王治武,嚴(yán)傳俊,鄭龍席,范 瑋

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,西安 710072)

0 引 言

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse Detonation Engine,簡稱PDE)是一種利用周期性生成的爆震波產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈦慝@得推力的脈沖式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),其過程為近等容的非穩(wěn)態(tài)燃燒。其主要優(yōu)點(diǎn)在于爆震燃燒過程非常迅速,能產(chǎn)生很大的能量密度。多數(shù)PDE研究或者爆震研究基礎(chǔ)性較強(qiáng),主要基于爆震管(或者爆震燃燒室)展開,其主要目的在于對(duì)PDE作為推進(jìn)系統(tǒng)的可行性、性能特性、工作特點(diǎn)等進(jìn)行研究[1-6],很少考慮包含進(jìn)氣道的吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)整體研究[7-8]。Butuk等人[9]認(rèn)為進(jìn)氣道技術(shù)的關(guān)鍵問題之一是如何將非穩(wěn)態(tài)PDE和穩(wěn)態(tài)的進(jìn)氣道結(jié)合起來。Yang等[10-12]對(duì)吸氣式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一系列的數(shù)值研究,獲得了許多重要而有用的結(jié)論。Falempin[13]通過單次試驗(yàn)研究了進(jìn)氣道面積比變化對(duì)吸氣式PDE性能的影響。鄭殿峰[14]、張義寧[15]等分別對(duì)吸氣式PDE進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究,得到了一些結(jié)論。

基于吸氣式兩相脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)地面驗(yàn)證模型機(jī),模擬飛行進(jìn)氣條件,研究了不同的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)吸氣式PDE工作和推進(jìn)性能的影響,得到了一些結(jié)論,為今后吸氣式PDE的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 PDE系統(tǒng)

吸氣式兩相脈沖爆震模型機(jī)內(nèi)徑50mm,由進(jìn)氣道、混合室、點(diǎn)火室和爆震室組成,采用無閥自適應(yīng)控制油氣填充,如圖1所示。

圖1 吸氣式PDE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of air-breathing PDE experimental setup

空氣由收斂噴口連續(xù)向進(jìn)氣道供氣,進(jìn)氣道與混合室(爆震室)之間無閥控制。來流速度為0～0.7Ma,進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為亞聲速進(jìn)氣道。進(jìn)氣系統(tǒng)由來流噴口和PDE進(jìn)氣道組成,如圖2所示,來流噴口、進(jìn)氣道進(jìn)口及促爆限流環(huán)縫尺寸可調(diào)。表1列出了使用不同尺寸來流噴口、進(jìn)氣道和促爆限流環(huán)縫的6種進(jìn)氣系統(tǒng)。

圖2 來流噴口與進(jìn)氣道組成的組合進(jìn)氣系統(tǒng)Fig.2 Assembled inlet system consisted of the air nozzle and air inlet

表1 組合進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)表Table 1 Geometry parameters of the assembled inlet systems

選擇氣動(dòng)噴嘴噴注燃油,當(dāng)供氣壓力為0.3MPa時(shí),噴霧量在不大于2L/min的情況下,索太爾平均直徑25～100μ m[16]。混合室的作用是將空氣和燃油在短距離內(nèi)摻混均勻,并在到達(dá)點(diǎn)火室之前得到充分發(fā)展的湍流,以利于點(diǎn)火和起爆。使用汽車火花塞點(diǎn)火,點(diǎn)火能量小于50mJ。爆震室裝有Shchelkin螺旋增爆器,節(jié)距50mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

利用Kistler高速采集系統(tǒng)并行采集6路壓力信號(hào)(0,1,2,4～6),測(cè)量PDE的沿程壓力分布特點(diǎn)并確認(rèn)模型機(jī)是否生成爆震。壓力信號(hào)采用江蘇聯(lián)能壓電傳感器CA-YD-205測(cè)量,響應(yīng)時(shí)間為2μ s,自振頻率大于200kHz,測(cè)量誤差±72.5mV/MPa。測(cè)壓位置分布如圖 1所示,分別距離點(diǎn)火裝置距離為210,225,525,725,825和925mm。壓力信號(hào)的采樣率為500kHz。

采用Kistler動(dòng)態(tài)推力傳感器直接測(cè)量吸氣式PDE模型機(jī)的瞬態(tài)推力。對(duì)瞬時(shí)推力進(jìn)行時(shí)間積分,即可得到PDE的平均推力。傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)架采用螺紋連接。推力傳感器采集到的瞬態(tài)推力信號(hào),通過配套的電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)接到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。推力傳感器的量程為±10000N,靈敏度為3.678PC/N。傳感器一端與固定在臺(tái)架基礎(chǔ)上的承力墩相連,另一端與動(dòng)架相連。發(fā)動(dòng)機(jī)通過連接件安裝在動(dòng)架上。

試驗(yàn)中吸氣式PDE的工作頻率包括10、15、20、25、30和35Hz。無論采用何種進(jìn)氣系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)工作頻率下的油氣量均保持恒定,填充比為1。為了保證試驗(yàn)的可信度,在每一個(gè)工況上,試驗(yàn)均重復(fù)至少4次,取這4次的平均值作為最終的測(cè)量值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為采用進(jìn)氣系統(tǒng)2的吸氣式PDE模型機(jī)30Hz下的瞬態(tài)推力與位置0～6處的壓力變化時(shí)域波形,可以看到位置0～5處的壓力變化比較穩(wěn)定,但是位置6的壓力時(shí)域變化有點(diǎn)紊亂,壓力變化不連續(xù);位置5處平均壓力在1MPa左右,有些達(dá)到1.5MPa以上,6處壓力則都在1.5MPa以上,有些甚至達(dá)到4MPa。5和6處各循環(huán)下的壓力峰值稍有振蕩,高低參差。圖4為圖3中第15次爆震的6路壓力局部放大圖,位置6處激波的上升沿大約為20μ s,說明模型機(jī)已經(jīng)生成充分發(fā)展的爆震?；鸹ㄈc(diǎn)火之后,生成前向(沿2號(hào)虛線)和后向(1號(hào)虛線)兩組壓縮波,由于前向傳播速度小于后向傳播速度,所以壓縮波先傳到位置1,之后才傳到位置0,先后引起P1、P0的初始?jí)毫_動(dòng)。前向擾動(dòng)由P1沿虛線2依次傳遞到P6,而從位置2到4,壓力緩慢增加,在位置4之后的某處,生成局部爆炸,壓力急劇升高,達(dá)到弱爆震壓力(一般在1.5MPa左右),爆炸波也按前、后方向傳播,前向傳播激波繼續(xù)加強(qiáng),壓力繼續(xù)增加,最終在位置6處生成充分發(fā)展的爆震波。后向傳播的爆炸波稱為回傳爆震,沿虛線3依次傳遞到位置0,在各個(gè)位置生成壓力尖峰,并引起各處的壓力振蕩。爆震波傳出爆震室后,相應(yīng)地有一道相位相反,幅度較低的膨脹波傳入爆震室,膨脹波沿虛線4向上游傳播,引起模型機(jī)內(nèi)壓力的下降,并低于環(huán)境壓力,燃料、空氣便可以重新供入。其他進(jìn)氣系統(tǒng)下PDE模型機(jī)內(nèi)沿程壓力擾動(dòng)變化特點(diǎn)均與進(jìn)氣系統(tǒng)2類似。

圖3 PDE壓力時(shí)域曲線,進(jìn)氣系統(tǒng)2,f=30HzFig.3 The pressure histories of PDE with assembled inlet system 2,f=30Hz

圖4 圖3中第15次循環(huán)壓力放大圖Fig.4 The enlargement of the pressure histories of the 15thdetonation cycle shown in Fig.3

比較使用6種進(jìn)氣系統(tǒng)的PDE性能需要保證具有相同的填充系數(shù),填充系數(shù)一定,則PDE出口速度一定,因此,流量系數(shù)和進(jìn)氣阻力與模型機(jī)出口速度之間的變化關(guān)系可以為PDE爆震試驗(yàn)提供恰當(dāng)?shù)睦鋺B(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ),如圖5、6所示。

圖7為采用進(jìn)氣系統(tǒng)1和2的吸氣式PDE不同工作頻率下產(chǎn)生的平均推力對(duì)比圖。兩種進(jìn)氣系統(tǒng)下的PDE平均推力均隨著工作頻率的提高,近似線形增長。PDE在進(jìn)氣系統(tǒng)1時(shí)獲得的平均推力高于采用進(jìn)氣系統(tǒng)2時(shí)對(duì)應(yīng)工況下的平均推力。如表1所示,進(jìn)氣系統(tǒng)1與2的不同之處在于前者的環(huán)縫堵塞比為0.38,而后者的環(huán)縫堵塞比為0.69,也就是采用進(jìn)氣系統(tǒng)1的PDE內(nèi)流動(dòng)阻力和流阻損失小于采用進(jìn)氣系統(tǒng)2的PDE,導(dǎo)致PDE采用進(jìn)氣系統(tǒng)2時(shí)平均推力略低于采用進(jìn)氣系統(tǒng)1。

圖5 不同組合進(jìn)氣系統(tǒng)下的流量系數(shù)與出口速度Fig.5 Flux coefficient vs exit velocity in case of different assembled inlet systems

圖6 不同組合進(jìn)氣系統(tǒng)下的進(jìn)氣阻力與出口速度Fig.6 Intake resistance vs exit velocity in case of different assembled inlet systems

圖8為采用進(jìn)氣系統(tǒng)2、3、4和5時(shí)的PDE平均推力與爆震頻率之間的變化關(guān)系,這4種進(jìn)氣系統(tǒng)的環(huán)縫堵塞比相同,不同之處在于來流噴口和進(jìn)氣道進(jìn)口尺寸的變化。PDE模型機(jī)工作頻率較低時(shí)(10, 15Hz),采用組合進(jìn)氣系統(tǒng)5的PDE模型機(jī)平均推力比采用其他3種進(jìn)氣系統(tǒng)的模型機(jī)高,但是隨著工作頻率的提高,采用組合進(jìn)氣系統(tǒng)5的吸氣PDE模型機(jī)推力上升趨勢(shì)減緩,到20Hz時(shí)平均推力被進(jìn)氣系統(tǒng)2超過,25Hz時(shí)又被進(jìn)氣系統(tǒng)4落下,但是一直高于系統(tǒng)3,到30Hz時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)5和2的平均推力差距已經(jīng)達(dá)到30%。根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)表1可知,系統(tǒng)5的來流面積大于進(jìn)氣道入口面積,當(dāng)PDE模型機(jī)工作時(shí),由于進(jìn)氣道入口的速度梯度和粘性作用,會(huì)產(chǎn)生引射效應(yīng);同時(shí),低頻時(shí)系統(tǒng)5的進(jìn)氣阻力小于其他系統(tǒng),導(dǎo)致PDE模型機(jī)平均推力增加。但是,隨著頻率的增加,PDE模型機(jī)需要的空氣量加大,也就是出口速度增加,引起模型機(jī)外部阻力急劇增加,抵消了一部分因頻率提高、可爆混合物增加而引起的推力增益,導(dǎo)致PDE模型機(jī)平均推力隨著頻率的提高而增長緩慢,低于對(duì)應(yīng)工況下系統(tǒng)2得到的平均推力。

圖7 組合進(jìn)氣系統(tǒng)1和2的平均推力對(duì)比圖Fig.7 The average thrust of PDE with assembled inlet system 1 and 2

圖8 不同組合進(jìn)氣系統(tǒng)下的平均推力對(duì)比圖Fig.8 The average thrust of PDE with different assembled inlet systems

表2顯示了采用相同錐體、相同環(huán)縫的4種進(jìn)氣系統(tǒng)下吸氣式模型機(jī)推力與火箭式PDE(頭部封閉,尾部敞開)推力的比值。4種組合進(jìn)氣系統(tǒng)按照進(jìn)氣道進(jìn)口面積比分為兩類：面積比0.18和0.706。可以看到,頻率較低時(shí)(10、15Hz),同一面積比下不同進(jìn)氣系統(tǒng)的吸氣式PDE推力差值較小,不同之處主要是各種進(jìn)氣系統(tǒng)下的氣動(dòng)阻力差異造成的。但是,隨著工作頻率的提高,盡管面積比相同,但是系統(tǒng)2和5、系統(tǒng)3和4之間的推力差異逐漸增大。除了系統(tǒng)2和4下PDE模型機(jī)推力與火箭式PDE推力比值變化較小外,系統(tǒng)3和5推力比值隨著頻率提高而逐漸減小。這一點(diǎn)主要是各種進(jìn)氣系統(tǒng)下的阻力特性不同造成的,PDE頻率提高意味著來流速度增加,隨著出口速度增加,系統(tǒng)2和4阻力增加的速率較系統(tǒng)3和5為緩。

表2 4種進(jìn)氣系統(tǒng)的吸氣式PDE模型機(jī)推力對(duì)比Table 2 The average thrust of air-breathing PDEwith four assembled inlet systems

設(shè)計(jì)中心錐體較長的進(jìn)氣系統(tǒng)6的初衷是希望爆震波傳出發(fā)動(dòng)機(jī)后反射進(jìn)爆震室的膨脹波能夠趕上并削弱傳向進(jìn)氣道的后向壓縮波和回傳爆震,在進(jìn)氣道內(nèi)形成低壓區(qū),將反流“拉回”爆震室,從尾部排出,生成正推力,減小或消除反流影響。但是與預(yù)料差別很大的是采用進(jìn)氣系統(tǒng)6的模型機(jī)獲得的平均推力很低,如圖9所示,為工作頻率從10～25Hz的平均推力,遠(yuǎn)低于前面采用短進(jìn)氣道的幾種組合進(jìn)氣結(jié)構(gòu)?？赡苁沁M(jìn)氣道中心錐體過長,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的能量損失嚴(yán)重,而從爆震室傳入的膨脹波也沒有趕上反傳壓力擾動(dòng),致使發(fā)動(dòng)機(jī)平均推力嚴(yán)重下降,沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo),今后會(huì)就此內(nèi)容繼續(xù)研究下去。

圖9 采用進(jìn)氣系統(tǒng)6的吸氣式PDE平均推力與頻率關(guān)系Fig.9 The average thrust ofair-breathing PDE with assembled inlet system 6 vs operation frequency

3 結(jié) 論

對(duì)吸氣式PDE模型機(jī)進(jìn)行了地面臺(tái)多循環(huán)爆震實(shí)驗(yàn),研究了6種進(jìn)氣系統(tǒng)下PDE模型機(jī)的多循環(huán)爆震性能,找到了起爆性好、工作穩(wěn)定、可靠、性能較優(yōu)的進(jìn)氣系統(tǒng)1。

(1)采用6種進(jìn)氣系統(tǒng)的吸氣式PDE模型機(jī)均能以低于50mJ的點(diǎn)火能量在0～30Hz的頻率范圍內(nèi)成功起爆,進(jìn)氣系統(tǒng)1、2和4可以將頻率提高到35Hz;

(2)工作頻率對(duì)吸氣式PDE模型機(jī)的工作性能具有重要的影響。隨著工作頻率的提高,各種進(jìn)氣系統(tǒng)下PDE的平均推力均接近線形增加,其中進(jìn)氣系統(tǒng)1下的PDE增加速率最快。頻率較高時(shí),進(jìn)氣系統(tǒng)3和5的平均推力較低;

(3)環(huán)縫堵塞比對(duì)PDE的平均推力具有一定的影響。堵塞比增加,平均推力略有降低;

(4)對(duì)于吸氣式PDE來說,反流對(duì)平均推力的影響高于進(jìn)氣阻力對(duì)平均推力的影響。進(jìn)氣道進(jìn)口面積越小,反流越小。采用進(jìn)氣系統(tǒng)1、2時(shí),盡管模型機(jī)進(jìn)氣阻力最大,但其反流也最小,導(dǎo)致平均推力最高。

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