基于TDLAS技术结合多普勒测速的脉冲爆轰发动机冲量测试

吕晓静 李宁 徐恩华 高轶群

摘 要：基于吸收光谱技术结合多普勒测速方法搭建测试系统分别对脉冲爆轰发动机管口处燃气温度和速度进行了实验监测，并根据动量原理计算冲量，实现了脉冲爆轰发动机冲量的间接测量；对发动机冲量特性进行了研究，获得了发动机单个工作循环过程中燃气排放参数如燃气密度、冲量及排气质量等参数的变化情况，为脉冲爆轰发动机的设计和运行控制优化提供宝贵的参考数据。

关键词：吸收光谱；冲量；脉冲爆轰发动机；燃气

1 绪论

脉冲爆轰发动机（PDE）工作中燃气温度速度变化剧烈，通过常规接触式的电子传感器无法测量获得冲量的动态变化情况，无法揭示非稳态燃气射流对PDE推力的贡献，而燃气射流特性的获取可为发动机喷管的设计提供可靠佐证[1，2]。

激光吸收光谱技术（TDLAS）作为一种非接触式气体测量手段，能够通过测量气体对激光的吸收度来获取PDE工作过程中管口处燃气温度及速度。直喷管或无喷管PDE产生的冲量可以分为两部分，分别是燃气射流冲量和出口处反向作用力引起的冲量。[3]由此，燃气冲量可通过测量PDE管口燃气温度和燃气射流速度计算间接得到。燃气温度可直接由双谱线测试法获得，燃气射流速度可由多普勒光谱测试原理获取。[5]

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本文基于TDLAS技术，同时结合多普勒测速原理分别搭建测试系统测得燃气温度与速度，并根据动量原理计算燃气射流冲量和出口反向作用力冲量获取了PDE冲量变化情况。

2 PDE燃气温度及速度测试

图1给出了PDE管口燃气温度测试系统与速度测试系统。测试光路L1以及交叉光路L2、L3交叉处与管口垂直距离均为1cm，L2、L3交叉光路夹角为45°。

在PDE燃气温度与速度测试实验中，工况保持一致。激光器温度控制为291.7K，信号发生器设为50kHz锯齿波，数采系统的采样频率设置为20M。

3 PDE燃气冲量计算与分析

根据由图 1所示系统测量得到的燃气温度与速度技术结果，采用气体状态方程式计算爆轰管出口处的燃气密度，结果如图2所示。

实验开始时，爆轰波的产生使燃气密度达到最大值，随后迅速降低；在高温高速燃气喷射阶段，管内燃气膨胀有所减低，密度开始逐渐增大；爆轰波到达20ms后，燃气密度有下降的趋势，主要是受缓燃效应的影响，之后随着新鲜燃料氧化剂的填充，燃气密度再次缓慢爬升至填充气体密度。

PDE单个工作循环中燃气冲量情况，结果由图3给出。Iu和Ip分别表示燃气射流冲量和爆轰管出口处反向作用力引起的冲量，It为总冲量。在整个工作循环中，反向作用力引起的冲量为0.36 N·s，而燃气射流冲量为1.52 N·s，PDE燃气产生所产生的的总冲量It为1.88N·s。爆轰波后，燃气受膨胀作用影响速度很高，燃气密度也比较大，由此，燃气射流冲量在很短时间内得到迅速提高，达到了1ms时刻的0.7 N·s，2ms时刻的0.75 N·s。在之后的8ms时间段内，燃气射流仅产生了0.35 N·s，在10～20ms时间段内，燃气射流产生的冲量更低，仅为0.2 N·s。

PDE冲量产生划分了三个阶段，分别为第一阶段：爆轰附着膨胀阶段、第二阶段：壅塞膨胀阶段和第三阶段：膨胀减弱阶段。0～1ms时间段内为第一阶段爆轰附着膨胀，在该时间段内PDE产生的冲量占总冲量的53.1%，燃气射流冲量占69.8%；第二阶段出现在1～12ms时间段内，该阶段产生的冲量占总冲量的27.9%；而在第三阶段12～20ms，燃气膨胀阶段仅产生了6.7%的冲量。根据图4我们可以知道在20ms后PDE管内发生了缓燃效应，之后一段时间内燃气冲量曲线继续上升，表明缓燃阶段亦有冲量产生。该阶段产生的冲量为0.25 N·s，对PDE总冲量的贡献为12.3%。缓该阶段产生的冲量远低于第一、二阶段，但高于第三阶段。

对PDE燃气排放质量进行计算，结果如图4所示。三个阶段产生的燃气排放质量分别为爆轰附着膨胀阶段的3.08g、壅塞膨胀阶段的5.34g和膨胀减弱阶段的2.90g，而缓燃效应产生的燃气排放质量达到6.8g，为各阶段最高。但缓燃效应产生的冲量最低，表明该段效率远低于第一、二阶段。除此之外，缓燃效应的发生还将延长填充进程时间，导致燃料的浪费。

4 结论

基于TDLAS技术，同时结合多普勒测速原理分别搭建测试系统测得燃气温度与速度，并根据动量原理计算获取了PDE冲量变化情况。分析了PDE冲量产生的各个阶段的贡献，其中，爆轰附着膨胀阶段贡献的冲量占53.1%，燃气排放质量仅为3.08g，效率最高；缓燃效应产生的燃气排放质量为6.8g，贡献冲量仅为12.3%，效率远低于其他阶段。

参考文献：

[1]李旭东，王春，姜宗林.喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响[J].力学学报，2011，43（1）：1.10.

[2]王研艳，翁春生.两相脉冲爆轰发动机尾喷管的实验研究[J].推进技术，2014，35（2）：282.288.

[3]胡洪波.脉冲爆轰发动机中汽油基凝胶燃料爆轰特性研究[D].南京理工大学，2014.

[4]吕晓静，李宁，翁春生.基于双光路吸收光谱技术的气液两相爆轰燃气诊断技术研究[J].光谱学与光谱分析，2014，34（3）：582.586.

[5]HU HONG.BO，WENG CHUN.SHENG，LV XIAO.JING，et al.Analysis on Impulse Characteristics of PDRE with Exhaust Measurements[J].International Journal of Turbo & Jet.Engines.2014，31（2）：97.103.

基金項目：广东省大学生科技创新培育专项资金（pdjhb0693）

作者简介：吕晓静（1987.），女，博士，讲师，主要研究方向：激光测试方法在燃烧场测试中的应用，航空发动机检测技术。