脉冲爆震发动机模拟发射实验研究

脉冲爆震发动机模拟发射实验研究 电 ELECTR0NIC 子测量技术 TECHN0【OGY 第30卷第7期 2007年7月 脉冲爆震发动机模拟发射实验研究* 蒋波严传俊邱华李牧王治武 (西北工业大学动力与能源学院西安10020) 摘要:脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机,本文设计了一种集汽油一空气供给系 统,控制系统和脉冲爆震发动机于一体的系统体系,应用可编程控制器控制脉冲爆震发动机的点火频率,空气和汽油 通道电磁阀的响应以及发动机的工作过程,建立了附带有承载小车的导轨架结构,并进行了模拟发射实验.实验 明,发动机点火起爆后能够正常工作并具有有效推力性能,应用可编程控制器实现了当发动机的空气供给流量降低时 的变频点火控制,该实验体系及结果对于脉冲爆震发动机应用于工程实践有一定启示作用. 关键词:脉冲爆震发动机;导轨架;可编程控制器;变频 中图分类号:v231文献标识码:A Exprimentalinvestigationofintegratingpulsedetonationenginesystem Jiang13oYanChua~unQiuHuaLiMuWuangZhiwu (Coil.ofEnergyandPower,NorthwesternPolyteehnica1Univ.,Xi'an710020) Abstract:Thepulsedetonationengine(PDE)isanenginewithnewconceptofusingpulsedeto nationwavetoproduce thrustInthispaper,aPDEsystemwiththegasoline-airsupplysystemandcontrollingdeviceisintroduced.The programmablelogiccontroller(PLC)tooperateignitionfrequency,thesolenoidvalveofair,andaswellasgasolineare introduced.ItisstatedsimplyforthemodelinglaunchtestofthePDEsystemonthelauncherwithacarryingbarrow. ThenormalworkofthePDEbyignitionanditsefficientperformanceareshownintheexperiment.ThePLCcommands theignitionofchangingfrequencieswhentheairflowratedecreases.TheexperimentalresultsarehelpfultOthe practiceofPDE. Keys:pulsedetonationengine;launcher;programlogiccontroller;frequencyconversion 0引言 脉冲爆震发动机(pulsedetonationengine,PDE)是一 种利用周期性爆震波发出的冲量产生推力的非稳态推进 系统,它由控制系统,燃料和氧化剂存储系统,点火电路和 附加管路,燃料和氧化剂形成的混气喷射系统及爆震管组 成.每个爆震循环包括混气填充,点火起爆,爆震形成及 传播,已燃气体排出4个主要过程.与常规飞行器发动机 燃烧室介质连续反应工作不同的是,PDE是以混气燃烧反 应产生的爆震波运动循环的非稳态形式工作,产生的推力 是间歇式的,随着爆震频率的增加,推力趋于稳态.目前 对于脉冲爆震发动机的研究工作取得了丰富的成果,但是 与现有推进系统比起来尚面临许多难,如脉冲爆震间歇 式燃烧方式与供油,供气,排气之间的匹配等问题. 本文尝试了把燃料供给和点火控制等系统小型化并 集成在发动机上启动发射的方式,实验中的PDE采用单一 *基金项目:国家自然科学基金重点基金(50336030)资助项目 爆震管,自带气源(压缩空气)和燃料(汽油),PDE控制系 统由可编程序控制器(PLC)作元件,控制点火频率和系统 中油路和气路开关电磁阀的响应.发动机系统连同托架 小车放置在导轨架上,导轨架可以调整高低角度.该PDE 系统实验对其工程应用具有一定参考价值. 1PDE系统组成 1.1脉冲爆震发动机系统 脉冲爆震发动机是实验体系的重要组成部分,本实验 采用了单一直管作为发动机爆震室.发动机主要分为头 部,点火段和爆震室3部分.发动机头部开有对冲进气 口,并安装了气液两相喷嘴,头部和点火段之间放置了增 强起爆的孔板,爆震室内加装了用以强化爆震的螺旋弹 簧,爆震室全长1.4m,内径80mm.汽油和压缩空气在头 部腔预混后,经孔板进入点火段和爆震室,由火花塞以一 定频率点火后产生爆震燃烧. ? 1? 第3O卷电子测量技术 燃油箱体的容积较小(约900mL),装有进口阀,出口 阀和安全阀.储藏空气的2个气瓶选用铝合金气瓶.发 动机系统(包括管路,电磁阀,油箱和气瓶等)的结构示意 图如图1所示. 1.发动机2.传感器座3.计算机 4.高压空气瓶5.减压器6.火花塞 7.电磁阀8.进气口9.喷嘴 10.PLC控制器11.手动阀 12.油箱13.N2气源 图1发动机系统组成结构示意图 1.2导轨架组成 本实验所用的导轨架是作为发动机运动的支撑体, 架体导轨长3m,底框架长2.5m,宽1m,其结构简易 稳定.架体以长方体框架为底座,并在底面前端配有用 来稳定架体的延长支件.框架上安装了滑动直轨,其底 面打孔,与转动支撑杆件用螺栓连接.移动螺栓插孔孔 位,导轨高度改变以调整倾角.导轨上放置了承载发动 机的四轮小车,小车带有和导轨相连的预紧卡件.导轨 两端设置了可拆卸的带有缓冲弹簧的挡板,图2为导轨 架的简单结构. 1.发动机与承载小车2.小车卡件3.底座框架 4.延长支杆5.转动支撑件6.导轨 7.弹簧挡板8.连接紧固件 图2导轨架系统简图 1.3PDE的质量流量测量 1.3.1油量测量 油箱供油方式为挤压式,外接N气源,用称量法测出 ? 2? 了流量与N气压力的关系,实验中的流量时间控制由 PLC设定.燃油流量可以换算成对应频率,其关系是: f:Q删×ID删/(不/4×d×L××fo)(1) 式中:d为爆震管内径;L为爆震室长度;PM/为燃料/空 气密度比;,o为汽油与空气完全反应时的油气比. 图3给出了油箱阀门开度约为1/2时,频率(流量)与 N2气压力的对应关系. 000102030.40506070.80.9 N2气压力/MPa 图3爆震频率,与油箱压力P关系 1.3.2空气流量测量 实验中空气供给是由气瓶,减压阀,电磁阀以及管路 附件组成的气路提供.发动机实验所需的空气用量与工 作频率成正比,而流量Q与速度U也成比例,即: 厂=Q/(丁c/4×d×L),而Q一丁c/4×d×U(2) 所以:f=u/L(3) 实验中测定了气瓶/减压器系统的供气量,用可编程 控制器PLC控制气路电磁阀开启时间(如3s),用数字风 速仪测出爆震管管口出口速度并求出流量,并用式(3)换 算成频率.图4是在减压器出口压力为0.6,O.8MPa时 得到的频率变化线. 图4频率(流量)按时间变化关系 由图4可以看出,频率随气瓶放气时间而下降,油气 当量比在变化,这就为发动机的控制和产生的稳定爆震 带来了难度.为此按气瓶放气时间推算出各时间段(如3 S内)的平均频率,按时间段变频至有效频率数(如 10Hz),在对应的有效时间(频率)段内求出平均用油量 (Nz气压力),即得到点火频率与油气量的匹配关系.当 蒋波等:脉冲爆震发动机模拟发射试验研究第7期 减压器出口调节压力定为0.6,O.8MPa时,在气瓶有效 供气时间内,余气系数a随时间的变化,如图5所示,图中 B,C,D,E线分别代表油量随N气压力(O.1,O.4MPa) 按0.1MPa均匀增加时的混合气余气系数变化情况.实 验表明该处理方法可以较好地适应频率和混合气当量比 之间的变化. 05l0l52025 时间,s 图5不同供油量下的余气系数变化 1.4PLC控制系统 本实验采用可编程控制器(PLC)控制发动机油路 一 气路阀门动作和脉冲点火.PLC控制是,按下启 动键,依照程序设定,依次点火,供油供气.据现场情况 设置了停止键,控制发动机工作.该PLC选用台达 DELTA直流型(DC24V)编程器,它含有8个输入点 (包含2个脉冲端口),6个输出点,输入点电压和电流 分别为24VDC,5mA,输出点电压为30VIX;,最大负 载为9W.PLC系统可与计算机通信,其端口配置及连 线如图6所示. 宁宇宁斡lY0C0Y2Y3C2 『PLCPOWER X1X2SIS24V {{.cV 1.YO,CO脉冲端2.4.7kQ电阻3.直流1.5V 4,5.喷嘴气路通道电磁阀6.中间继电器 7.非连接点8.继电器触点9.手动开关 图6PLC控制系统线路连接示意图 V 该PLC主要用于开关量的逻辑控制,X1,X2分别 作为启动和停止开关输入点,YO是脉冲输出点,Y2,Y3 是电磁阀控制输出点.电磁阀的额定电压为直流24V, 功率为1Ow,不能直接由PLC输出端控制,需中间继电 器作转换元件.点火脉冲端的加载电压范围较宽,通过 示波器实验测定,约为1,8V,这个范围内,均有点火 信号存在,在脉冲端电路里串接了作电路保护用的高值 电阻4.7kQ. 按下X1输入点开关,PLC按程序设置驱动各个输出 点动作.图7为PLC控制程序流程图,图8为各输入输出 点动作时序图.由图6和图7可看出,PLC脉冲端口YO 变化不受输入点开关X1,X2开断的影响,持续输出并延时 变频,而Y3,Y2端口即时响应输入点的开断,Y2较Y3延 时输出. 笔赢匿动变频lL—]——_JL==产 J送燃油和lJ —— l延时l l喷嘴空气ll 蝰 — 望里l 2实验结果 实验中,设定初始频率为23Hz,每3S变频4Hz直至 截止频率为7Hz,发动机工作时间设置为20S,油箱压力 设为1.5MPa(平均频率15Hz)的Nz气压力.图9是点 火初始频率时在发动机尾端点P位置测得的爆震波压力 波形图.图1O是变频至15Hz时的压力波形图. 由图8可以看出,尾端P点在2个爆震频率时的压力 峰值平均分别达到2.1MPa和5MPa,形成了爆震波,而 变频至15Hz时的实际汽油/空气混合物当量比接近了理 论当量比,爆震波发展更为充分.发动机在带推力传感器 的台架上作了推力测量,平均推力为16kg,比理论值22kg 偏小,其原因主要是在一个爆震循环内,汽油与空气的混 合气在爆震管内的传输速度小于要求速度,未完全填充爆 震管,点火后触发爆震.其次,燃油雾化粒度直径和均匀 性以及发动机头部加装的用来改善雾化性能的孔板孔径 大小与分布也是重要因素.另外,测量台的机械误差和调 节误差也是原因之一. ? 3? 第3O卷电子测量技术 Xl X2 Y3 YO 工2v 几r]r]n门r2 llllI llIIIlI24, f1n…nn厂r]r_]r_]I--I?lll}一 图8PLC各输入输入点动作时序简图 08l2l6 时间 图9初始频率为23Hz时P点的压力波形图 ///厂///一//厂/////一///,上/一/- ? 4? 687276 时 图1O频率为15Hz时P点的压力波形图 3结论 建立了脉冲爆震发动机模拟发射体系,并对自带燃料 和氧化剂的发动机进行了点火启动实验,验证了燃料供给 系统和控制系统小型化集成后,脉冲爆震发动机的工作状 况,实验中在初始频率23Hz下推力达到了16.并且 较好地解决了在供气量逐渐减弱的情况下,点火频率和油 气当量比的匹配关系.本实验对原理性脉冲爆震发动机 向工程实践发展有一定启示作用. 参考文献 [1]严传俊,范玮.脉冲爆震发动机与关键技术I-M].西安: 西北工业大学出版社,2005. 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