基于TDLAS技術(shù)結(jié)合多普勒測(cè)速的脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)沖量測(cè)試

呂曉靜 李寧 徐恩華 高軼群

摘 要：基于吸收光譜技術(shù)結(jié)合多普勒測(cè)速方法搭建測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)管口處燃?xì)鉁囟群退俣冗M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)動(dòng)量原理計(jì)算沖量，實(shí)現(xiàn)了脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)沖量的間接測(cè)量；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖量特性進(jìn)行了研究，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)工作循環(huán)過程中燃?xì)馀欧艆?shù)如燃?xì)饷芏?、沖量及排氣質(zhì)量等參數(shù)的變化情況，為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制優(yōu)化提供寶貴的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：吸收光譜；沖量；脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)；燃?xì)?/p>

1 緒論

脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）工作中燃?xì)鉁囟人俣茸兓瘎×?，通過常規(guī)接觸式的電子傳感器無法測(cè)量獲得沖量的動(dòng)態(tài)變化情況，無法揭示非穩(wěn)態(tài)燃?xì)馍淞鲗?duì)PDE推力的貢獻(xiàn)，而燃?xì)馍淞魈匦缘墨@取可為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的設(shè)計(jì)提供可靠佐證[1，2]。

激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）作為一種非接觸式氣體測(cè)量手段，能夠通過測(cè)量氣體對(duì)激光的吸收度來獲取PDE工作過程中管口處燃?xì)鉁囟燃八俣?。直噴管或無噴管PDE產(chǎn)生的沖量可以分為兩部分，分別是燃?xì)馍淞鳑_量和出口處反向作用力引起的沖量。[3]由此，燃?xì)鉀_量可通過測(cè)量PDE管口燃?xì)鉁囟群腿細(xì)馍淞魉俣扔?jì)算間接得到。燃?xì)鉁囟瓤芍苯佑呻p譜線測(cè)試法獲得，燃?xì)馍淞魉俣瓤捎啥嗥绽展庾V測(cè)試原理獲取。[5]

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本文基于TDLAS技術(shù)，同時(shí)結(jié)合多普勒測(cè)速原理分別搭建測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得燃?xì)鉁囟扰c速度，并根據(jù)動(dòng)量原理計(jì)算燃?xì)馍淞鳑_量和出口反向作用力沖量獲取了PDE沖量變化情況。

2 PDE燃?xì)鉁囟燃八俣葴y(cè)試

圖1給出了PDE管口燃?xì)鉁囟葴y(cè)試系統(tǒng)與速度測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試光路L1以及交叉光路L2、L3交叉處與管口垂直距離均為1cm，L2、L3交叉光路夾角為45°。

在PDE燃?xì)鉁囟扰c速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，工況保持一致。激光器溫度控制為291.7K，信號(hào)發(fā)生器設(shè)為50kHz鋸齒波，數(shù)采系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為20M。

3 PDE燃?xì)鉀_量計(jì)算與分析

根據(jù)由圖 1所示系統(tǒng)測(cè)量得到的燃?xì)鉁囟扰c速度技術(shù)結(jié)果，采用氣體狀態(tài)方程式計(jì)算爆轟管出口處的燃?xì)饷芏?，結(jié)果如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，爆轟波的產(chǎn)生使燃?xì)饷芏冗_(dá)到最大值，隨后迅速降低；在高溫高速燃?xì)鈬娚潆A段，管內(nèi)燃?xì)馀蛎浻兴鶞p低，密度開始逐漸增大；爆轟波到達(dá)20ms后，燃?xì)饷芏扔邢陆档内厔?shì)，主要是受緩燃效應(yīng)的影響，之后隨著新鮮燃料氧化劑的填充，燃?xì)饷芏仍俅尉徛郎撂畛錃怏w密度。

PDE單個(gè)工作循環(huán)中燃?xì)鉀_量情況，結(jié)果由圖3給出。Iu和Ip分別表示燃?xì)馍淞鳑_量和爆轟管出口處反向作用力引起的沖量，It為總沖量。在整個(gè)工作循環(huán)中，反向作用力引起的沖量為0.36 N·s，而燃?xì)馍淞鳑_量為1.52 N·s，PDE燃?xì)猱a(chǎn)生所產(chǎn)生的的總沖量It為1.88N·s。爆轟波后，燃?xì)馐芘蛎涀饔糜绊懰俣群芨撸細(xì)饷芏纫脖容^大，由此，燃?xì)馍淞鳑_量在很短時(shí)間內(nèi)得到迅速提高，達(dá)到了1ms時(shí)刻的0.7 N·s，2ms時(shí)刻的0.75 N·s。在之后的8ms時(shí)間段內(nèi)，燃?xì)馍淞鲀H產(chǎn)生了0.35 N·s，在10～20ms時(shí)間段內(nèi)，燃?xì)馍淞鳟a(chǎn)生的沖量更低，僅為0.2 N·s。

PDE沖量產(chǎn)生劃分了三個(gè)階段，分別為第一階段：爆轟附著膨脹階段、第二階段：壅塞膨脹階段和第三階段：膨脹減弱階段。0～1ms時(shí)間段內(nèi)為第一階段爆轟附著膨脹，在該時(shí)間段內(nèi)PDE產(chǎn)生的沖量占總沖量的53.1%，燃?xì)馍淞鳑_量占69.8%；第二階段出現(xiàn)在1～12ms時(shí)間段內(nèi)，該階段產(chǎn)生的沖量占總沖量的27.9%；而在第三階段12～20ms，燃?xì)馀蛎涬A段僅產(chǎn)生了6.7%的沖量。根據(jù)圖4我們可以知道在20ms后PDE管內(nèi)發(fā)生了緩燃效應(yīng)，之后一段時(shí)間內(nèi)燃?xì)鉀_量曲線繼續(xù)上升，表明緩燃階段亦有沖量產(chǎn)生。該階段產(chǎn)生的沖量為0.25 N·s，對(duì)PDE總沖量的貢獻(xiàn)為12.3%。緩該階段產(chǎn)生的沖量遠(yuǎn)低于第一、二階段，但高于第三階段。

對(duì)PDE燃?xì)馀欧刨|(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。三個(gè)階段產(chǎn)生的燃?xì)馀欧刨|(zhì)量分別為爆轟附著膨脹階段的3.08g、壅塞膨脹階段的5.34g和膨脹減弱階段的2.90g，而緩燃效應(yīng)產(chǎn)生的燃?xì)馀欧刨|(zhì)量達(dá)到6.8g，為各階段最高。但緩燃效應(yīng)產(chǎn)生的沖量最低，表明該段效率遠(yuǎn)低于第一、二階段。除此之外，緩燃效應(yīng)的發(fā)生還將延長填充進(jìn)程時(shí)間，導(dǎo)致燃料的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

基于TDLAS技術(shù)，同時(shí)結(jié)合多普勒測(cè)速原理分別搭建測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得燃?xì)鉁囟扰c速度，并根據(jù)動(dòng)量原理計(jì)算獲取了PDE沖量變化情況。分析了PDE沖量產(chǎn)生的各個(gè)階段的貢獻(xiàn)，其中，爆轟附著膨脹階段貢獻(xiàn)的沖量占53.1%，燃?xì)馀欧刨|(zhì)量僅為3.08g，效率最高；緩燃效應(yīng)產(chǎn)生的燃?xì)馀欧刨|(zhì)量為6.8g，貢獻(xiàn)沖量僅為12.3%，效率遠(yuǎn)低于其他階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]李旭東，王春，姜宗林.噴管對(duì)脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43（1）：1.10.

[2]王研艷，翁春生.兩相脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的實(shí)驗(yàn)研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2014，35（2）：282.288.

[3]胡洪波.脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中汽油基凝膠燃料爆轟特性研究[D].南京理工大學(xué)，2014.

[4]呂曉靜，李寧，翁春生.基于雙光路吸收光譜技術(shù)的氣液兩相爆轟燃?xì)庠\斷技術(shù)研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，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(xiàng)目：廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金（pdjhb0693）

作者簡介：呂曉靜（1987.），女，博士，講師，主要研究方向：激光測(cè)試方法在燃燒場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)。