吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

胡焰彬，翁春生，白桥栋，杨建鲁，黄孝龙

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)



吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

胡焰彬，翁春生，白桥栋，杨建鲁，黄孝龙

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果，在发动机的点火室内引入了氧气，并开展了系列试验研究，研究结果表明，点火室内引入氧气，提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度，缩短了点火起爆的时间，增加了发动机的平均推力，简化了发动机内的强化燃烧装置。与纯空气状况相比，爆轰波压力最大增加了1.28倍、爆轰波传播速度与发动机平均推力的最大增幅分别为69.57%和62.84%，点火起爆时间则相应减少了36.47%。点火室引入的氧气量存在临界值，小于临界值时随着引入氧气量的提高，发动机爆轰效果的改善越显著；大于临界值时，发动机会形成连续燃烧。

吸气式脉冲爆轰发动机；点火室；氧含量；燃烧转爆轰；平均推力；试验研究

0 引言

脉冲爆轰发动机(Pulse Detonation Engine，简称PDE)的起爆方式主要分为直接起爆和间接起爆。考虑到PDE在实际推进系统中的应用，就需要使用具有更高能量密度和安全存储性能的液体燃料[1]。此时，直接起爆所需的点火能量很大(>106J)，难以实现[2]。因此，在实际应用中，需采用较低的点火能量，通过燃烧转爆轰(Deflagration to Detonation Transition，简称DDT)的转变方式来完成起爆过程。对于液体燃料，DDT长度可达米的数量级[3]，因而采用各种措施来缩短PDE的DDT时间和距离显得十分必要。

常见的缩短DDT时间和距离的方法主要是在爆轰室内安装各种强化燃烧装置，如多管蒸发助爆器[4]、掺混器[5]、Shchelkin螺旋[6]、圆环形扰流片[7]等。Lee等[8]在宽为45 mm的方管内安装圆形平板障碍物，实现了乙烯/空气混合物的DDT过程。实验发现，圆形平板障碍物堵塞比在0.3～0.6之间时，能有效地提高爆轰室内的紊流强度，促进火焰加速。严传俊等[9]设计了3种不同截面(半圆形、方形和三角形)的凹入式螺旋增爆器，在长径比为12.17的爆轰室内均获得了充分发展的爆轰波, 实现了DDT过程。Witt等[10]在爆轰室内强化燃烧装置下游一定距离处，安装了平板和环形孔板组合或圆锥体和环形孔板组合的2种强化激波反射装置，利用激波反射的手段成功触发了爆轰。实验表明，激波反射装置有利于由加速火焰产生的激波反射聚焦，强化的激波在局部产生过驱爆轰波，缩短DDT的距离和时间。强化燃烧装置的使用，可起到提高紊流强度、加快火焰传播速度以及强化燃烧的作用，对缩短DDT的时间和距离有利，但强化燃烧装置带来的总压损失，一方面会降低PDE的填充速度，另一方面也会降低燃气做功能力，造成推力下降。Cooper等[11]的研究结果表明，使用堵塞比为43%的扰流装置，在使得DDT时间平均降低65%的同时，也会使发动机的推力下降25%。此外，翁春生等[12]通过实验发现，压缩气体中含氧量的变化对爆轰波压力有较大影响，在压缩气体中适当提高氧气含量，能显著促进爆轰的转变。

本文在前人研究基础上，通过在吸气式PDE点火室的凹槽内引入氧气，结合实验手段，研究其对吸气式PDE性能的影响。

1 试验系统及测试方案

1.1 吸气式脉冲爆轰发动机试验系统

吸气式脉冲爆轰发动机的整体试验系统如图1所示，主要包括吸气式脉冲爆轰发动机本体、供气系统、供油系统、点火控制系统和数据采集系统。吸气式脉冲爆轰发动机由进气道、进气阀、混合室、点火室及爆轰室组成，内径为80 mm。爆轰室内装有12片扰流片(堵塞比为41.27%)和激波反射器，用于增加管内气体紊流强度，确保爆轰的形成。供气系统由罗茨风机作为气源，通过供气管道和特定的喷口流出气流，供气压力在0～0.07 MPa之间可调。供油系统包括储油罐、供油管道及微细雾化喷嘴，可通过调节供油压力来改变燃油流量。点火控制系统包括点火控制器和点火头。数据采集系统包括冷却装置、动态压力传感器、数据传输线及数据处理终端。

1.2 点火室引入氧气装置及增氧含量系数

图2为吸气式PDE点火室的结构示意图，其内部结构主要包括半V型钝体和凹槽，当高速混气流经点火室时，会在凹槽内形成低速气流区，确保点火成功率。点火室凹槽的侧壁上开有φ10 mm的径向通孔，与点火头成45°角，可供引入氧气。

试验中，PDE的进气总温为340 K，进气压力为0.015 MPa，采用风速计测得发动机尾部出口气流速度，根据爆轰室内径，可计算出流经PDE的空气质量流量。采用高压气瓶作为气源，为发动机点火室提供氧气，通过调节高压气瓶减压阀的出口压力值以及安装在供气管路上的气体质量流量计，可即时测量流经管路的氧气质量流量。定义流入点火室凹槽的氧气质量流量与流经PDE的空气质量流量的比值为增氧含量系数β。

图1 吸气式脉冲爆轰发动机试验装置示意图

图2 点火室结构示意图

1.3 压力测试方案

试验中，采用动态压力传感器对脉冲爆轰发动机沿程各处的压力进行测量，如图1所示。动态压力传感器P0位于推力壁附近，点火位置之前，距点火位置100 mm，用于测量发动机推力壁附近的压力变化。动态压力传感器P1和P2位于激波反射器之后，分别距点火位置1 300 mm和1 380 mm，用于测量爆轰室内的燃烧波压力及传播速度。

2 试验结果及其分析

2.1 不同增氧含量系数下吸气式PDE的试验结果

以汽油为燃料，采用微细雾化喷嘴与中心锥鳞片阀的组合结构，在进气压力0.015 MPa、进油压力0.6 MPa、点火频率10 Hz工况下，获得了各种增氧含量系数β下吸气式PDE稳定的工作过程。图3(a)、(b)分别为增氧含量系数β=0和β=6%时，动态压力传感器P2测得的压力曲线。

为了保证试验的可靠性，每个组别的试验均重复多次，选取稳定工作数据的平均值作为测量值。改变点火室引入的氧气量，获得了不同增氧含量系数β下吸气式PDE的各爆轰参数，如表1所示。

表1中，p2为动态压力传感器P2测得的压力曲线峰值的平均值；v为根据P1与P2两测压点之间的距离以及燃烧波到达各测压点的时间差，计算出的燃烧波在两测压点之间传播的平均速度[13]。对于两相爆轰过程而言，存在着燃油雾化、掺混及混气分布等因素的影响，爆轰波传播速度可能会比CJ爆轰波速度低700～800 m/s[14]。此外，动态压力传感器P2测得的压力曲线上升沿陡峭，约为几至十几微秒。因此，可认为表1中所列工况下的试验均获得了成功起爆。

(a)β=0

(b)β=6%

从表1可看出，点火室凹槽内引入氧气后，吸气式PDE的爆轰效果得到了明显改善，且随着增氧含量系数β的提高，爆轰效果的改善越显著。当增氧含量系数β=6%时，爆轰波压力p2可达纯空气状况下的2.28倍，爆轰波的平均传播速度v也提高了69.57%。这是由于吸气式PDE采用的是连续供油方式，且进油压力远大于进气压力，会造成供油提前和停止供油滞后[15]。在此情况下，提高氧化剂中的含氧量，能使燃料燃烧的更加充分，反应释放出更多的热量来维持爆轰的进行，因而爆轰波的峰值压力也会增加。在试验中，如果继续增大增氧含量系数β至8%时，由于氧化剂中的氧气含量大大增加，且其化学性质很活泼，在发动机内部高温高压气体作用下，很容易发生提前燃烧，此时在PDE尾部会产生持续燃烧火焰，无法形成爆轰。

表1 不同增氧含量系数下的各爆轰参数

定义PDE的点火起爆时间[16]tig-det为从点火头接收到点火信号开始，到压力波形p2上升沿上压力值为压力峰值98%对应的时刻为止[13]，包括点火延迟时间tdelay和燃烧转爆轰时间tDDT，如图4所示。图5为不同增氧含量系数β下的点火起爆时间。从图5中可看出，随着增氧含量系数β的增加，PDE的点火起爆时间tig-det会随之减少，当增氧含量系数β为6%时，与纯空气状况下相比，PDE的点火起爆时间tig-det降低了36.47%。图4中，点火延迟时间tdelay为6.08 ms，而点火延迟时间主要受点火能量与工作频率的影响[17]，在相同的点火能量和工作频率下，点火延迟时间tdelay是几乎相同的。因此，点火起爆时间tig-det的缩短，也意味着PDE的燃烧转爆轰时间tDDT也在缩短。在点火室引入氧气后，会在点火头附近形成一个含氧量相对较高的区域，氧化剂中含氧量的增加，能降低燃油混气的燃点温度，使得混气更早地被点燃。与此同时，氧化剂中含氧量的增加，提高了混气燃烧的速度、强度及传热效率，从而进一步加快了DDT过程的完成。

图4 燃烧转爆轰时间示意图

图5 不同增氧含量系数下的点火起爆时间

图6(a)、(b)分别为增氧含量系数β=0和β=6%时，动态压力传感器P0测得的吸气式PDE推力壁附近压力曲线的局部放大图。从图6中可看到，无论增氧含量系数β=0或β=6%，推力壁压力曲线均有多个明显的压力波动过程。这是由于压缩波在扰流片与激波反射器之间不断被反射、叠加，形成了多道激波，向上游传播以及爆轰波形成后，产生回爆波[18]，向上游传播导致的结果。

(a)β=0

(b)β=6%

在PDE出口为直管的条件下，推力壁压力值与推力壁面积(7 850 mm2)相乘，可得到吸气式PDE推力壁处的瞬态推力，瞬态推力对时间积分，并取时间平均值，即为发动机推力壁压力曲线积分法得到的平均推力，简称平均推力[2]。图7为吸气式PDE的推力壁压力峰值p0及多循环工况下平均推力Fave随增氧含量系数β的变化规律。由图7可看出，随着增氧含量系数β的增加，吸气式PDE的推力壁压力峰值和平均推力也随之增加，当增氧含量系数β=6%时，推力壁压力峰值和平均推力分别增加了53.02%和62.84%。这是因为随着增氧含量系数β的增加，混气燃烧的速度、强度以及传热效率都随之提高，点火初期形成的压缩波、经扰流片与激波反射器加强后的激波以及回传的爆轰波都得到了增强，从而造成了推力壁压力峰值和发动机的平均推力均随之增加。

图7 吸气式PDE的推力壁压力峰值及平均推力随增氧含量系数的变化规律

2.2 减少强化燃烧装置的试验结果

鉴于点火室凹槽内引入氧气能有效地改善吸气式PDE的爆轰效果，特进行了减少发动机内强化燃烧装置的试验研究。图8为减少强化燃烧装置后的吸气式脉冲爆轰发动机本体。与图1中的APDE结构相比，去除了激波反射器，扰流片数量也减少至7片。动态压力传感器P3、P4均位于扰流片之后，分别距点火位置780 mm和860 mm。

图8 减少强化燃烧装置后的吸气式PDE示意图

在进气压力0.015 MPa、进油压力0.6 MPa、点火频率10 Hz工况下，获得了增氧含量系数β分别为0和7%的吸气式PDE稳定的工作过程。图9(a)、(b)分别为增氧含量系数β=0和β=7%时，动态压力传感器P4测得的压力曲线。

(a)β=0

(b)β=7%

由图9可看出，增氧含量系数β=7%时，动态压力传感器P4测得的平均压力峰值p4为1.657 MPa，是β=0时p4的4.9倍。增氧含量系数β=0与β=7%时燃烧波的平均传播速度分别为579.96 m/s和1 260.67 m/s。因此，可认为增氧含量系数β=7%时，已经形成了稳定的爆轰波，而增氧含量系数β=0时，未能形成爆轰。这表明采用点火室引入氧气的方法，能减少PDE内强化燃烧装置的使用，从而减少了发动机工作过程中的内部阻力，为进一步提高吸气式PDE的推力性能提供了基础。

3 结论

(1)在吸气式PDE点火室凹槽内引入氧气，能显著改善发动机的爆轰效果，提高了PDE的爆轰波峰值压力和传播速度，缩短了燃烧转爆轰的时间，增大了发动机的理论推力；

(2)通过在PDE点火室凹槽内引入氧气，能简化发动机内强化燃烧装置的使用，有利于减少发动机的内阻力；

(3)点火室引入氧气的增氧含量系数存在临界值，当大于临界值时，会造成发动机的连续燃烧。

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(编辑：崔贤彬)

Experimental research of oxygen introduced in ignition chamber for air-breathing pulse detonation engine

HU Yan-bin,WENG Chun-sheng,BAI Qiao-dong,YANG Jian-lu,HUANG Xiao-long

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Oxygen was introduced in the ignition chamber in order to improve the detonation performance of the air-breathing pulse detonation engine (APDE).The results show that the increased detonation pressure and spread velocity as well as the shortened ignition-detonation time of ABPDE is acccompanied with the introducing of oxygen supply. Meanwhile,the intensifying combustion device was simplified with an enhanced average thrust force.In contrast to the air supply,the detonation pressure,spread velocity and average thrust force were increased by 128%,69.57% and 62.84%,respectively,whereas the ignition-detonation time was reduced by 36.47%.In fact,there exists a critical value of the increasing oxygen content coefficient,i.e.,detonation performance could be dramatically improved by increasing the O2feed (less than 8%);otherwise,continuous burning would occur.

air-breathing pulse detonation engine (APDE);ignition chamber;oxygen content;deflagration to detonation transition;average thrust force;experimental research

2014-05-29；

2014-07-30。

国家自然科学基金(11372141)，中央高校基本科研业务费专项基金(30920130112007)。

胡焰彬(1985—)，男，博士生，研究方向为爆轰推进。E-mail：bingyanhu123@126.com

翁春生(1964—)，教授/博导，研究方向为推进技术。E-mail：wengcs@126.com

V235.22

A

1006-2793(2015)03-0342-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.008