螺旋式脉冲爆震发动机实验研究

目前以碳氢燃料与空气可爆混合物的直管爆震室存在较长的爆燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称“DDT”)距离,从而导致发动机整机长度过长等问题.为解决此问题,采用8种螺旋构型的爆震管替代现有国内外普遍研究的直管构型的爆震管进行了一系列实验.首先对不同螺旋结构的爆震管进行冷态流阻特性实验,得出了螺旋结构参数和流阻的关系;再结合冷态实验结果,选取4种螺旋结构进行了热态爆震实验.实验结果表明,所有螺旋结构均可获得充分发展的爆震波;螺旋爆震管缓燃向爆震转变时间随螺旋中轴线曲率半径增加而减小;相对于长2.0m的直管爆震管,螺旋爆震管DDT时间缩短了0.415~0.589ms,DDT距离沿螺旋线方向缩短了0.35m,爆震管轴向长度缩短了0.78~1.28m.     

通过壁温确定脉冲爆震火箭发动机中爆震波形成的位置

常用来作为促进爆震形成的Shchelkin螺旋由于流阻较大,对发动机的比冲会造成一定的损失,因此缩短缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,DDT)增强装置长度,对脉冲爆震火箭发动机性能的提高有着重要的意义。通过分析DDT增强段的壁温来判断爆震波的形成位置,并通过压力信号来验证。实验结果表明,DDT增强段的壁温沿轴向分布为先增加,然后保持不变,轴向温度会有一个明显的转折点;经过实验验证,壁温的转折点即为爆震波的形成位置。     

无阀式煤油脉冲爆震火箭发动机工作循环特性研究

为了探索脉冲爆震火箭发动机(Pulse Detonation Rocket Engine,PDRE)在无阀自适应工作方式下的工作特性,采用煤油为燃料,富氧空气为氧化剂,开展了验证性实验,并分析了单个工作循环中不同过程的特征时间。实验实现了PDRE在工作频率为60Hz下稳定工作。结果表明,在PDRE稳定工作的前提下,从点火到排气之间的时间相对固定;推进剂的填充时间占用了单个周期内的大部分时间,是限制发动机工作频率提高的主要因素;适当提高填充压力有助于提高PDRE工作频率;实验测得60Hz工作频率下,推进剂比冲为122±11s。     

稀释氩气对分叉管内爆震波绕射的影响

为了研究稀释气体Ar的浓度对爆震波从直管往分叉管绕射传播和对直管中爆震波传播的影响,采用三阶TVD迎风格式和Strang-splitting算子分裂法,对H2/O2/Ar混合物爆震燃烧进行了二维数值计算。计算结果表明:在298K,6670Pa初始条件下,四种组分比条件下,主爆震管下游由于分叉管绕射稀疏波的影响,都会产生不同程度的解耦,但是通过壁面马赫反射后,都能恢复平面爆震;在H2/O2/Ar体积比为2:1:7时,爆震波绕射进入分叉管后,爆震波解耦成爆燃火焰波;体积比为2:1:0,2:1:1和2:1:4条件下,水平爆震管中的爆震波,绕射进入垂直分叉管后,通过不同次数壁面马赫反射,能够二次起爆,解耦的爆震波恢复成为平面自持爆震波。     

旋流器气量分配对全环燃烧室排放的影响

为研究一、二级旋流器气量分配对燃烧室排放性能的影响，在总气量恒定条件下，针对配装气量比分别为0.85和1.1两种方案双级轴向旋流器的全环燃烧室开展了地面慢车、空中慢车和起飞状态下的排放试验。结果表明：气量比从0.85增加到1.1，空中慢车和起飞状态氮氧化物（NOx）排放分别降低33%～52%和14%～38%，地面慢车状态CO和未燃碳氢（UHC）排放分别降低23%～49%和32%～36%。地面慢车状态两方案旋流器对应的NOx排放差异不大，且排放值均较低。CO和UHC排放主要集中在地面慢车状态，随着状态增大，CO和UHC排放量逐渐降低，且空中慢车和起飞状态对应的CO和UHC排放量差异不大。在本文试验范围内，全环燃烧室CO排放指数随着NOx排放指数的增加呈现幂函数下降，随着UHC排放指数的增加呈现对数上升。     

点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响

为了揭示空桶型旋转爆震燃烧室内爆震波的建立过程及工作特性，分别采用火花塞点火、垂直预爆震管点火和切向预爆震管点火，实验研究了不同点火方式下的爆震波起爆和稳定传播特性。喷注器采用环缝-喷孔对撞式设计，燃料和氧化剂分别为乙烯和富氧空气。结果表明，在空桶型旋转爆震燃烧室中，3种点火方式均可成功起爆并获得稳定传播的爆震波，点火方式对旋转爆震波的传播方向影响较小；与火花塞点火相比，垂直预爆震管点火和切向预爆震管点火均能拓宽旋转爆震燃烧室的稳定工作范围；在氧化剂供给流量和当量比相同的条件下，点火方式的改变并未影响旋转爆震波的传播速度大小；使用预爆震管点火时，旋转爆震波的建立时间较火花塞点火短，且呈现出更小的离散性。     

新型凹入式螺旋结构增爆器的实验研究

本实验以脉冲爆震火箭发动机(简称PDREs)系统为实验平台,以液态航空煤油作为燃料,以压缩氧气作为氧化剂,以压缩氮气作为隔离气,分别对安装三种不同截面形式(半圆形、方形、三角形)的凹入式螺旋结构增爆器以及作为基准的Shchelkin螺旋结构增爆器进行了实验研究。实验结果表明,三种不同截面的凹入式增爆器均能有效强化爆燃向爆震转变(DDT)过程,在长径比为12.17的增爆器中均获得了充分发展的爆震波,实现了成功起爆。在流阻损失方面,半圆形凹入式螺旋结构表现出了最好的性能,其推力比Shchelkin螺旋的基准推力高出12个百分点。在多次实验过程中发现,凹入式螺旋结构比Shchelkin螺旋结构更不易烧蚀,工作可靠性更高。     

燃烧室构型对旋转爆震波传播特性的影响

为了揭示燃烧室构型对旋转爆震波传播特性的影响，设计了不同结构参数的5个燃烧室，包括环形、空桶形和凹腔形3种燃烧室形式。喷注器采用喷孔-环缝设计，燃料和氧化剂分别为乙烯和富氧空气。在相同的供给条件下，实验研究了燃烧室构型对旋转爆震波传播特性和推进性能的影响。结果表明：空桶形燃烧室稳定爆震模态的工作范围最宽且爆震波最为稳定，但推进性能较差；两个凹腔形燃烧室的工作范围介于燃烧室宽度为19 mm和15 mm的两个环形燃烧室之间，但推进性能略高于宽度为19 mm的环形燃烧室；此外，凹腔形燃烧室的工作范围随凹腔长度的增加而增加。