旋转爆震发动机工作特性试验研究

徐 灿,马 虎,严 宇,邓 利,余 陵

(1.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094; 2.西安航天动力研究所 液体火箭发动机技术重点实验室,陕西 西安 710100)

旋转爆震发动机工作特性试验研究

徐 灿1,马 虎1,严 宇2,邓 利1,余 陵1

(1.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094; 2.西安航天动力研究所 液体火箭发动机技术重点实验室,陕西 西安 710100)

为研究旋转爆震发动机的工作特性,在以H2/air为推进剂的发动机模型上进行试验,利用离子探针和高频压力传感器分别采集火焰信号和压力信号,改变空气质量流量,分析并对比了高、低质量流量下发动机的点火、稳定传播及熄火过程中火焰和压力波的变化情况。结果表明:火焰与压力波的主频相同,是耦合传播的,传播速度可达1 660 m/s;对于低质量流量(75.37 g/s),靠近燃烧室入口的离子探针的离子信号峰值大于远离燃烧室入口的离子信号峰值;对于高质量流量(102.125 g/s),远离燃烧室入口的离子探针的离子信号峰值大于较近点的离子信号峰值;新鲜反应物填充对靠近燃烧室入口的点的作用时间长于较远的点;压力信号瞬时频率的相对标准差小于火焰信号;小流量的点火时间短于大流量;切断H2供给后火焰比压力波更早熄灭。

旋转爆震发动机;离子信号;传播速度;起爆过程;熄爆过程

Abstract:Experiments on rotating detonation engine(RDE) with the propellant of H2/air were conducted to investigate the operating characteristics of engine.Ion probes and high-frequency pressure transducer were installed simultaneously to measure flame signal and pressure signal respectively.By changing air mass-flow-rate,the flame and pressure wave signals of the ignition process,stable stage and shut down process were analyzed under the high and low mass-flow-rate.The dominant frequency of flame is the same as that of pressure wave,and they are coupling during propagation,and the propagation velocity reaches 1 660 m/s.When mass flow rate is low(75.37 g/s),the flame signal peaks at the point near the inlet of combustion chamber,are larger than that at the further point.When mass flow rate is high(102.125 g/s),the flame signal peaks at the further point are larger than that at the closer point.The fresh gas injection has more time-wise effect on the closer point than the further one.The relative standard deviation of instantaneous frequency of pressure signal is smaller than that of the flame signals.Furthermore,the ignition time under the conditions of lower mass flow rate is shorter than that under the conditions of the higher mass flow rate.When the supply of H2is cut off,the flame disappears earlier than pressure wave.

Keywords:rotating detonation engine;ion signal;propagation velocity;ignition process;shut down process

燃烧一般分为爆燃和爆震2种模式。传统的爆燃燃烧近似等压燃烧,化学反应平缓,火焰传播速度通常为几米每秒到几十米每秒;爆震燃烧近似为等容燃烧,化学反应剧烈,火焰传播速度达到几千米每秒。爆震燃烧具有放热快、热循环效率高等优点,自20世纪以来得到国内外学者的广泛关注[1-5]。旋转爆震发动机(rotating detonation engine,RDE)是一种基于爆震燃烧机理的新型发动机,通常采用一端封闭一端开口的圆环形燃烧室,工作时燃烧室内产生高温高压且以高速旋转传播的爆震波,伴随着燃烧产物的不断排出,产生推力。根据ZND模型理论可知:爆震波由前导激波和燃烧波组成[6]。在与RDE相关的试验研究中,通常采用高频压力传感器测量前导激波,通过压力信号研究爆震波特性。然而,燃烧室内的高温高压燃气使压力传感器工作环境非常恶劣,不利于长程试验的压力测量。为延长传感器的使用寿命,通常会在其表面镀一层耐烧蚀材料或采用冷却装置,但这些措施往往会带来信号延迟、精度下降及装置的复杂化等问题。离子探针是监测发动机燃烧状态的关键技术之一,其对环境压力、温度和气流速度的变化不敏感,且具有灵敏度高、结构简单、操作方便、价格低廉等优点[7-8]。

目前,国内外已经有部分学者采用高频压力传感器和离子探针结合的手段研究爆震发动机。Andrew等在H2/air组合的吸气式RDE上采用离子探针成功检测到高频火焰信号[9];Michael等利用压力传感器、离子探针、高速相机和光电二极管结合的方法,对以乙烯和丙烷为燃料的脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDE)进行试验研究,分析了不同工作频率下爆燃到爆震的转捩、压力上升过程、火焰和混合物的离子化等问题[10];张彭岗等在预爆震管中进行单爆震试验,利用高频压力传感器和离子探针同时测量爆震管内压力和火焰,分析了爆燃和爆震2种不同情况下波与火焰的相互作用过程[11];潘慕绚等在PDE上进行单次爆震和多次循环爆震试验,发现离子探针具有良好的耐高温、耐冲击等优点,并且由离子信号计算得到的爆震波传播速度与由压力传感器计算的结果一致[12]。吴筱敏等利用火花塞作为离子传感器,测量汽车发动机中的离子信号,从测量结果判断发动机的燃烧状态,同时开展了一些相关研究[13]。

迄今为止,离子探针较少用于与RDE相关的研究中,且关于RDE工作时火焰传播特性的研究较少。然而,为了更清楚地认识爆震波,对火焰的研究也是必要的。因此,本文将在RDE试验台上进行相关试验,在发动机上同时安装离子探针和高频压力传感器,分别采集燃烧室内火焰信号和压力信号,更全面地研究RDE的工作特性。

1 试验系统及原理

1.1 试验系统

本文试验系统主要包括:推进剂供给系统、模型发动机、点火装置、控制系统和采集系统,如图1所示。

①推进剂供给系统。以H2为燃料,空气为氧化剂,利用高压气瓶为发动机提供燃烧工质。供给管路由高压气源、减压阀、限流喉道、球阀、电磁阀和单向阀组成。试验中通过调节减压阀达到改变反应物质量流量及当量比的目的。

②模型发动机。采用非预混喷注方式,H2由燃烧室内壁面周向均布的90个小孔喷注,空气通过收缩—扩张环缝进入燃烧室,燃料和氧化剂在燃烧室内边混合边燃烧。发动机采用一端封闭一端开口的圆环形燃烧室,其外径do=80 mm,内径di=70 mm,轴向长40 mm。

③点火装置。本试验采用高能火花塞点火,将其沿发动机径向垂直安装,点火能量约3 J。

④控制系统。利用时序控制程序改变高能火花塞和电磁阀的状态,从而实现点火时刻控制和供给管路的通断控制。

⑤采集系统。燃烧室下游(离燃烧室入口8 mm的位置)同一轴向上的测量点I3和P2,周向间隔120°,分别安装离子探针和高频压电式压力传感器;燃烧室上游(离燃烧室入口3 mm的位置)的测量点I1安装离子探针,与P2间隔75°,测量点间的相对位置如图2所示。试验采用高频压力传感器采集压力信号,响应时间小于等于2 μs,固有频率大于100 kHz;采用自主开发的离子探针测量火焰,与发动机壳体通过螺纹连接;此外,集气腔内压力通过扩散硅式压力变送器测量。反应物当量比是通过涡街流量计采集的不点火时H2和空气供气管路的质量流量计算得到的。压力信号及火焰信号均由NI公司X系列多功能信号采集卡采集,单通道采样频率达2×106s-1,具有16位ADC分辨率,能够保证采集信号的真实稳定。

1.2 火焰测量原理

燃烧不仅是发光发热的过程,也是化学电离和热电离的过程,H2和空气燃烧产生H+、OH-和自由电子等中间产物,这些离子和自由电子存在于火焰区和已燃区,在外加直流偏置电场的作用下,定向移动形成离子电流[14]。

为了达到利用离子探针测量RDE燃烧室内火焰信号的目的,必须采用可靠的火焰测量系统。首先,在结构较简单的预爆震管中进行单爆震试验,确定几种方案,再将其用于RDE。与单爆震试验不同的是,RDE中的火焰是高频旋转的,为采集到该信号,要求电路必须具有高频响应能力。经反复调试,最终得到可靠测量系统,如图3所示。发动机未点火时,燃烧室内冷流的离子浓度很低,离子探针两极之间只有非常微弱的离子电流,可忽略不计,电路处于断路状态;发动机点火后,可燃气发生剧烈化学反应,产生比冷流高几个数量级的离子和自由电子,当火焰面扫过离子探针的两极时,形成离子电流,电路导通,离子电流经电阻转换成电压信号,该电压的值就是采集到的火焰信号。电压大小反映离子电流的大小,离子电流的大小与离子浓度成正比。

2 试验结果分析

下文用UI1,UI3分别表示I1,I3点的离子信号,p2表示P2点的压力信号,pH2表示氢气集气腔压力,pair表示空气集气腔压力。离子信号UI1和UI3由2个相同的相互独立的电路分开测量。

2.1 火焰与压力波传播过程

1)工况1。

空气及氢气的质量流量分别为75.371 g/s,3.727 g/s,总质量流量为79.098 g/s,当量比为1.698,环境温度为295 K,出口背压为大气压。

图4(a)是发动机全程工作下的火焰和压力的信号曲线(注:为方便对比,将UI3增加了0.7 V),横坐标t为时间,UI和p2分别为离子信号和压力信号。可以看出:UI1的值基本在0.4 V以下,UI3基本在0.3 V以下,前者明显大于后者。这可能是由于该工况下质量流量较小,爆震波高度较小,上游点I1处的爆震波强度大于下游点I3,I1点的化学反应更剧烈,导致该点离子浓度高于下游。

图4(b)是放大后的离子信号曲线。ta～tb阶段,离子信号几乎为0,说明此时测量点处没有火焰存在,离子浓度几乎为0;曲线在tb时刻陡升,说明此时火焰前锋面扫过测量点,剧烈燃烧后产生较大的离子浓度梯度;在tc时刻曲线达到峰值,随后缓慢下降,这是由于随着爆震波的旋转传播,火焰前锋面离开离子探针,燃烧产物在膨胀波的作用下排出燃烧室,且伴随着新鲜反应物的不断喷入,测量点处离子浓度逐渐下降,不过,曲线下降的过程相对上升过程更加缓慢。

图4(c)是放大后的压力信号,可以看出,开始时压力值为0,说明此时测量点处没有压力波;当爆震波传播至测量点时,在前导激波的作用下,压力信号陡升,形成压力尖峰;随后,在膨胀波作用下,测量点处压力降低,曲线逐渐下降。

图4(d)是离子信号UI1和UI3的局部放大图。观察曲线可以看出:UI3从最低点上升至峰值的过程比UI1更为缓慢,并且从峰值下降至最低点的过程也是如此。图中标注的Δt1是UI1基本为0的时间长度,Δt3是UI3最小值持续的时间,该最小值不为0,且Δt1>Δt3。出现这些现象可能是因为I1点更靠近燃烧室入口,该点爆震波强度高于I3,导致此处化学反应更剧烈,离子浓度上升更快;同时,新鲜反应物填充对靠近入口的I1点的影响大于对I3点的影响,而其喷注效果直接影响到曲线最小值的持续时间和曲线下降过程的快慢,因此导致了Δt1>Δt3,及UI1的最小值基本归0;而I3点会残存更多燃烧产物,燃烧产物中包含少量离子和自由电子,导致UI3曲线下降较缓慢,且最小值不归0。

图5(a)是若干个连续周期的火焰信号和压力信号。从图中可以看出:UI1和UI3的峰值都在不断变化,且p2的峰值也在一定范围内波动。这是由于非预混喷注模型下,燃料和氧化剂边混合边燃烧,每个周期的混合效果存在一定差异,导致爆震波后状态有些许不同。图中tI1,tI3,tp2分别为UI1的初始上升点、UI3的初始上升点、p2的峰值点对应的时间,可以看出,UI1,UI3,p2曲线按时间先后上升。采用同样方法观察,其余的离子信号初始上升点和压力峰值点对应的时间都满足上述规律,说明爆震波先传播至I1点,随后到达I3点,最后到P2点。因此,结合图2中测量点相对位置可以判断,沿发动机出口观察,爆震波沿逆时针方向旋转传播。

图5(b)是UI3,UI1,p2对应的瞬时频率fI3,fI1,fp2和瞬时传播速度vI3,vI1,vp2曲线,横坐标是图5(a)中各路信号相邻两波峰的时间平均值,瞬时频率f通过对各路信号的相邻峰值时间间隔求倒数得到,瞬时传播速度利用公式v=πf(do+di)/2计算。从图中可以看出,3路信号的瞬时频率和瞬时传播速度都在一定范围内波动,其波动范围如表1所示。

以UI3为例,计算爆震波稳定传播过程中的瞬时频率。取1.75～2.0 s内的测量结果,进行如下处理:

标准差S和相对标准差μ的计算公式分别为

可以求出UI3的瞬时频率的标准差为404 Hz,相对标准差为5.9%。对UI1和p2进行相同处理,对应的相对标准差分别为3.3%和1.7%。可以看出,压力信号的相对标准差值小于离子信号,说明压力波比火焰更加稳定。

UI3,UI1及p2的快速傅里叶变换(FFT)结果如图6所示,横坐标fd是爆震波主频,纵坐标M是信号强度。其变化后的主频均为6 925 Hz,火焰和压力波的平均传播速度均为1 632 m/s,证明火焰与压力波在发动机工作过程中相互耦合。

2)工况2。

空气质量流量为102.125 g/s,氢气质量流量为4.750 g/s,总质量流量为106.875 g/s,当量比为1.597,环境温度为299 K,出口背压为大气压。

图7(a)是发动机全程工作中的火焰信号和压力信号曲线(注:为方便对比,将UI3增加了1.5 V)。UI3的峰值基本在1.5 V左右,UI1的峰值基本在1 V左右,UI3明显大于UI1,与工况1结果相反,这可能是由于工况2下燃烧室入口质量流量增加,爆震波高度也相应增加,I3点在爆震波高度以内,并且I3点离燃烧室入口较远,该点的混合效果可能更好,因此燃烧更充分,离子浓度也更高。

UI3,UI1,p2的瞬时频率f和瞬时传播速度v如图8(b)所示,f和v在一定范围内波动,波动范围如表2所示。

表2 工况2爆震波的瞬时频率和瞬时传播速度

FFT结果表明三路信号的主频均为7 047 Hz,平均传播速度为1 660 m/s,相比于工况1都有所增加。UI1,UI3和p2对应的相对标准差分别为3.1%,4.1%,2.4%,同样,压力波比火焰更加稳定。

2.2 起爆和熄爆过程

图9(a)是工况1下RDE的起爆过程。t0时刻出现的波峰代表高能火花塞点火脉冲信号。UI1在t1时刻有微弱上升,而UI3基本为0,随后,p2在t2时刻稍稍增大。根据爆震波形成机理可知,点火后首先形成缓燃波,在燃烧室封闭端的限制下,缓燃波后压力和温度不断升高,火焰加速,在波前形成弱压缩波,弱压缩波不断叠加,经过一段时间和距离的发展形成激波间断[15]。如图中t2～t4之间的3个压力波信号峰值呈现逐渐增加的趋势,说明弱压缩波在不断增强,最终形成激波。随后,激波诱导气流二次运动,层流火焰转变成湍流火焰,使燃烧加速,离子浓度上升,如图中的UI3在t3时刻缓缓上升,且此时的UI1也明显增大。但由于压力波强度仍然较弱,不能稳定传播,随后解耦成缓燃波,如图中t4时刻后,压力峰值迅速减小。再经过一段时间发展,最终在t5时刻形成稳定自持的旋转爆震波。从t6时刻开始压力峰值基本稳定,火焰信号无规律变化,但呈现较明显的周期性。t0～t5之间的时间间隔t1j是从点火到形成稳定目标的旋转爆震波的时间,为1.473 ms。

图9(b)是工况1下RDE的熄爆过程。切断H2的供给后,离子信号和压力信号都会不断减弱。在2.090～2.095 s之间,仍能观察到压力曲线的明显波动,但此时离子信号基本为0,说明火焰熄灭后燃烧室内仍存在压力波。到2.095 s左右,残余的反应物已基本消耗完毕,发动机很快熄火。

图10(b)是工况2下RDE的熄爆过程,可以得到类似工况1的结果。

3 结论

在以H2/air组合为推进剂的RDE模型上进行试验,成功采集到燃烧室内的高频火焰信号和压力信号,通过分析2种工况下的结果,得出以下结论:

①2种质量流量下的火焰和压力波均是耦合传播,平均传播速度可达1 660 m/s,达到CJ速度的79.3%。火焰与压力波的瞬时频率的相对标准差最大仅为5.9%,并且压力波的传播稳定性要高于火焰的传播稳定性。

②对于低质量流量(75.37 g/s),靠近燃烧室入口的离子探针信号UI1的峰值大于离燃烧室入口较远的离子探针信号UI3的值,且UI3最小值不归0;对于高质量流量(102.125 g/s),UI3峰值大于UI1,且二者最小值均可为0。2种工况下新鲜反应物的填充对UI3的作用时间均短于UI1,因此,UI3为0的时间更短。

③低质量流量下,从点火到形成稳定自持的旋转爆震波所用时间更短;切断H2供给后,火焰和压力信号峰值逐渐下降,火焰相对压力波更早熄灭。

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ExperimentalStudyonOperatingCharacteristicsofRotatingDetonationEngine

XU Can1,MA Hu1,YAN Yu2,DENG Li1,YU Ling1

(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 2.Laboratory of Science and Technology on Liquid Rocket Engine,Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China)

2017-03-23

国家自然科学基金项目(51606100);江苏省自然科学基金项目(BK20150782);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(30915118836)

徐灿(1993-),女,硕士研究生,研究方向为旋转爆震发动机。E-mail:1574399083@qq.com。

马虎(1986-),男,讲师,研究方向为旋转爆震发动机。E-mail:mahuokok@163.com。

V235.22

A

1004-499X(2017)03-0074-08