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脉冲爆震发动机的点火_起爆性能

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脉冲爆震发动机的点火_起爆性能 第 15卷 第 5期 2009年 10月 燃  烧  科  学  与  技  术 Journa l of Com bustion Sc ience and Technology Vol. 15 No. 5 Oct. 2009 脉冲爆震发动机的点火 2起爆性能 王治武 , 严传俊 , 范  玮 , 郑龙席 , 黄希桥 (西北工业大学动力与能源学院 , 西安 710072) 摘  要 : 针对两相无阀脉冲爆震发动机 ( PDE) ,研究了点火能量、工作频率、发动机直径、进气方式和燃料种类等对 PDE点火 2起爆性能的影...
脉冲爆震发动机的点火_起爆性能
第 15卷 第 5期 2009年 10月 燃  烧  科  学  与  技  术 Journa l of Com bustion Sc ience and Technology Vol. 15 No. 5 Oct. 2009 脉冲爆震发动机的点火 2起爆性能 王治武 , 严传俊 , 范  玮 , 郑龙席 , 黄希桥 (西北工业大学动力与能源学院 , 西安 710072) 摘  要 : 针对两相无阀脉冲爆震发动机 ( PDE) ,研究了点火能量、工作频率、发动机直径、进气方式和燃料种类等对 PDE点火 2起爆性能的影响. 结果显示 ,随着点火能量的提高 ,点火 2起爆时间逐渐减小. 随着 PDE工作频率的提高 , 点火 2起爆时间逐渐减小 ;但是点火能量对 PDE点火 2起爆时间的影响随着工作频率的提高而有所降低. 随着 PDE 直径的增加 ,点火 2起爆时间有所增加.火箭式 PDE点火 2起爆时间略低于对应工况下的吸气式 PDE. 采用煤油为燃 料的 PDE点火 2起爆时间略高于采用汽油的 PDE点火 2起爆时间 ,且随着 PDE工作频率的提高 ,两者差距逐渐 缩小. 关键词 : 脉冲爆震发动机 ; 点火能量 ; 点火 2起爆性能 ; 管径 中图分类号 : V231    文献标志码 : A    文章编号 : 100628740 (2009) 0520412205 Ign ition2Detonation Performance of Pulse Detonation Engines WANG Zhi2wu, YAN Chuan2jun, FAN W ei, ZHENG Long2xi, HUANG Xi2qiao ( School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: The ignition2detonation performance of two2phase valveless pulse detonation engines ( PDEs) with the inner di2 ameters of 50 mm and 120 mm in different operation cases was investigated. To quantify the ignition and detonation2initia2 tion performance, ignition2detonation time was exam ined, which was defined as the sum of ignition time and deflagration2to2 detonation transition (DDT) time. In order to study the effects of ignition energy, operation frequency of PDE, inner diam2 eter of PDE and fuel type on ignition2detonation time and PDE performance, the p roof2of2p rincip le experiments of PDEs were carried out. The results indicated that ignition2detonation time decreased with the increase of ignition energy. A s oper2 ation frequency increased, ignition2detonation time decreased and the effect of ignition energy on ignition2detonation time decreased. Ignition2detonation time increased as PDE diameter increased. Each ignition2detonation time of gasoline2air in a pulse detonation rocket engine ( PDRE) was slightly shorter than that of air2breathing PDE at the same operation frequency. Ignition2detonation time of kerosene /air in air2breathing PDE at several operation frequencieswas slightly longer than that of gasoline /air. Keywords: pulse detonation engine; ignition energy; ignition2detonation performance; inner diameter   收稿日期 : 2008206227. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50336030 ) ; 西北工业大学科技创新基金资助项目 ( 2008KJ02021 ) ; 中国博士后基金资助项目 (20080431252) . 作者简介 : 王治武 (1981—  ) , 男 , 工学博士. 通讯作者 : 王治武 , malsoo@ hotmail. com.   脉冲爆震发动机 ( PDE)是一种利用间歇式或脉冲 式爆震波产生的高温、高压燃气来获得推力的新概念 发动机 [ 1 ] . 其主要优点在于爆震燃烧过程非常迅速 , 能产生很大的能量密度. 点火、起爆问题是脉冲爆震发 动机应用和基础研究中的关键技术之一. 爆震波起爆 方式一般分为两种 ,第一种是直接起爆. 直接起爆需要 的能量和功率 ,是可爆震混合物的胞格尺寸或宽度的 函数 [ 2 ] . 对于汽油和空气的混合物而言 ,其直接起爆 所需点火能量之大、释放能量的速度之快在实际应用 中是不可能实现的. 另一种比较实用的起爆方法是在 爆震室中产生爆燃波 ,然后使其由爆燃转变为爆震 (DDT). 文献 [ 3 ]中的研究指出了 DDT距离和点火能 量、点火位置、混合物当量比等参数之间的依赖关系. 通过多循环 PDE实验发现 ,同样的工作条件下 ,多循 环 DDT时间比单次循环的要短一半 [ 4 ] . 实际应用中由于体积和重量限制 ,脉冲爆震发动 机需要使用液体燃料. 对于液体燃料 ,点火、起爆问题 显得更加重要也更加困难 ,一般需要通过 DDT转变实 现. 文献 [ 528 ]报道了 JP2102氧气混合物的起爆问题 , 点火位置、点火能量和起爆装置封闭端几何形状对重 复起爆的影响 ,以及各种 PDE起爆装置的性能. 当点 火能量大于 500 mJ时 ,增大点火能量不能明显降低 DDT距离 ,但是有利于爆震燃烧的重复起爆. 文献 [ 9 ] 指出 ,在两相流中进行化学反应之前 ,燃料的粒度不能 太大 ,且必须有一定比例的燃料蒸发成气态. 因此 ,点 火能量和 PDE结构尺寸等必将对两相 PDE的点火和 起爆性能具有相当的影响. 本文基于几种不同尺寸的 两相无阀脉冲爆震发动机 ,初步探索了点火能量、多循 环工作频率、发动机直径、发动机模式 (吸气式和火箭 式 )和燃料种类等对脉冲爆震发动机点火 2起爆性能的 影响 ,得到了一些相关结论 ,为今后发动机的与应 用提供了一定的理论与试验基础. 1 试验装置 脉冲爆震发动机模型机包括吸气式 PDE和火箭 式 PDE两种 ,吸气式 PDE内径分别为 50 mm和 120 mm ,火箭式 PDE内径为 120 mm,如图 1所示. PDE主 要由亚音速进气道 (吸气式 PDE)、混合室、点火室和 爆震室组成. 燃油采用内混式气动雾化喷嘴与空气同 轴喷射 ,当供气压力为 0. 3 MPa时 ,喷雾量在不大于 2 L /m in的情况下 ,索特平均直径 25~100μm [ 10 ] . 试验 采用连续、非预混供气方案 ,燃料为汽油和煤油 ,氧化 剂为空气. 为了在爆震室中形成混合均匀的可爆混合 气 ,在脉冲爆震发动机的爆震室之前装有一个燃油与 空气的混合室. 在混合室与爆震室之间是点火室 ,目的 是在点火器周围形成涡流 ,降低点火器周围的气流速 度来快速、可靠地点燃可爆混合物. 在点火室安装点火 器 ,由频率在 1~100 Hz范围内连续可调的爆震点火 及频率控制系统控制起爆. 采用两种方式点火 ;第一种 为点火能量低于 50 mJ的火花塞点火 ,第二种是利用 高能可调点火装置 ,其能量范围为 0~4. 2 J. 点火能量 影响的试验主要基于内径 50 mm的吸气式 PDE进行. 点火器位于位置 0、1之间 (见图 1). 爆震室装有 Shch2 elkin螺旋增爆器. 汽油和空气按照一定的当量比注 入 ,汽油经过喷嘴雾化后在混合室与空气掺混 ,形成可 爆混合物 ,混合物充满或者部分充满爆震室后 ,火花塞 点火 ,爆燃向爆震转变形成爆震 ,最后产物排出发动机 继而进入下一个循环. 并行采集 5路压力信号 (0、1、2、 5和 6 ) ,测压位置分别距离点火装置 210 mm、225 mm、525 mm、825 mm和 925 mm. 压力信号的采样率 为 500 kHz. 2 试验结果与分析 2. 1 点火能量影响 图 2为点火能量为 50 mJ、4 J时 ,内径 50 mm的 吸气式脉冲爆震发动机在工作频率为 20 Hz、位置在 0、1、2、5和 6处的压力变化时域波形放大图. 可以看 到两种点火能量下发动机沿程压力变化非常类似. 尽 管点火能量从 50 mJ提高到 4 J,但是 PDE模型机仍然 在位置 6处才生成充分发展的爆震波 ,也就是说爆燃 向爆震转变距离没有明显变化. 火花塞点火之后 ,生成 前向 (沿 2号虚线 )和后向 (1号虚线 )两组压缩波 ,先 后引起 p1、p0 的初始压力扰动. 前向扰动由 p1 沿虚线 2次序传递到 p6 ,在位置 5之前的某处 ,生成局部爆 炸 ,压力急剧升高 ,爆炸波也按前、后方向传播 ,前向传 播激波继续加强 ,压力继续增加 ,最终在位置 6处生成 充分发展的爆震波. 后向传播的爆炸波称为回传爆震 , ·314·2009年 10月              王治武等 :脉冲爆震发动机的点火 2起爆性能 沿虚线 3次序传递到位置 0,在各个位置生成压力尖 峰 ,并引起各处的压力振荡. 爆震波传出爆震室后 ,相 应地有一道相位相反、幅度较低的膨胀波传入爆震室 , 膨胀波向上游传播 ,引起模型机内压力的下降 ,并低于 环境压力 ,燃料、空气便可以重新供入. 图 3显示了 50 mJ和 4 J两种点火能量下内径 50 mm吸气式脉冲爆震发动机点火 2起爆时间 ( tig2det )与发 动机工作频率的变化关系. 两种点火能量下 , PDE模 型机的工况基本相同 ,即燃油、空气流量相同 ,点火位 置、发动机结构相同. 点火 2起爆时间指的是从点火器 接收到点火信号开始到模型机由爆燃向爆震转变 (DDT)生成充分发展的爆震波花费的时间 ,即点火延 迟时间 tdelay和 DDT时间 tDDT之和 ,如图 4所示. 无论是 采用 50 mJ还是 4 J的点火能量 ,点火 2起爆时间均随 着 PDE模型机工作频率的提高而逐渐减小 ,但是点 火 2起爆时间减小的速率也随着工作频率的提高而逐 渐降低. PDE模型机工作频率提高 ,意味着在同样的 工作时间内可爆混合物释放的能量增多 ,新鲜混合物 的冷却时间减少 ,导致模型机管壁温度不断提高 ,这 样 ,新鲜混合物填充的时候便吸收了大量的辐射热量 , 减小了燃油粒度 ,提高了燃油的蒸发速率 ,增加了蒸气 态燃油百分比 ,自然有利于火花的快速点火和爆燃向 爆震的加速转变 ,也即减小了点火 2起爆时间. 而随着 模型机工作频率的不断提高 ,多循环工作产生的额外 点火能量增加比例有所下降 ,其对燃油粒度和燃油蒸 发速率的影响降低 ,因此 ,点火 2起爆时间减小的速率 随着工作频率的提高而逐渐降低. 可以看到 ,点火能量提高之后 ,发动机的点火 2起 爆时间显著降低 ,平均下降 32% ~39% ,但是随着发 动机工作频率的提高 ,点火 2起爆时间下降的百分比减 小 ,也就是说点火能量对点火 2起爆时间的影响有所降 低. 50 mJ点火能量时 ,模型机 35 Hz下的点火 2起爆时 间比 10 Hz下降低了 30%左右 ,而使用 4 J点火能量 时 , 35 Hz下的点火 2起爆时间只比 10 Hz下降了 21% 左右. 点火 2起爆时间降低有利于提高脉冲爆震发动机 的工作频率. 发动机的爆震频率不能无限增加 ,它有一 个上限 ,最大爆震频率 fmax与最小循环时间 tcycle相 关 ,即  tcycle = tfill + tig2det + tD + texhaust (1)  fmax = 1tcycle (2) 式中 : tfill为填充时间 ; tD 为爆震波传播时间 ; texhaust为 排气时间. 在填充时间、爆震传播时间和排气时间不变 ·414· 燃   烧   科   学   与   技   术              第 15卷 第 5期 时 ,点火 2起爆时间减小 ,使得循环时间减小 ,最大爆震 频率增加. 2. 2 PD E直径影响 图 5显示了 50 mm和 120 mm两种内径的吸气式 脉冲爆震发动机点火 2起爆时间 ( tig2det )与工作频率的 变化关系. 随着模型机工作频率的提高 ,这两个吸气式 PDE模型机的点火 2起爆时间均逐渐减小 ,但是在同样 的工作频率下 ,内径 120 mm的吸气式 PDE点火 2起爆 时间普遍大于内径 50 mm 的吸气式 PDE,两者相差 115~3. 3 m s不等 ;而内径 120 mm的吸气式 PDE模型 机的点火 2起爆时间的上下浮动幅度也大于内径 50 mm的吸气式 PDE模型机. 两种内径的吸气式 PDE模 型机的点火 2起爆时间随着工作频率的提高而减小的 速率有所不同. 对于内径 50 mm的吸气式 PDE来说 , 随着工作频率的提高 ,点火 2起爆时间的减小速率逐渐 下降 ,也就是说 PDE从 5 Hz提高到 10 Hz时 ,点火 2起 爆时间下降最多 ,为 2. 43 m s,而从 10 Hz提高到 15 Hz,点火 2起爆时间仅下降了 1. 3 m s,之后就逐渐减小 , 由 20 Hz提至 25 Hz,点火 2起爆时间仅仅下降 0. 44 m s. 相对来说 ,内径 120 mm的吸气式 PDE点火 2起爆时间 与工作频率之间的变化关系则没有那么规律. PDE模 型机从 5 Hz提高到 10 Hz时 ,点火 2起爆时间的确下降 最多 ,但是从 10 Hz提高到 15 Hz,点火 2起爆时间却是 下降最少的 ,其他频率下点火 2起爆时间下降额度与从 5 Hz提高到 10 Hz时相当. 图 5 内径 50 mm与 120 mm的吸气式 PD E点火 2起爆时间 前面说过 ,点火 2起爆时间由两部分组成 :火花生 成并成功诱导可爆混合物着火的点火延迟时间和火焰 加速直至生成爆震的爆燃向爆震转变时间. 50 mm PDE模型机和 12 0mm PDE模型机均采用气动雾化喷 嘴 ,在同样的工作频率下 ,两者的燃油液滴粒度接近 , 也就是说 , 50 mm PDE和 120 mm PDE的点火延迟时 间相差不大. 接下来的火焰加速过程中 ,火焰先要传满 PDE的整个横截面 ,然后才沿着轴向传播、加速 ,而初 始的火焰传播速度很低 ,也就是说火焰传满 PDE横截 面的时间在整个火焰加速时间中占了较大的比例. 因 此 , PDE模型机内径由 50 mm增加到 120 mm之后 ,火 焰必须花费更多的时间填满模型机的横截面 ,然后开 始正式的火焰加速过程 ,导致 DDT时间增加 ,也即点 火 2起爆时间增加. 图 6为内径 120 mm 吸气式 PDE和火箭式 PDE 的点火 2起爆时间 ( tig - get )随着工作频率变化而变化的 趋势对比. 随着模型机工作频率的提高 ,无论是吸气式 PDE还是火箭式 PDE,点火 2起爆时间均逐渐减小 ,但 是减小趋势有所不同 ,火箭式 PDE的减小趋势更具有 规律性 ,其与 50 mm吸气式 PDE变化趋势类似. 在同 样的工作频率下 , 120 mm吸气式 PDE平均点火 2起爆 时间稍大于 120 mm火箭式 PDE,而其随机值是相互 交叉的. 图 6 内径 120 mm 时吸气式 PD E与火箭式 PD E的 点火 2起爆时间 与以汽油 /空气为推进剂的吸气式 PDE类似 ,煤 油 /空气的点火延迟时间和点火 2起爆时间随着工作频 率的增加逐渐减小 ,如图 7所示. 但是与汽油 /空气相 比 ,煤油 /空气的点火 2起爆时间明显增加 ,原因主要在 于煤油的可爆性比汽油差 ;随着频率的增加 ,由于循环 释热增多 ,点火能量加大 ,导致两种燃料的点火 2起爆 时间差值逐渐减小. 图 7 汽油和煤油为燃料的吸气式 PD E点火 2起爆时间 3 结  论 (1) 随着点火能量的提高 ,爆燃向爆震转变距离 ·514·2009年 10月              王治武等 :脉冲爆震发动机的点火 2起爆性能 没有明显减小 ,但是点火 2起爆时间逐渐减小. 随着发 动机工作频率的提高 ,点火 2起爆时间也逐渐减小 ;但 是点火能量对发动机点火 2起爆时间的影响随着工作 频率的提高而有所降低. (2) 随着 PDE直径的增加 ,吸气式 PDE点火 2起 爆时间也随着工作频率的提高而逐渐减小 ,但是在同 样的工作频率下 ,大内径吸气式 PDE点火 2起爆时间 普遍大于小内径吸气式 PDE. 吸气式 PDE平均点火 2 起爆时间也稍大于对应工况下的火箭式 PDE的时间. (3) 与汽油 /空气相比 ,煤油 /空气点火 2起爆时间 较长 ,但是两者差值随着 PDE工作频率的提高而逐渐 减小. 参考文献 : [ 1 ] Fan W , Yan C J, Huang X Q, et al. Experimental investi2 gation on two2phase pulse detonation engine [ J ]. Com bus2 tion and Flam e, 2003, 133 (4) : 441 - 450. [ 2 ] Benedick W , Guirao C, Knystautas R, et al. Critical charge for the direct initiation of detonation in gaseous fuel/ air m ix2 tures [ J ]. Prog A stro A ero, 1986, 106 (2) : 1812202. [ 3 ] Sinibaldi J O, B rophy C M , Robinson J P. Ignition effects on deflagration2to2detonation transition distance in gaseous m ixtures [ R ]. A IAA 200023590, 2000. [ 4 ] Santoro R J, Conrad C, Lee S Y, et al. Fundamental multi2 cycle studies of the performance of pulse detonation engines [ R ]. ISABE2200121171, Bangalore, India, 2001. [ 5 ] B rophy C M , Netzer D W , ForesterD. 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