魏萬(wàn)里 翁春生 武郁文 鄭權(quán)

(南京理工大學(xué), 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210094)

(2019 年 10 月 10日收到; 2019 年 12 月 20日收到修改稿)

1 引言

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)(continuous rotating detonation engine, CRDE)是一種利用爆轟燃燒方式, 使爆轟波在環(huán)形燃燒室內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳播以產(chǎn)生推力的新型發(fā)動(dòng)機(jī). 傳統(tǒng)的基于等壓燃燒方式的推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟, 大幅提高其性能十分困難, 將爆轟用于推進(jìn)有望大幅提高推進(jìn)系統(tǒng)的性能. CRDE具有熱效率高、放熱速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、工作范圍寬、污染物特別是氮氧化物排放低[1?4]等優(yōu)點(diǎn), 近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注, 成為推進(jìn)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn). 目前對(duì)于CRDE的研究大多集中在點(diǎn)火起爆過(guò)程[5?9]、爆轟波傳播模態(tài)及穩(wěn)定性[10?17]、爆轟波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及推進(jìn)性能[18?21]等方面.

由于爆轟燃燒的自增壓特性以及熱力學(xué)循環(huán)效率高的特點(diǎn)[22], 利用旋轉(zhuǎn)爆轟燃燒室(rotating detonation combustor, RDC)替代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的等壓燃燒室, 不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室效率,還能減少壓氣機(jī)級(jí)數(shù)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量, 使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化. 近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的探索與研究. Sousa等[23]提出了一種精確計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程及非等熵過(guò)程的數(shù)值工具, 并對(duì)裝有RDC的燃?xì)廨啓C(jī)熱力學(xué)性能進(jìn)行分析. 通過(guò)對(duì)裝有RDC的燃?xì)廨啓C(jī)與常規(guī)等壓燃燒室的燃燒效率進(jìn)行對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)在低壓比下RDC比常規(guī)等壓燃燒室的效率至少提高5%. Ji等[24]提出一種完整的旋轉(zhuǎn)爆轟渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案, 對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行模型化分析. 與同參數(shù)等壓燃燒室燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比, 旋轉(zhuǎn)爆轟渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在工作范圍內(nèi)總體性能具有較大的優(yōu)勢(shì).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者不僅在理論性能分析方面開(kāi)展了相關(guān)研究, 而且在實(shí)驗(yàn)方面也進(jìn)行了探索.Ishiyama等[25]和Higashi等[26]將圓盤(pán)形RDC與單級(jí)離心式壓氣機(jī)以及單級(jí)徑流式渦輪相組合, 分別開(kāi)展了冷態(tài)和熱態(tài)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)成功獲得了旋轉(zhuǎn)爆轟波. Naples等[27]分別用RDC和傳統(tǒng)等壓燃燒室驅(qū)動(dòng)T63燃?xì)廨啓C(jī), 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)RDC比傳統(tǒng)的等壓燃燒室具有更強(qiáng)的高頻不穩(wěn)定性, 但這種高頻不穩(wěn)定對(duì)渦輪效率的影響較小. 為了表征RDC的性能, Bach等[28]開(kāi)發(fā)了一種具有模塊化參數(shù)的導(dǎo)向器, 研究表明隨著質(zhì)量流量的增加燃燒室的壓力明顯增大. Welsh等[29]測(cè)量了渦輪導(dǎo)向器出口的壓力、溫度等流場(chǎng)參數(shù), 發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)渦輪導(dǎo)向器的作用,滯止壓力下降約5%. Zhou等[30,31]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)渦輪導(dǎo)向器后高頻壓力振蕩存在一定程度下降, 渦輪導(dǎo)向器對(duì)爆轟波傳播速度以及穩(wěn)定性存在一定的影響. Wolanski[32]在多種構(gòu)型的燃燒室下研究了爆轟波的穩(wěn)定性, 并選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)的RDC替代GTD-350渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)等壓燃燒室, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)RDC比常規(guī)等壓燃燒室具有更好的性能.

目前關(guān)于RDC替代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等壓燃燒室的研究側(cè)重于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的分析與可行性驗(yàn)證, 證實(shí)了RDC替代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等壓燃燒室更加有利于提高渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能. 但對(duì)于RDC替代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等壓燃燒室后的工作模式以及非均勻不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)爆轟產(chǎn)物經(jīng)過(guò)渦輪導(dǎo)向器后壓力分布特性的認(rèn)識(shí)還不足, 值得進(jìn)一步深入研究. 本文采用氫氣為燃料, 空氣為氧化劑, 對(duì)帶有渦輪導(dǎo)向器的RDC在不同當(dāng)量比下的工作特性開(kāi)展研究, 分析了RDC在三種不同模式下的工作特性以及渦輪導(dǎo)向器對(duì)爆轟產(chǎn)物中高頻壓力振蕩和靜壓的影響. 本文對(duì)于豐富RDC替代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等壓燃燒室的研究具有理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示, 主要包括推進(jìn)劑供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)以及裝有渦輪導(dǎo)向器的RDC.

本實(shí)驗(yàn)采用氫氣作為燃料, 空氣作為氧化劑,分別通過(guò)高壓氫氣瓶和高壓空氣瓶為系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)工質(zhì). 氫氣和空氣從高壓氣瓶中流出, 依次經(jīng)過(guò)減壓閥、音速?lài)娮?、流量?jì)、電磁閥和單向閥, 最后分別進(jìn)入氫氣和空氣集氣腔. 通過(guò)調(diào)節(jié)供應(yīng)管路上的減壓閥出口壓力, 來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑質(zhì)量流量和當(dāng)量比. 質(zhì)量流量通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 推進(jìn)劑的供應(yīng)時(shí)間通過(guò)電磁閥進(jìn)行控制, 實(shí)驗(yàn)前對(duì)流量劑進(jìn)行標(biāo)定, 確保實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的推進(jìn)劑的質(zhì)量流量的準(zhǔn)確性.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig. 1. Schematic diagram of the experiment system.

RDC內(nèi)徑和外徑分別為78和88 mm, 長(zhǎng)度為130 mm, 燃燒室出口與渦輪導(dǎo)向器相連, 圖2為RDC和渦輪導(dǎo)向器實(shí)物圖. 為了防止回火, 采用非預(yù)混噴注結(jié)構(gòu), 空氣由燃燒室頭部集氣腔通過(guò)環(huán)縫進(jìn)入燃燒室, 環(huán)縫面積為 325.72 mm2; 氫氣通過(guò)均勻分布在內(nèi)壁面的60個(gè)圓形噴孔進(jìn)入燃燒室, 每個(gè)噴孔噴注面積為 0.503 mm2, 總噴注面積為 30.16 mm2. 為了提高點(diǎn)火成功率, 實(shí)驗(yàn)采用切向安裝的氫氣/氧氣預(yù)爆管進(jìn)行點(diǎn)火.

圖2 RDC 和渦輪導(dǎo)向器Fig. 2. Photograph of rotating detonation combustor and turbine guide vane.

在燃燒室外壁面及渦輪導(dǎo)向器上下游布置7個(gè)高頻壓力傳感器, 用于測(cè)量燃燒室內(nèi)及渦輪導(dǎo)向器上下游的高頻壓力信號(hào). 高頻壓力傳感器采用平齊的安裝方式, 傳感器與爆轟波直接接觸. 在氫氣和空氣集氣腔、渦輪導(dǎo)向器上下游各布置一個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器, 傳感器精度為±0.08% BSL(BSL為最佳擬合直線(xiàn)). 本文所用的7個(gè)PCB高頻壓力傳感器位置如圖3所示, PCB1, PCB6,PCB7分布在同一圓周上, PCB1, PCB2, PCB3,PCB4, PCB5分布在同一軸線(xiàn)上. PCB1和 PCB6,PCB6和PCB7之間的夾角均為60°. 高頻壓力傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于 1 μs, 其靈敏度為 0.725 mV/kPa,非線(xiàn)性度小于 1.0% FS (full scale), 諧振頻率不小于 500 kHz, 瞬時(shí)溫度 1649 ℃. 工作過(guò)程中采樣頻率設(shè)置為500 kHz, 高頻壓力通過(guò)信號(hào)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器處理后由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄, 擴(kuò)散硅壓力傳感器和推進(jìn)劑質(zhì)量流量采集信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊由計(jì)算機(jī)終端記錄.

采用單片機(jī)來(lái)控制推進(jìn)劑的供給時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間, 控制時(shí)間可精確到5 ms. 本文實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)序如圖4所示, 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始首先觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 然后打開(kāi)氫氣、氧氣和空氣供給管路電磁閥, 向預(yù)爆轟管內(nèi)噴注氫氣和氧氣, 同時(shí)向RDC內(nèi)噴注氫氣和空氣. 填充完成后關(guān)閉預(yù)爆轟管氫氣和氧氣供給管路電磁閥, 然后打開(kāi)預(yù)爆轟管的點(diǎn)火開(kāi)關(guān), 點(diǎn)燃預(yù)爆轟管內(nèi)的氫氣和氧氣預(yù)混氣, 預(yù)爆轟管內(nèi)形成的爆轟波進(jìn)入RDC點(diǎn)燃?xì)錃夂涂諝忸A(yù)混氣, RDC進(jìn)入工作狀態(tài), 工作時(shí)間結(jié)束后關(guān)閉RDC內(nèi)氫氣供給管路電磁閥, 繼續(xù)向燃燒室內(nèi)噴注空氣來(lái)吹除剩余的燃料直至RDC完全熄火.

圖3 傳感器位置Fig. 3. Locations of sensors.

圖4 時(shí)序控制圖Fig. 4. Experimental time sequence.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為實(shí)驗(yàn)工況表, 實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為298 K,環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓. 根據(jù)高頻壓力信號(hào)特征, 本文將RDC的工作模式分為穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式、不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式以及快速爆燃模式.

表1 實(shí)驗(yàn)工況表Table 1. Test conditions.

3.1 穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟傳播過(guò)程分析

以工況11為例對(duì)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式下的工作過(guò)程進(jìn)行分析. 圖5為旋轉(zhuǎn)爆轟模式下工作過(guò)程中集氣腔壓力曲線(xiàn), 在t1時(shí)刻供氣系統(tǒng)電磁閥開(kāi)啟,氫氣和空氣集氣腔內(nèi)壓力迅速升高并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡, 此時(shí)氫氣集氣腔和空氣集氣腔壓力分別為 4.9和 6.3 bar (1 bar = 105Pa). 由于此時(shí)還未觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào), RDC處于冷流狀態(tài), 氣流先經(jīng)過(guò)環(huán)形燃燒室再流經(jīng)渦輪導(dǎo)向器后排出. 在t2時(shí)刻觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào), RDC成功起爆, 環(huán)形燃燒室內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)爆轟波, 氫氣集氣腔和空氣集氣腔壓力均受燃燒室內(nèi)爆轟反壓的影響而上升, 氫氣集氣腔和空氣集氣腔壓力分別上升到 6.9和 7.4 bar. 在t3時(shí)刻, 關(guān)閉氫氣管路電磁閥, 保持空氣管路電磁閥處于開(kāi)啟狀態(tài), RDC停止工作, 氫氣管路的壓力迅速降低,待冷空氣將RDC冷卻后在t4關(guān)閉空氣管路電磁閥, 結(jié)束本次實(shí)驗(yàn).

圖6為燃燒室內(nèi)高頻壓力曲線(xiàn)及頻域分析圖, 在RDC工作期間爆轟波平均峰值壓力為16.3 bar, 遠(yuǎn)大于圖5所示氫氣和空氣集氣腔內(nèi)的壓力, 這也解釋了圖5中t2到t3時(shí)刻氫氣和空氣集氣腔壓力上升的現(xiàn)象. 為了進(jìn)一步分析旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播特性, 對(duì)PCB6和PCB7的高頻壓力信號(hào)進(jìn)行放大分析, 可以看出在150.0—150.8 ms時(shí)間內(nèi), 爆轟波在燃燒室內(nèi)以單波模態(tài)傳播了4個(gè)周期, 方向?yàn)閺腜CB6到PCB7, 從尾部觀測(cè)為逆時(shí)針?lè)较?

圖5 工況 11集氣腔壓力曲線(xiàn)Fig. 5. Pressure trace of propellant manifolds in test 11.

圖6 高頻壓力曲線(xiàn)(a) 整體圖; (b)局部放大圖Fig. 6. High-frequency pressure: (a) Global graph; (b) magnified results.

基于PCB6處的高頻壓力信號(hào)計(jì)算爆轟波傳播速度, 如圖6(b)所示, 首先得出爆轟波的傳播周期, 根據(jù)(1)式求得每個(gè)周期內(nèi)爆轟波的傳播頻率, 再根據(jù)(2)式求得每個(gè)周期內(nèi)的傳播速度, 進(jìn)而根據(jù)(3)式可求得爆轟波傳播的平均速度,

其中D為燃燒室外徑,K為傳播周期的個(gè)數(shù).

圖7為爆轟波傳播速度隨時(shí)間分布圖, 可以看出, 爆轟波傳播速度主要分布在1400—1600 m/s,平均速度為1560.8 m/s.

圖7 速度分布圖Fig. 7. Velocity-time distribution.

對(duì)PCB6高頻壓力信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)以及短時(shí)傅里葉變換 (short time Fourier transform, STFT), 結(jié)果如圖8所示, 通過(guò)(4)式計(jì)算出爆轟波傳播的平均速度,

其中,D為環(huán)形燃燒室外徑,f為主頻.

通過(guò)(4)式計(jì)算出爆轟波傳播的平均速度為1576.7 m/s, 與通過(guò)(3)式計(jì)算出來(lái)的爆轟波傳播的平均速度 1560.8 m/s, 二者相差僅 1%, 在下文關(guān)于速度的計(jì)算中均采用(4)式進(jìn)行計(jì)算. 從圖8可以清楚地觀察到爆轟波起爆、穩(wěn)定傳播以及熄爆的全過(guò)程的主頻變化情況. 點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后, 爆轟波傳播頻率迅速達(dá)到主頻5706 Hz; 在RDC工作的時(shí)間內(nèi), 爆轟波主頻始終穩(wěn)定主頻5706 Hz附近;在 RDC 熄火階段, 爆轟波解耦, 主頻迅速降低, 直至RDC完全熄火. RDC整個(gè)工作期間一直保持單波穩(wěn)定傳播模態(tài), 未出現(xiàn)熄爆等不穩(wěn)定現(xiàn)象.

圖8 頻域分析圖(a) FFT 結(jié)果; (b) STFT 結(jié)果Fig. 8. Frequency domain analysis: (a) FFT results; (b) STFT results.

圖9 為PCB1, PCB2和PCB3的高頻壓力信號(hào). 由于PCB1處在爆轟波波頭高度范圍內(nèi), 而PCB2和PCB3處為斜激波, PCB1的壓力峰值明顯大于PCB2和PCB3. 同時(shí), 可以明顯地看到每個(gè)爆轟波壓力峰值過(guò)后都存在一個(gè)較大壓力擾動(dòng),這是由于斜激波與渦輪導(dǎo)向器相互作用形成了反射激波并向上游傳播.

圖9 PCB1-PCB3 高頻壓力曲線(xiàn)Fig. 9. High-frequency pressure of PCB1-PCB3.

3.2 不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟傳播過(guò)程分析

以工況5為例, 對(duì)不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式下的工作過(guò)程進(jìn)行分析. 圖10為工況5集氣腔壓力曲線(xiàn),在觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào)之前, 空氣集氣腔壓力穩(wěn)定在6.3 bar, 氫氣集氣腔壓力穩(wěn)定在 2.5 bar. 同工況 11相比, 由于氫氣質(zhì)量流量的減小, 氫氣集氣腔壓力明顯下降, 空氣集氣腔壓力基本不變. 點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后, RDC 先以快速爆燃模式工作了 210 ms, 接著以旋轉(zhuǎn)爆轟模式工作了73 ms. 氫氣集氣腔的壓力在快速爆燃階段由 2.5 bar上升到 3.2 bar, 在旋轉(zhuǎn)爆轟階段壓力繼續(xù)上升到3.7 bar, 說(shuō)明旋轉(zhuǎn)爆轟相較于快速爆燃, 燃燒室內(nèi)高頻壓力振蕩對(duì)氫氣集氣腔的影響更大. 而空氣集氣腔壓力在燃燒室工作階段始終保持平穩(wěn), 未受燃燒室內(nèi)高頻壓力的影響, 這是由于集氣腔內(nèi)壓力越大, 其對(duì)環(huán)形燃燒室內(nèi)的高頻壓力回傳的抵抗能力越強(qiáng).

圖10 工況 5集氣腔壓力Fig. 10. Pressure trace of propellant manifolds in test 5.

圖11 給出了工況5燃燒室內(nèi)高頻壓力曲線(xiàn).從圖11可以明顯觀察到, 從點(diǎn)火時(shí)刻到210 ms之間為快速爆燃模式, 壓力峰值約 1 bar; 隨后壓力峰值迅速增大到6 bar左右, RDC此時(shí)開(kāi)始以旋轉(zhuǎn)爆轟模式工作. 分別對(duì)快速爆燃階段和旋轉(zhuǎn)爆轟階段的高頻壓力信號(hào)做FFT, 如圖11(b)所示, 得到在快速爆燃階段主頻為4039 Hz, 平均傳播速度為 1116.1 m/s; 在旋轉(zhuǎn)爆轟階段主頻為 4569 Hz,平均傳播速度為1262.5 m/s, 旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播速度和壓力峰值相對(duì)于爆燃波均有較大的提升. 與工況11穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式下相比, 由于此工況下當(dāng)量比較低, 導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)爆轟階段爆轟波傳播速度虧損較大.

圖11 工況 5結(jié)果分析(a)高頻壓力曲線(xiàn); (b) FFT 結(jié)果Fig. 11. Result analysis in test 5: (a) High-frequency pressure; (b) FFT results.

3.3 快速爆燃傳播過(guò)程分析

以工況2為例對(duì)典型的快速爆燃工況進(jìn)行分析. 圖12為快速爆燃模式下工作過(guò)程中集氣腔壓力曲線(xiàn). 空氣集氣腔壓力在電磁閥開(kāi)啟后迅速升高到6.2 bar, 并保持穩(wěn)定; 氫氣集氣腔壓力在點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)之前穩(wěn)定在1.6 bar, 點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后, 氫氣集氣腔內(nèi)的壓力快速上升并穩(wěn)定在2.3 bar直至RDC熄火.

如圖13所示, 該模式下燃燒波主要以爆燃波的形式出現(xiàn), 壓力峰值約0.6 bar, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上文工況11穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式下的壓力峰值(壓力峰值為16.3 bar). 對(duì)PCB6的高頻壓力曲線(xiàn)進(jìn)行FFT分析, 其主頻為 3660 Hz, 燃燒波平均傳播速度為1011.3 m/s. 在當(dāng)量比較低的工況下, 燃燒釋放的熱量不足以形成旋轉(zhuǎn)爆轟波, 燃燒室內(nèi)可燃預(yù)混氣以快速爆燃模式燃燒.

對(duì)工況1—14按照(2)式求出每個(gè)周期內(nèi)的速度, 按照(3)式求出平均速度, 基于每個(gè)周期內(nèi)爆轟波的傳播速度, 按照(5)式計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差μ, 根據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)估爆轟波傳播的穩(wěn)定性.相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差μ的計(jì)算如下:

圖14為不同工況下的平均速度和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨當(dāng)量比的變化, 從圖14可以明顯觀察到, 在當(dāng)量比小于0.50時(shí), RDC以快速爆燃模式工作,平均傳播速度較低且速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大; 隨著當(dāng)量比的增大, 開(kāi)始以不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式工作,旋轉(zhuǎn)爆轟波的平均傳播速度逐漸增大且爆轟波速度波動(dòng)變小, 表明爆轟波傳播穩(wěn)定性提高; 在當(dāng)量比大于0.82時(shí), RDC開(kāi)始以穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟的模式工作.

圖12 工況 2集氣腔壓力Fig. 12. Pressure trace of propellant manifolds in test 2.

圖13 工況 2結(jié)果分析(a) 高頻壓力曲線(xiàn); (b) FFT 結(jié)果Fig. 13. Result analysis in test 2: (a) High-frequency pressure; (b) FFT results.

圖14 平均速度和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 14. Average velocity and relative standard deviation of detonation wave.

3.4 渦輪導(dǎo)向器上下游壓力分析

以工況11為例對(duì)渦輪導(dǎo)向器上下游壓力進(jìn)行分析. 圖15為工況11對(duì)應(yīng)的渦輪導(dǎo)向器上下游的高頻壓力振蕩曲線(xiàn)及靜態(tài)壓力曲線(xiàn). 從圖15可以明顯觀察到渦輪導(dǎo)向器上游的高頻壓力曲線(xiàn)存在較為陡峭的壓力尖峰, 而經(jīng)過(guò)渦輪導(dǎo)向器后, 陡峭的壓力尖峰基本消失. 渦輪導(dǎo)向器上游平均壓力峰值下游平均壓力峰值為定義壓力振蕩幅值的衰減系數(shù)a, 由下式計(jì)算:

此工況下a為47.1%, 說(shuō)明渦輪導(dǎo)向器對(duì)壓力振蕩的幅值具有明顯的抑制作用. 對(duì)渦輪導(dǎo)向器上下游的高頻壓力進(jìn)行FFT分析, 如圖15(b)所示上游壓力振蕩的主頻為5712 Hz, 下游壓力振蕩的主頻為5693 Hz, 二者均與圖8(a)所示燃燒室內(nèi)的爆轟波主頻5706 Hz接近. 由于渦輪導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 由爆轟波誘導(dǎo)的斜激波遇到渦輪導(dǎo)向器后產(chǎn)生反射現(xiàn)象, 部分反射激波向渦輪導(dǎo)向器上游回傳從而使得下游壓力振蕩的幅值明顯減小. 渦輪導(dǎo)向器對(duì)壓力振蕩的幅值具有明顯的抑制作用, 但對(duì)壓力振蕩的頻率影響較小.

同時(shí), 從圖15(a)可以觀察出渦輪導(dǎo)向器上游的靜態(tài)壓力為0.63 bar, 下游的靜態(tài)壓力為0.31 bar,這是因?yàn)闇u輪導(dǎo)向器是收縮型流道, 爆轟燃燒產(chǎn)物在渦輪導(dǎo)向器流道內(nèi)壓力降低、速度增大, 不考慮流動(dòng)損失的情況下, 降低的靜壓均轉(zhuǎn)變成了動(dòng)壓,用于推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子做功.

圖15 渦輪導(dǎo)向器上下游結(jié)果分析(a)高頻壓力及靜壓; (b) FFT 結(jié)果Fig. 15. Analysis of upstream and downstream results of turbine guide vane: (a) High-frequency pressure and static pressure; (b)FFT results.

圖16 渦輪導(dǎo)向器上下游流場(chǎng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(a) 頻率; (b) 靜壓Fig. 16. Statistics of flow field parameters in upstream and downstream of turbine guide vane: (a) Frequency; (b) static pressure.

圖17 靜態(tài)壓力及平均峰值壓力隨當(dāng)量比的變化(a) 靜態(tài)壓力; (b) 平均壓力峰值Fig. 17. Variation of static pressure and average peak pressure with equivalent ratio: (a) Static pressure; (b) average peak pressure.

對(duì)此工況進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn), 并對(duì)渦輪導(dǎo)向器上下游振蕩的主頻、渦輪導(dǎo)向器上下游的靜態(tài)壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 結(jié)果如圖16所示. 三次實(shí)驗(yàn)所得的渦輪導(dǎo)向器上下游高頻壓力振蕩主頻均在旋轉(zhuǎn)爆轟波主頻附近波動(dòng), 最大誤差在2%以?xún)?nèi), 表明渦輪導(dǎo)向器上下游的高頻壓力振蕩是由旋轉(zhuǎn)爆轟波的傳播頻率造成的, 且渦輪導(dǎo)向器對(duì)振蕩頻率沒(méi)有抑制的作用, 同時(shí)三次實(shí)驗(yàn)中渦輪導(dǎo)向器上下游的靜態(tài)壓力均降低了50%左右.

對(duì)工況1—14下的渦輪導(dǎo)向器上下游靜壓及高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器平均峰值壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 結(jié)果如圖17所示. 各工況下渦輪導(dǎo)向器上游靜壓均大于下游的靜壓, 且隨著當(dāng)量比的增大, 上下游靜壓均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì), 經(jīng)過(guò)渦輪導(dǎo)向器的作用, 渦輪下游靜壓降低了30%—51%. 同時(shí), 各工況下高頻振蕩的平均峰值壓力經(jīng)過(guò)導(dǎo)向器后均大大降低, 衰減率在41%—56%.

4 結(jié)論

本文對(duì)帶有渦輪導(dǎo)向器的RDC在不同當(dāng)量比下的工作特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究, 主要得到了以下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)得到了三種不同的工作模態(tài): 在當(dāng)量比大于0.82時(shí), RDC以穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式工作;在當(dāng)量比小于0.5時(shí), RDC以快速爆燃模式工作;在當(dāng)量比處于二者之間時(shí), RDC以不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)爆轟模式工作. 隨著當(dāng)量比的增大, 旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播的速度增大且穩(wěn)定性提高;

2)爆轟波下游的斜激波在渦輪導(dǎo)向器處發(fā)生反射, 并向上游燃燒室內(nèi)傳播; 高頻壓力振蕩與渦輪導(dǎo)向器相互作用, 高頻振蕩的峰值壓力降低41%—56%, 但頻率基本不變, 且與旋轉(zhuǎn)爆轟波傳播的主頻基本保持一致, 表明渦輪導(dǎo)向器對(duì)壓力振蕩的幅值具有明顯的抑制作用, 但對(duì)壓力振蕩的頻率影響較小;

3)隨著當(dāng)量比的增大, 渦輪導(dǎo)向器上下游的靜壓均同時(shí)增大. 經(jīng)過(guò)渦輪導(dǎo)向器的作用, 燃燒產(chǎn)物的靜壓降低了約30%—51%;

本文僅研究了帶渦輪導(dǎo)向器的RDC的工作特性, 未考慮渦輪轉(zhuǎn)子對(duì)RDC工作特性的影響,下一步將開(kāi)展帶有渦輪轉(zhuǎn)子的RDC的研究.