旋轉爆震發動機工作特性試驗研究

徐 燦,馬 虎,嚴 宇,鄧 利,余 陵

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094; 2.西安航天動力研究所 液體火箭發動機技術重點實驗室,陜西 西安 710100)

旋轉爆震發動機工作特性試驗研究

徐 燦1,馬 虎1,嚴 宇2,鄧 利1,余 陵1

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094; 2.西安航天動力研究所 液體火箭發動機技術重點實驗室,陜西 西安 710100)

為研究旋轉爆震發動機的工作特性,在以H2/air為推進劑的發動機模型上進行試驗,利用離子探針和高頻壓力傳感器分別采集火焰信號和壓力信號,改變空氣質量流量,分析并對比了高、低質量流量下發動機的點火、穩定傳播及熄火過程中火焰和壓力波的變化情況。結果表明:火焰與壓力波的主頻相同,是耦合傳播的,傳播速度可達1 660 m/s;對于低質量流量(75.37 g/s),靠近燃燒室入口的離子探針的離子信號峰值大于遠離燃燒室入口的離子信號峰值;對于高質量流量(102.125 g/s),遠離燃燒室入口的離子探針的離子信號峰值大于較近點的離子信號峰值;新鮮反應物填充對靠近燃燒室入口的點的作用時間長于較遠的點;壓力信號瞬時頻率的相對標準差小于火焰信號;小流量的點火時間短于大流量;切斷H2供給后火焰比壓力波更早熄滅。

旋轉爆震發動機;離子信號;傳播速度;起爆過程;熄爆過程

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

燃燒一般分為爆燃和爆震2種模式。傳統的爆燃燃燒近似等壓燃燒,化學反應平緩,火焰傳播速度通常為幾米每秒到幾十米每秒;爆震燃燒近似為等容燃燒,化學反應劇烈,火焰傳播速度達到幾千米每秒。爆震燃燒具有放熱快、熱循環效率高等優點,自20世紀以來得到國內外學者的廣泛關注[1-5]。旋轉爆震發動機(rotating detonation engine,RDE)是一種基于爆震燃燒機理的新型發動機,通常采用一端封閉一端開口的圓環形燃燒室,工作時燃燒室內產生高溫高壓且以高速旋轉傳播的爆震波,伴隨著燃燒產物的不斷排出,產生推力。根據ZND模型理論可知:爆震波由前導激波和燃燒波組成[6]。在與RDE相關的試驗研究中,通常采用高頻壓力傳感器測量前導激波,通過壓力信號研究爆震波特性。然而,燃燒室內的高溫高壓燃氣使壓力傳感器工作環境非常惡劣,不利于長程試驗的壓力測量。為延長傳感器的使用壽命,通常會在其表面鍍一層耐燒蝕材料或采用冷卻裝置,但這些措施往往會帶來信號延遲、精度下降及裝置的復雜化等問題。離子探針是監測發動機燃燒狀態的關鍵技術之一,其對環境壓力、溫度和氣流速度的變化不敏感,且具有靈敏度高、結構簡單、操作方便、價格低廉等優點[7-8]。

目前,國內外已經有部分學者采用高頻壓力傳感器和離子探針結合的手段研究爆震發動機。Andrew等在H2/air組合的吸氣式RDE上采用離子探針成功檢測到高頻火焰信號[9];Michael等利用壓力傳感器、離子探針、高速相機和光電二極管結合的方法,對以乙烯和丙烷為燃料的脈沖爆震發動機(pulse detonation engine,PDE)進行試驗研究,分析了不同工作頻率下爆燃到爆震的轉捩、壓力上升過程、火焰和混合物的離子化等問題[10];張彭崗等在預爆震管中進行單爆震試驗,利用高頻壓力傳感器和離子探針同時測量爆震管內壓力和火焰,分析了爆燃和爆震2種不同情況下波與火焰的相互作用過程[11];潘慕絢等在PDE上進行單次爆震和多次循環爆震試驗,發現離子探針具有良好的耐高溫、耐沖擊等優點,并且由離子信號計算得到的爆震波傳播速度與由壓力傳感器計算的結果一致[12]。吳筱敏等利用火花塞作為離子傳感器,測量汽車發動機中的離子信號,從測量結果判斷發動機的燃燒狀態,同時開展了一些相關研究[13]。

迄今為止,離子探針較少用于與RDE相關的研究中,且關于RDE工作時火焰傳播特性的研究較少。然而,為了更清楚地認識爆震波,對火焰的研究也是必要的。因此,本文將在RDE試驗臺上進行相關試驗,在發動機上同時安裝離子探針和高頻壓力傳感器,分別采集燃燒室內火焰信號和壓力信號,更全面地研究RDE的工作特性。

1 試驗系統及原理

1.1 試驗系統

本文試驗系統主要包括:推進劑供給系統、模型發動機、點火裝置、控制系統和采集系統,如圖1所示。

①推進劑供給系統。以H2為燃料,空氣為氧化劑,利用高壓氣瓶為發動機提供燃燒工質。供給管路由高壓氣源、減壓閥、限流喉道、球閥、電磁閥和單向閥組成。試驗中通過調節減壓閥達到改變反應物質量流量及當量比的目的。

②模型發動機。采用非預混噴注方式,H2由燃燒室內壁面周向均布的90個小孔噴注,空氣通過收縮—擴張環縫進入燃燒室,燃料和氧化劑在燃燒室內邊混合邊燃燒。發動機采用一端封閉一端開口的圓環形燃燒室,其外徑do=80 mm,內徑di=70 mm,軸向長40 mm。

③點火裝置。本試驗采用高能火花塞點火,將其沿發動機徑向垂直安裝,點火能量約3 J。

④控制系統。利用時序控制程序改變高能火花塞和電磁閥的狀態,從而實現點火時刻控制和供給管路的通斷控制。

⑤采集系統。燃燒室下游(離燃燒室入口8 mm的位置)同一軸向上的測量點I3和P2,周向間隔120°,分別安裝離子探針和高頻壓電式壓力傳感器;燃燒室上游(離燃燒室入口3 mm的位置)的測量點I1安裝離子探針,與P2間隔75°,測量點間的相對位置如圖2所示。試驗采用高頻壓力傳感器采集壓力信號,響應時間小于等于2 μs,固有頻率大于100 kHz;采用自主開發的離子探針測量火焰,與發動機殼體通過螺紋連接;此外,集氣腔內壓力通過擴散硅式壓力變送器測量。反應物當量比是通過渦街流量計采集的不點火時H2和空氣供氣管路的質量流量計算得到的。壓力信號及火焰信號均由NI公司X系列多功能信號采集卡采集,單通道采樣頻率達2×106s-1,具有16位ADC分辨率,能夠保證采集信號的真實穩定。

1.2 火焰測量原理

燃燒不僅是發光發熱的過程,也是化學電離和熱電離的過程,H2和空氣燃燒產生H+、OH-和自由電子等中間產物,這些離子和自由電子存在于火焰區和已燃區,在外加直流偏置電場的作用下,定向移動形成離子電流[14]。

為了達到利用離子探針測量RDE燃燒室內火焰信號的目的,必須采用可靠的火焰測量系統。首先,在結構較簡單的預爆震管中進行單爆震試驗,確定幾種方案,再將其用于RDE。與單爆震試驗不同的是,RDE中的火焰是高頻旋轉的,為采集到該信號,要求電路必須具有高頻響應能力。經反復調試,最終得到可靠測量系統,如圖3所示。發動機未點火時,燃燒室內冷流的離子濃度很低,離子探針兩極之間只有非常微弱的離子電流,可忽略不計,電路處于斷路狀態;發動機點火后,可燃氣發生劇烈化學反應,產生比冷流高幾個數量級的離子和自由電子,當火焰面掃過離子探針的兩極時,形成離子電流,電路導通,離子電流經電阻轉換成電壓信號,該電壓的值就是采集到的火焰信號。電壓大小反映離子電流的大小,離子電流的大小與離子濃度成正比。

2 試驗結果分析

下文用UI1,UI3分別表示I1,I3點的離子信號,p2表示P2點的壓力信號,pH2表示氫氣集氣腔壓力,pair表示空氣集氣腔壓力。離子信號UI1和UI3由2個相同的相互獨立的電路分開測量。

2.1 火焰與壓力波傳播過程

1)工況1。

空氣及氫氣的質量流量分別為75.371 g/s,3.727 g/s,總質量流量為79.098 g/s,當量比為1.698,環境溫度為295 K,出口背壓為大氣壓。

圖4(a)是發動機全程工作下的火焰和壓力的信號曲線(注:為方便對比,將UI3增加了0.7 V),橫坐標t為時間,UI和p2分別為離子信號和壓力信號。可以看出:UI1的值基本在0.4 V以下,UI3基本在0.3 V以下,前者明顯大于后者。這可能是由于該工況下質量流量較小,爆震波高度較小,上游點I1處的爆震波強度大于下游點I3,I1點的化學反應更劇烈,導致該點離子濃度高于下游。

圖4(b)是放大后的離子信號曲線。ta～tb階段,離子信號幾乎為0,說明此時測量點處沒有火焰存在,離子濃度幾乎為0;曲線在tb時刻陡升,說明此時火焰前鋒面掃過測量點,劇烈燃燒后產生較大的離子濃度梯度;在tc時刻曲線達到峰值,隨后緩慢下降,這是由于隨著爆震波的旋轉傳播,火焰前鋒面離開離子探針,燃燒產物在膨脹波的作用下排出燃燒室,且伴隨著新鮮反應物的不斷噴入,測量點處離子濃度逐漸下降,不過,曲線下降的過程相對上升過程更加緩慢。

圖4(c)是放大后的壓力信號,可以看出,開始時壓力值為0,說明此時測量點處沒有壓力波;當爆震波傳播至測量點時,在前導激波的作用下,壓力信號陡升,形成壓力尖峰;隨后,在膨脹波作用下,測量點處壓力降低,曲線逐漸下降。

圖4(d)是離子信號UI1和UI3的局部放大圖。觀察曲線可以看出:UI3從最低點上升至峰值的過程比UI1更為緩慢,并且從峰值下降至最低點的過程也是如此。圖中標注的Δt1是UI1基本為0的時間長度,Δt3是UI3最小值持續的時間,該最小值不為0,且Δt1>Δt3。出現這些現象可能是因為I1點更靠近燃燒室入口,該點爆震波強度高于I3,導致此處化學反應更劇烈,離子濃度上升更快;同時,新鮮反應物填充對靠近入口的I1點的影響大于對I3點的影響,而其噴注效果直接影響到曲線最小值的持續時間和曲線下降過程的快慢,因此導致了Δt1>Δt3,及UI1的最小值基本歸0;而I3點會殘存更多燃燒產物,燃燒產物中包含少量離子和自由電子,導致UI3曲線下降較緩慢,且最小值不歸0。

圖5(a)是若干個連續周期的火焰信號和壓力信號。從圖中可以看出:UI1和UI3的峰值都在不斷變化,且p2的峰值也在一定范圍內波動。這是由于非預混噴注模型下,燃料和氧化劑邊混合邊燃燒,每個周期的混合效果存在一定差異,導致爆震波后狀態有些許不同。圖中tI1,tI3,tp2分別為UI1的初始上升點、UI3的初始上升點、p2的峰值點對應的時間,可以看出,UI1,UI3,p2曲線按時間先后上升。采用同樣方法觀察,其余的離子信號初始上升點和壓力峰值點對應的時間都滿足上述規律,說明爆震波先傳播至I1點,隨后到達I3點,最后到P2點。因此,結合圖2中測量點相對位置可以判斷,沿發動機出口觀察,爆震波沿逆時針方向旋轉傳播。

圖5(b)是UI3,UI1,p2對應的瞬時頻率fI3,fI1,fp2和瞬時傳播速度vI3,vI1,vp2曲線,橫坐標是圖5(a)中各路信號相鄰兩波峰的時間平均值,瞬時頻率f通過對各路信號的相鄰峰值時間間隔求倒數得到,瞬時傳播速度利用公式v=πf(do+di)/2計算。從圖中可以看出,3路信號的瞬時頻率和瞬時傳播速度都在一定范圍內波動,其波動范圍如表1所示。

以UI3為例,計算爆震波穩定傳播過程中的瞬時頻率。取1.75～2.0 s內的測量結果,進行如下處理:

標準差S和相對標準差μ的計算公式分別為

可以求出UI3的瞬時頻率的標準差為404 Hz,相對標準差為5.9%。對UI1和p2進行相同處理,對應的相對標準差分別為3.3%和1.7%。可以看出,壓力信號的相對標準差值小于離子信號,說明壓力波比火焰更加穩定。

UI3,UI1及p2的快速傅里葉變換(FFT)結果如圖6所示,橫坐標fd是爆震波主頻,縱坐標M是信號強度。其變化后的主頻均為6 925 Hz,火焰和壓力波的平均傳播速度均為1 632 m/s,證明火焰與壓力波在發動機工作過程中相互耦合。

2)工況2。

空氣質量流量為102.125 g/s,氫氣質量流量為4.750 g/s,總質量流量為106.875 g/s,當量比為1.597,環境溫度為299 K,出口背壓為大氣壓。

圖7(a)是發動機全程工作中的火焰信號和壓力信號曲線(注:為方便對比,將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明顯大于UI1,與工況1結果相反,這可能是由于工況2下燃燒室入口質量流量增加,爆震波高度也相應增加,I3點在爆震波高度以內,并且I3點離燃燒室入口較遠,該點的混合效果可能更好,因此燃燒更充分,離子濃度也更高。

UI3,UI1,p2的瞬時頻率f和瞬時傳播速度v如圖8(b)所示,f和v在一定范圍內波動,波動范圍如表2所示。

表2 工況2爆震波的瞬時頻率和瞬時傳播速度

FFT結果表明三路信號的主頻均為7 047 Hz,平均傳播速度為1 660 m/s,相比于工況1都有所增加。UI1,UI3和p2對應的相對標準差分別為3.1%,4.1%,2.4%,同樣,壓力波比火焰更加穩定。

2.2 起爆和熄爆過程

圖9(a)是工況1下RDE的起爆過程。t0時刻出現的波峰代表高能火花塞點火脈沖信號。UI1在t1時刻有微弱上升,而UI3基本為0,隨后,p2在t2時刻稍稍增大。根據爆震波形成機理可知,點火后首先形成緩燃波,在燃燒室封閉端的限制下,緩燃波后壓力和溫度不斷升高,火焰加速,在波前形成弱壓縮波,弱壓縮波不斷疊加,經過一段時間和距離的發展形成激波間斷[15]。如圖中t2～t4之間的3個壓力波信號峰值呈現逐漸增加的趨勢,說明弱壓縮波在不斷增強,最終形成激波。隨后,激波誘導氣流二次運動,層流火焰轉變成湍流火焰,使燃燒加速,離子濃度上升,如圖中的UI3在t3時刻緩緩上升,且此時的UI1也明顯增大。但由于壓力波強度仍然較弱,不能穩定傳播,隨后解耦成緩燃波,如圖中t4時刻后,壓力峰值迅速減小。再經過一段時間發展,最終在t5時刻形成穩定自持的旋轉爆震波。從t6時刻開始壓力峰值基本穩定,火焰信號無規律變化,但呈現較明顯的周期性。t0～t5之間的時間間隔t1j是從點火到形成穩定目標的旋轉爆震波的時間,為1.473 ms。

圖9(b)是工況1下RDE的熄爆過程。切斷H2的供給后,離子信號和壓力信號都會不斷減弱。在2.090～2.095 s之間,仍能觀察到壓力曲線的明顯波動,但此時離子信號基本為0,說明火焰熄滅后燃燒室內仍存在壓力波。到2.095 s左右,殘余的反應物已基本消耗完畢,發動機很快熄火。

圖10(b)是工況2下RDE的熄爆過程,可以得到類似工況1的結果。

3 結論

在以H2/air組合為推進劑的RDE模型上進行試驗,成功采集到燃燒室內的高頻火焰信號和壓力信號,通過分析2種工況下的結果,得出以下結論:

①2種質量流量下的火焰和壓力波均是耦合傳播,平均傳播速度可達1 660 m/s,達到CJ速度的79.3%。火焰與壓力波的瞬時頻率的相對標準差最大僅為5.9%,并且壓力波的傳播穩定性要高于火焰的傳播穩定性。

②對于低質量流量(75.37 g/s),靠近燃燒室入口的離子探針信號UI1的峰值大于離燃燒室入口較遠的離子探針信號UI3的值,且UI3最小值不歸0;對于高質量流量(102.125 g/s),UI3峰值大于UI1,且二者最小值均可為0。2種工況下新鮮反應物的填充對UI3的作用時間均短于UI1,因此,UI3為0的時間更短。

③低質量流量下,從點火到形成穩定自持的旋轉爆震波所用時間更短;切斷H2供給后,火焰和壓力信號峰值逐漸下降,火焰相對壓力波更早熄滅。

[1] BYKOVSKII F A,ZHDAN S A,VEDERNIKOV E F.Continuous spin detonation of fuel-air mixtures[J].Combustion Explosion & Shock Waves,2006,42(4):463-471.

[2] NAOUR B L,FALEMPIN F,MIQUEL F.Recent experiment results obtained on continuous detonation wave engine[C]//The 17th AIAA International Space Planes and Technologies Conference.San Francisco,CA:AIAA,2011:1-7.

[3] LEVI M T,FREDERICK R S.Buildup and operation of a rotating detonation engine[C]//The 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition.Orlando,FL:AIAA,2011:1-10.

[4] 馬虎,封鋒,武曉松.壓力條件對旋轉爆震發動機的影響[J].彈道學報,2012,24(4):94-98. MA Hu,FENG Feng,WU Xiao-song.Effect of pressure condition on rotating detonation engine[J].Journal of Ballistics,2012,24(4):94-98.(in Chinese)

[5] 武丹,王健平.粘性及熱傳導對于爆轟波的影響[J].應用力學學報,2012,29(6):630-635. WU Dan,WANG Jian-ping.Influence of viscosity and thermal conducticity on continuously rotating detonation waves[J].Chinese Journal of Applied Mechanicals,2012,29(6):630-635.(in Chinese)

[6] JOHN H S L.爆震現象[M].北京:國防工業出版社,2013:62-68. JOHN H S L.The detonation phenomenon[M].Beijing:National Defenes Industry Press,2013:62-68.(in Chinese)

[7] 潘慕絢,黃金泉,郭偉,等.一種新型離子探針在爆震波傳播速度測量中的應用[J].傳感器與微系統,2009,28(11):114-116. PAN Mu-xuan,HUANG Jin-quan,GUO Wei,et al.Application of new type ion probe in detonation wave speed measurement[J].Transducer and Microsystem Technologies,2009,28(11):114-116.(in Chinese)

[8] Air Force Institute of Technology.Ion based high-temperature pressure sensor:AIAA 2004-0470[R].Washmgton:AIAA,2004.

[9] ANDREW S T G,ROBERT D,VIJAY A,et al.Development of a rotating detonation engine facility at the university of cincinnati[C]//The 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting.Kissimmee,FL:AIAA,2015:1-12.

[10] MACHAEL K,YU M,STEPHEN H.Flame sensing in pulsed combustion using ion probes,diodes and visual indications[C]//The 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit.Denver,CO:AIAA,2009:1-12.

[11] 張鵬崗,何小民,李建中,等.爆震管內波與火焰相互作用機理的試驗[J].航空動力學報,2007,22(10):1 617-1 621. ZHANG Peng-gang,HE Xiao-min,LI Jian-zhong,et al.Experimetal study on mechanism of shock-flame mteractions in detonation tubes[J].Journal of Aerospace Power,2007,22(10):1 617-1 621.(in Chinese)

[12] 潘慕絢,黃金泉,郭偉,等.脈沖爆震發動機高溫壓力測量方法[J].推進技術,2009,30(3):355-359. PAN Mu-xuan,HUANG Jin-quan,GUO Wei,et al.Pressure measurement method under high temperature for pulse detonation engine[J].Journal of Propulsion Technology,2009,30(3):355-359.(in Chinese)

[13] 吳筱敏,李福明,蔣德明,等.離子電流法爆震強度信號的評價分析[J].內燃機學報,2001,19(3):222-224. WU Xiao-min,LI Fu-ming,JIANG De-ming,et al.The analysis of knock intensity ionizatson[J].Transactions of CSICE,2001,19(3):222-224.(in Chinese)

[14] 吳筱敏,王子廷.火花塞電極離子電流的初步探討及其應用研究[J].內燃機學報,1999,17(2):166-168. WU Xiao-min,WANG Zi-ting.Investigation on ionic current of spark plug method and its application[J].Transactions of CSICE,1999,17(2):166-168.(in Chinese)

[15] 嚴傳俊,范瑋.燃燒學[M].西安:西北工業大學出版社,2005. YAN Chuan-jun,FAN Wei.Combustion science[M].Xi’an:Northwestern Polytechnical University Press,2005.(in Chinese)

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

國家自然科學基金項目(51606100);江蘇省自然科學基金項目(BK20150782);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(30915118836)

徐燦(1993-),女,碩士研究生,研究方向為旋轉爆震發動機。E-mail:1574399083@qq.com。

馬虎(1986-),男,講師,研究方向為旋轉爆震發動機。E-mail:mahuokok@163.com。

V235.22

A

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