推进剂燃面的初始状态水冲压发动机燃烧室高压环境会引起金属镁熔点和沸点升高。如表1所示，以常压下镁的物性参数值为基准，由克劳修斯一克拉珀龙方程，计算镁在不同压强下的熔点温度和沸点温度[I刀；由克劳修斯一克拉珀龙方程和实验蒸气压数据计算其汽化潜热[14‘。由于压强对熔点的影响远小于对沸点的影响，本文将不同压强下金属镁熔解潜热看做恒定。表l镁的物理属性TabIelProperti姻ofmagll髂i哪ParameterVaIue8．48(kJ·mol-1)，(Meltingpoim)B0iliI

12、IgpoirIt／l363．00l599．101730．331906．221989．03KVapo“zati