1脉冲爆震发动机工作过程控制和协调试验
2004年12月第25卷第6期
推进技术
JOURNALOFPROPULSl0N7IECHNOLOGY
Dec.2004V01.25
No.6
脉冲爆震发动机工作过程控制和协调试验+
范育新,王家骅,李建中,张靖周
(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)
摘要:利用开环控制系统,在直径180mm,长度2000mm,采用气动阀模拟飞行进气、燃用汽油的脉冲爆震发动机(PDE)样机上,对PDE的工作过程控制和协调进行了试验研究,得到了在不同的PDE工作过程时间分配下的试验结果,由此详细分析了在开环控制的情况下,PDE协调工作的条件及不能正常工作的原因,为PDE的设计和控制系统的研制提供重要的参考价值。
关键词:脉动式喷气发动机;开环控制;气动阀;协调技术中图分类号:V235.22
文献标识码:A
文章编号:1001—4055(2004)06—0538.05
Experimentalinvestigation
pulsedetonation
on
workingprocessof
engine(PDE)
FANYu—xin,WANGJia—hua,LIJian—zhong,ZHANGJing—zhou
(Coil.ofEnergyandPower,NanjingUniv.ofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)
Abstract:
Byusing
opefled—loopcontrolerformulti—cyclepulsedetonationengine(PDE)with
as
a
detonationtube180mmininnerdi—
wereper—
ameterand2000raminformed.Availableworkingof
Key
length,andbyfillingliquidgasolineandairintothetube
a
detonablemixturebyaero—valve,experiments
were
testingresultsofthevarioIlstimescheduleof
PDE
operationcycleobtained.Theoreticallythereasorlsofineonsistant
process.
opened-loopeontroledPDEdetailedly.TheoreticalanalysisprovidesimportantusefulinsightforPDEworkingwords:Pulsejetengine;Openedloopcontrol;Pneumaticvalve;Coordinationtechnique
1
引言
工作规律和不协调工作出现的现象及其原因。
2
作为未来飞行器动力装置,需要解决一系列关键技术,比如:如何改善燃油雾化、掺混、蒸发使在短距离内形成可爆混气,缩短DDT距离以提高工作频率等¨,21。PDE工作过程控制和协调是PDE研制中关键技术之一。PDE工作过程是否协调不但影响PDE的性能,而且决定PDE是否能正常工作。
PDE工作过程协调研究,国外做了大量研究D删,主要研究PDE各工作过程时间分配规律,但对足尺寸、连续工作、装气动阀的PDE样机的进气和供油协调规律及亚声燃烧转变超声燃烧的时间和距离(DDT时间和DDT距离)的研究未见报道,此外也没有研究PDE的不协调控制对PDE工作的影响。
本文在大管径PDE样机上试验研究了PDE协调
PDE工作过程及协调机理
PDE的特点为间歇工作,超声燃烧,PDE的工作
过程如图1和图2所示:
(1)当爆震波传播至喷口,燃气开始膨胀。开始燃气压力为爆震波波后压力P,,经过L/v。。+L/c时问后,压力开始下降,L为PDE长度,秽。。为爆震波传播速度,c为燃气声速,直至燃烧室的压力小于进气压力,重新进气。进气前PDE内充满上个循环的燃烧产物。如图1(a)和图2中过程1~2所示。
(2)为了防止混气和上循环残留在燃烧室内的高温燃气接触而引起自燃,混气和燃气之间有纯空气隔离段(隔离段充填时间为r。)。如图1(b)和图2过程2。3所示。
*收稿日期:2003.10—11;修订日期:2004—03.02。
作者简介:范育新(1967一),女,博士生,高级工程师,研究领域为燃烧学。E—mail:fanyuxin@tom.com
万方数据
第25卷第6期脉冲爆震发动机工作过程控制和协调试验
539
乜颦匮血
Isolationsect
(c)Filling
stop,
(d)Detonation
(a)E印anding(b)Fim“g
eig。nmifibuons石a∞ndbeginpinmitpaiatgeatidangnd
Fig.1
SchemeofPDEcycle
Fig.2
Model
ofPDEoperation
(3)混气充满后,电嘴开始点火,如图1(C)和图2过程3~4所示。
(4)点火后,混气燃烧,燃烧室内的压力升高,当燃烧室内压力大于进气压力时,进气停止,同时进油也停止,经过r。肌时间(图2中过程4—6)产生爆震波,爆震波以超声速向下游混气传播,直至PDE喷口,如图1(d)和图2过程4—7,其中4为点火时间,5为停止进气时间,6为产生爆震波时间,7为爆震波传至喷口时间。
从图1和图2可知:(a)PDE的工作频率由点火频率控制。(b)PDE的间歇进气由PDE工作时燃烧室内压力控制。(c)为了使供油和进混气时间协调,停止进气时停止供油,开始进气时滞后开始进油(以保证存在隔离段)。
如果点火器通电后,立即燃烧并产生相当略高于进气压力的压力,使进气停止,相应在该时刻停止供油。
点火通电至停止进气的时间r。一,包括:点火延迟时间及起始火团形成至气动阀关闭(停止进气)延迟时间(该时间很短)。电磁阀通电至停同止供油存在延迟时间_f,。两者差为△r1:Atl=r,一r4—5。
Ar。为正,电磁阀要提前通电,△r,为负,点火器要提前通电。因此为保证停止进气和停止供油同步,
必须保证△f.。
一般电磁阀关闭延迟时间为7~8ms,点火延迟时间为2。3ms,因此△r,=5ms左右。
供油开始应对应于进混气时刻(比进气滞后r。),利用控制电磁阀关闭时间控制进油时刻。
电磁阀关闭时间Ar2=T。+rDDT+T。=T—T叫r为PDE工作周期;T锄为充填混气时间;T。为爆震波传播和膨胀时间。
万
方数据因此为了保证PDE工作协调,必须控制工作频率厂(r),电磁阀和点火器通电时间差△r。和电磁阀关闭时间△岛。
3
PDE开环控制系统及工作时间分配估算
3.1
PDE开环控制系统
为了研究PDE工作协调规律,自行研制PDE开
环控制系统。控制系统由控制器及电磁阀和点火系统组成。控制器如图3所示。
Tocon仃ol
Toenntrol
Fig.3
SchemeofPDEcontroler
控制器可以控制三个参数,各系数调整范围如下:r为10—200ms,Arl为0~±50res,△r2为5~50ms。
可以按PDE要求设置T,△r,和△r:。控制器可控制点火频率,电磁阀工作频率,电磁阀和点火器通电时间及电磁阀开关闭持续时间。
3.2
PDE工作过程时间分配估算
T=T删+rE+rDDT+rP
(1)T。=AL/v6ll
(2)
△£为隔离段空气长度,它和气动阀结构及出口流动情况有关,气动阀出口气流为直流时△L可以小,气动阀出口为强旋流时△£取较大值。对本文研究的气动阀PDE,按经验取△£=0.1m。
T6u=L/v锄
(3)
£为PDE燃烧室长度,秽删为进气速度,从冷态测
得。
对汽油和空气的混气,r。。,和爆震管直径、气动阀结构、气动阀下游流动状况、燃油雾化、蒸发掺混质量、强化燃烧装置性能有关,理论估算很难正确给出,目前按经验给出。
T,=(9—10)(L/vcJ)
(4)
移。。为汽油和空气的混气爆震波传播速度,参考JP一10的理论数据b1取t,cI=1783.5m/s
针对安装不同气动阀、不同燃烧室长度和不同进气速度的PDE,可以通过计算得到T,Ar,和△r:。为了保证PDE工作协调,只须调整好工作频率厂(r),△r。和△r:三者的参数分配即可。
540推进技术
2004正
4试验设备、测试仪器、试验件及工况
4.1
保护,并进行读数校准;(2)计算机数据采集和处理系
统;(3)开环PDE工作过程控制器,如图3所示。4.3试验件
直径180ram,长度2m的PDE试验机,带双旋流气动阀,用多级喷油雾化装置,多种改善燃油蒸发及强化燃烧装置,扩张喷管,如图5所示。在PDE后部装有6个压力传感器安装座,最后一个距头部1.82m,每两个间距0.14m。
试验设备
PDE工作协调研究试验系统如图4所示。
Fig・5
Fig.4
Scheme
of
testing
PILlEstruclttre
Schemeofmulti-eyelePDEtesting
4.4
apparatusandsystem
工况
常温常压,PDE内气流速度为20m/s左右,f=5
(1)模拟冲压进气,气源为鼓风机+压头950mm水柱,流量为I.7kg/s;(2)供油采用汽油泵,压力可达6.9MPa,最大流量为2009/s左右;(3)喷油装置所用高压空气压力为0.2~0.3MPa;(4)点火用高能、高频、
~10Hz,混气的a:≈1。
5试验结果及分析
5.1
试验结果
表l为所研究PDE各工作过程时间分配和试验
可控点火器,每个火花能量为lJ左右;(5)简易PDE
推力架,推力架有滑轮,町在推力架支承上移动。4.2测试仪器
(1)动态压力测量用Kuilite压力传感器(XTE一190—50),传感器头部加一段润滑油并外加冷却水套
l_00.8
1.0.
结果,图6为PDE协凋工作产生爆震波时的典型压力曲线,图7为PDE不协调工作时的压力曲线,图8为图6(f)的局部放大图u
1.00-8—0.6
击0.6
翟【)14、
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0.0
出
苫
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2。
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(且)L=1.12m
1816
14
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1.41.2—
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F强.6
Pressure
c111"Ye
(e)£=1.68nn
Yerslls
田L=I.82m
timefordifferentlocation
万方数据
第25卷第6期脉冲爆震发动机工作过程控制和协调试验541
2.01.8l_61.4
1.81_6L4
玑i
气0.6
0.4O.20.0—0.2
L
rrl
拍
L
r’
100000
1.8l_6】.41.21.00.80.6O.40.2O.O-o.2
0
tll^a
101)0002000【)o300000400000
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T2=30ms
。L.L
r’
t/lLLs
氐0.6
0.40.20.0-0.2
r
400000
0
2000∞3Ⅸ)000
(a)T=120ms,AT2-----401118㈣T=lOOms,A(c)T=70ma,AT2=30mstime
Fig.7
Differentshapeofout-of-phasePDEpressure
curveversus
Table1Calculationandtest
resultsofT,A7landA72波峰值逐渐增大,直至L=1.68m处压力波峰值达到1.5MPa,且由图8可看出压力波曲线上升沿几乎与水平线垂直,可认为已形成爆震波"],其DDT距离为
Testing
items
Testingvalue
Timeofa
cycle
T/ms20016014012010070
1,6m左右。
Aheadtime
of
5
5
5
5
5
5
由形成的爆震波压力曲线上可得到由点火开始
electromagnetismvalveArl/msClose
timeof
信号到产生压力峰值的时间为14.5ms,即为点火延
迟时间与DDT时间(TD。,)之和,由前述点火延迟时间
90
60
40
40
30
30
electromagnetismvalveAr2/ms
为2—3ms,可知rD叶为12ms左右;由L=1.68m到L=1.82m这两个压力传感器的距离及到达两者的压力峰值时间差可算得该PDE内的爆震波传播速度为:口cI=0.14m/0.103ms一1360m/s,比理论计算值偏小约20%,这是受混气的形成、燃油的蒸发过程及
Can
Test
results
reliably
and
Cannot
reliably
and
initiatesustain
jnitiate
detonationsustaindetonation
181614l2
l
PDE的结构和散热影响所致。在文献[8]中提到由于热损失和机械损失可以导致爆震波速度同热力学的爆震速度相差可达到40%~50%,而此时压力并无多大变化,并列出了大量的试验结果。文献[9]也有大量的试验结果表明:受不同试验条件的影响,爆震波传播速度会比理论值小许多。
根据测量的r。卅和口。,可计算出试验用PDE的实际工作周期。计算结果为秽舢=20m/s时,当△L取
50000
60000
tlg.a
70000
80000
O
已
善
气
08O60402O002
0.2m时,T。=139.2ms,△r2=39.2ms,当△£取0.1m时,Ts=134.2ms,Ar:=34.2ms。因此,只有当设置的T>140ms,Ar,>40ms时,才能产生连续的爆震波,试验结果与此相符。由图9看出随着设置的丁值增加只会增加隔离段长度,使PDE平均推力下降,而Ar,
T=200ms,Arl=5ms,△‘2=90ms
Fig.8
Partialenlarged
curve
of
fig.6(f)
5.2试验结果分析
表1结果显示当进气速度为20m/s时,在设置参数为:T>140ms,△r,=5ms,△r2>40ms时,都能产生连续、稳定的爆震波。图6为T=200ms,Ar,=5ms,△乙=90ms时,在不同位置测量到的压力波形。由图6可看出,在L=1.12m至L=1.68m的距离内,压力
的增加使油耗增大。
由表1结果还可看出:当设置参数T<150ms时,PDE都不能产生连续、稳定的爆震波。从试验中发现不协调工作的现象为:(1)压力波峰值低,不能形成爆震波,如图7(c);(2)两个或更多个周期才产生一个爆震波,爆震波之间是峰值较低的压缩波,如图7(a),(b)。
万方数据
542推进技术
2004正
Settingcycle
Co幽gdoⅡ
,
蛐Start
【”Fa。rt
uel
Igni.ti_7I
,竺!坐J
inieefi。
、———r—一Fueliniection
rig.9
Sketch
mapofcooperativeworkingPDE
由于进气由燃烧室的压力控制,因此进气时间由实际工作周期r。控制,而供油和点火时间则由开环控制器控制,即由设置的工作周期r。控制。如果丁。>T,,即在第一个实际工作循环中亚声燃烧时间增加,使得燃烧膨胀过程进入到设置的下一个循环周期中,这就侵占了下一个循环的进气时间,而点火的频率已设定,供油的频率和时间也设定,导致第二个循环的进气距离缩短,在混气只充满管长的一部分时就点火燃烧,使燃烧的容积缩小导致放热强度的减小,产生的压缩波强度减弱,如果充填距离<DDT距离,就产生不了爆震波,只有压缩波。如果下个循环的进气时间更加缩短,使燃烧时间也有所缩短,经过若干个周期后,又能使其后下一个周期的混气充填距离>DDT距离,又能产生爆震波,如此循环往复,就出现几个周期出现一次爆震波的现象,如图7(a)、(b);若每个周期的混气充填距离都<DDT距离,则PDE只产生峰值大小变化的压缩波,无爆震波,如图7(C)。
6
结论
(1)利用开环PDE控制系统,研究PDE工作过程协调,试验表明是成功的。
万
方数据(2)只有在开环控制器的设置值大于PDE实际值时,PDE才能产生连续、稳定的爆震波,测得压力峰值为1.5~2.0MPa,爆震波传播速度为1360nds以上。
(3)如果DDT时间过长,致使T。>T。,会使混气充填时间缩短;如果充填距离<DDT距离,PDE不能产生爆震波。当T。<T。时,不影响PDE正常工作,但会增加隔离段长度,从而降低PDE平均推力。
以上结论虽然是通过一定结构PDE研究得到,但却反映了带气动阀PDE协调工作的共同规律,对PDE各工作过程时间分配的估算可普遍用于冲压进气PDE的研究。参考文献:
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(编辑:梅瑛)
脉冲爆震发动机工作过程控制和协调试验
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
范育新, 王家骅, 李建中, 张靖周
南京航空航天大学,能源与动力学院,江苏,南京,210016推进技术
JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY2004,25(6)6次
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