脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗研究

李曉豐，鄭龍席，邱 華，鄭華雷

（西北工業大學 動力與能源學院，西安 710072）

0 引 言

脈沖爆震燃燒與爆燃燃燒（等壓燃燒、等容燃燒）相比，具有燃燒效率高、傳播速度快、自增壓、熵增小等特點［1］。由于爆震燃燒具有上述獨特優勢，國內外學者開展了大量關于脈沖爆震發動機理論和試驗研究［2-10］。

脈沖爆震渦輪發動機是最近提出的一種非常創新概念的新型發動機，主要由脈沖爆震燃燒室（PDC）、渦輪以及壓氣機組成，主要目的是用爆震室替代傳統渦輪發動機的核心機，以減輕發動機重量，提高發動機推重比（功重比）和機動性能。

目前國外有大量學者開展了脈沖爆震渦輪發動機理論及試驗方面的研究。美國GE 全球研究中心Goldmeer［11］等人結合傳遞函數模型和熱力學系統分析工具對脈沖爆震渦輪發動機的性能進行了研究，結果表明爆震循環效率要高于Brayton 循環。Tangirala［12］等人對比研究了穩態等壓燃燒和脈沖爆震燃燒驅動下軸流渦輪的效率問題，結果表明在兩種不同燃燒方式下渦輪效率無顯著性差異。Rouser［13］等人開展了PDC與向心渦輪（渦輪增壓器）的試驗研究，結果發現在采用相同燃料（H2）的前提下，脈沖爆震燃燒比穩態爆燃燃燒所產生的發動機比功高70%（PDC工作頻率為10 Hz，燃氣當量比為0.64）。國內西北工業大學鄧君香［14］等人建立了用脈沖爆震燃燒室替代傳統燃氣渦輪發動機主燃燒室的熱力性能分析模型，計算結果表明替代后發動機單位推力可提高27.1%，單位燃油消耗率將降低21.3%。

設計了脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗系統，在該試驗系統上開展了PDC與渦輪及壓氣機三者相互匹配的原理性試驗，對脈沖爆震渦輪發動機的可行性進行了探索性研究。

1 試驗裝置

脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗系統控制示意圖如圖1所示，其主要由脈沖爆震燃燒室、渦輪增壓器（向心渦輪、離心壓氣機）、進氣道、尾噴管、供油系統、供氣系統、爆震點火及頻率控制系統、潤滑系統、測量系統、數據采集和控制系統等組成。

圖1 脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗系統控制示意圖Fig.1 The control schematic diagram of the pulse detonation turbine engine test system

脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗系統結構簡圖及傳感器的安裝見圖2。脈沖爆震燃燒室主要由進氣段、點火段和爆震段組成。爆震管內徑60mm，爆震室長度1500mm。其中進氣段主要完成發動機的供氣、供油和霧化工作，發動機采用無閥自適應的方式實現爆震室的油氣填充。供油流量由齒輪流量計測定，供氣流量由渦輪流量計測定。發動機點火段安裝家用汽車火花塞，點火系統為一般汽車發動機用磁控高能無觸點電子點火器，點火頻率由自行研制的PLC（Programmable Logic Controller）測控系統控制。調整火花塞墊片的厚度可調整火花塞電極插入燃燒室內的深度以保證最佳的點火效果。在發動機爆震段內安裝Shchelkin螺旋結構，以起到強化爆震縮短起爆距離的作用。

在PDC 進口設計一個三通管，一端與實驗室高壓氣源相連，一端與壓氣機相通，通過電磁閥1和2可瞬間切換PDC 的供氣壓縮氣源。PDC 和渦輪增壓器直接相連，高速、高溫、高壓爆震燃氣切向進入渦輪，在渦輪內膨脹做功，渦輪輸出軸功率帶動壓氣機，膨脹完后燃氣經尾噴管向外排出，同時產生推力。壓氣機作為渦輪的負載，不斷從外界吸入空氣，空氣經壓縮后有兩種不同的去向：①在研究PDC 與渦輪二者匹配時，其可直接經電磁閥3排出；②在開展PDC與渦輪、壓氣機三者匹配試驗時，其通過電磁閥2直接進入爆震室，取代實驗室高壓氣源，從而實現脈沖爆震渦輪發動機在自吸氣模式下長時間穩定工作。

圖2 脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗系統結構簡圖Fig.2 The structure sketch of the pulse detonation turbine engine test system

試驗器傳感器的安裝具體如下：在壓氣機出口安裝壓阻式壓力傳感器P1和熱阻式溫度傳感器T1，以測量壓氣機出口氣流參數，同時為衡量渦輪從爆震燃氣中提取能量的多少提供參考依據；在高壓氣入口后端安裝壓阻式壓力傳感器P3和熱阻式溫度傳感器T3，測量高壓氣的初始壓力和溫度；在爆震室進氣段前部安裝壓阻式壓力傳感器P4，獲取爆震室爆震波反傳壓力峰值的大??；在爆震室尾部安裝2個壓電式壓力傳感器P5、P6，測量爆震波傳出爆震室時的傳播速度和壓力大小，為判斷是否產生爆震波提供參考依據；在渦輪入口安裝1個壓電式壓力傳感器P7和1個熱電偶式溫度傳感器T7，在渦輪出口安裝2個壓阻式壓力傳感器P8、Pt8；在壓氣機進氣道內安裝1個電渦流位移傳感器，以測量渦輪增壓器轉子的轉速；在燃油供應管路上安置1個燃油流量計，測量燃油的流量大小。

2 試驗方案

在開展PDC與渦輪及壓氣機三者相互匹配試驗之前，先進行PDC與渦輪二者間的匹配試驗，以驗證PDC與渦輪能否長時間穩定連續工作，同時檢驗所選型渦輪增壓器是否滿足三者相互匹配的試驗要求。PDC與渦輪二者匹配試驗方案如下：首先由基于PLC的發動機測控系統發出指令，將電磁閥1、電磁閥3打開，電磁閥2、電磁閥4關閉，高壓空氣由高壓氣源從電磁閥1進入發動機，經彎段后直接進入脈沖爆震燃燒室進氣段，并與供油霧化系統噴出的燃油進行摻混，完成PDC填充過程，填充結束后高能點火器在火花塞處引爆可燃混氣，火焰經過爆燃向爆震轉變的DDT 距離后，形成爆震波并從爆震室出口經彎段切向噴入渦輪，在渦輪內膨脹做功，膨脹后乏氣從尾噴管排出，同時渦輪輸出軸功率帶動壓氣機，壓氣機壓縮的高壓空氣最后經電磁閥3排出，如此反復循環。

PDC與渦輪、壓氣機三者相互匹配的試驗方案主要包括兩個過程：一是發動機啟動過程，一是發動機聯調過程。發動機啟動過程具體方案同PDC 與渦輪二者匹配試驗方案；發動機聯調過程具體如下：當發動機在啟動狀態下連續穩定工作后，由發動機測控系統發出指令，打開電磁閥2，同時關閉電磁閥1和電磁閥3，即將發動機從由高壓氣源供氣模式瞬間切換到由壓氣機供氣模式，實現PDC驅動渦輪、渦輪帶動壓氣機、壓氣機壓縮空氣供給PDC 的三者相互匹配試驗。

3 試驗結果及分析

表1是PDC與渦輪二者匹配基礎試驗工況及試驗結果，圖3為發動機壓氣機流量與高壓空氣流量隨點火頻率f變化的對比曲線圖。從圖中可看出，隨著發動機點火頻率的增加，發動機壓氣機流量基本呈線性增加，且高壓空氣流量曲線始終在壓氣機流量曲線下方，說明壓氣機所壓縮的空氣要大于發動機工作所需要的空氣。因此從發動機流量匹配方面分析，發動機完全可在5～20 Hz下穩定連續匹配工作。

表1 PDC與渦輪匹配發動機試驗工況及試驗結果Table 1 Test conditions and results of PDC and turbine match

由于爆震室反傳壓力隨著點火頻率的升高而增加，PDC與渦輪匹配基礎試驗雖然說明壓氣機在5～20 Hz內所壓縮的空氣流量都大于PDC 所需空氣流量，但考慮到壓氣機設計壓比偏低，為了盡量降低反傳壓力波對壓氣機的影響，提高PDC 與渦輪及壓氣機三者匹配的成功率，本研究采取從低頻逐漸往高頻調試的試驗方法。即先在低頻工況下切換發動機工作狀態，待發動機穩定工作后，再逐漸緩慢提高發動機工作頻率。

圖3 PDC與渦輪匹配發動機試驗流量隨頻率變化圖Fig.3 The engine flow vs frequency diagram of PDC and turbine matching test

圖4是爆震頻率為4Hz時PDC 與渦輪、壓氣機三者匹配的試驗壓力及渦輪轉速曲線。從圖中可看出爆震波反傳壓力一直從P4傳播到P1，且從P4到P3反傳壓力峰值不但無衰減，反而略有增加。從P3到P1反傳壓力峰值衰減了70%，這主要是因為在P3和P1之間存在一個電磁閥2，雖然其處于打開狀態，但電磁閥內流通道呈Z字形，反傳壓力波經過Z形通道后得到大幅度衰減。電磁閥2從某種意義上說減輕了爆震反傳壓力波對壓氣機的影響，但同時增加了發動機進氣阻力，延長了PDC的填充時間，在很大程度上限制了發動機的工作頻率。從渦輪轉速隨時間變化曲線可以看出，渦輪每受到一次爆震波的沖擊，轉速都將階躍性急速升高，然后逐漸震蕩性下降，這說明爆震波具有極強的沖擊能力，同時體現了渦輪工作環境具有強脈動性。

圖4 PDC與渦輪、壓氣機三者匹配試驗壓力及渦輪轉速曲線Fig.4 The results of the pressure and the turbine speed of PDC，turbine and compressor matching test

圖5是圖4中首個壓力波形的局部放大圖，從各位置處壓力峰值的時序來看，發動機點火后弱爆震波首先在傳感器P4與P5之間的某個位置處形成，然后爆震波往發動機兩端傳播，向前依次經過傳感器P4、P3直到P1，形成爆震反傳壓力波，由于發動機進氣段不填充可燃燃料，故反傳壓力波將逐漸衰減；弱爆震波往后向渦輪傳播，由于爆震室充滿了可燃混合氣體，弱爆震波在燃燒所釋放大量熱量的驅動下，不斷加速直至在PDC 出口處形成爆震波，然后高速噴入渦輪膨脹做功。利用P5與P6壓力波傳播的時間差，計算得爆震波傳播速度為1350m／s，說明在爆震室尾部已形成了爆震波。從P4位置處的壓力曲線圖可看出，P4在壓力峰值過后存在多個次壓力峰值，P5、P6、P7壓力曲線也有類似現象，這主要是爆震波經過渦輪葉片后反射所形成的一系列壓縮波。

圖5 圖4第一個壓力波局部放大Fig.5 The local enlarged diagram of the Fig.4 at the first pressure wave

通過大量試驗發現，發動機能長時間連續穩定工作在低頻狀態（f=4Hz），當達到6 Hz后再試圖逐漸提高頻率時，發動機出現不穩定最后熄火的現象。通過分析PDC與渦輪及壓氣機三者在低頻時匹配的試驗數據，綜合PDC 與渦輪二者匹配時所開展的大量基礎試驗，發現爆震波反傳壓力和進氣阻力是影響發動機工作頻率的兩個關鍵因素。爆震波反傳壓力隨著爆震頻率的增加而不斷增加，即使在電磁閥2處于關閉的狀態，反傳壓力波仍能穿透電磁閥前傳至壓氣機，當P1處反傳壓力波峰值仍足夠大時，就有可能穿透壓氣機從壓氣機進氣道排出大氣，這將導致壓氣機產生回流，嚴重影響PDC的填充時間，使得發動機工作頻率很難提高；壓氣機與PDC 間的進氣阻力也同樣影響PDC的填充時間，進氣阻力越大，氣流損失越大，填充速度越慢。

脈沖爆震渦輪發動機熱力循環見圖6，0～1為壓氣機等熵壓縮過程，1～2為爆震燃燒加熱過程，2～3為燃氣在渦輪及尾噴管內等熵膨脹過程，3～0為等壓放熱過程。通過熱力循環分析，易得脈沖爆震渦輪發動機總體循環熱效率為：

式中Q2為熱力循環放熱量，Q1為熱力循環加熱量，Cp為燃氣等壓比熱容，CPDC為爆震比熱容。由于爆震燃燒可以近似看成強激波誘導下的等容燃燒，故爆震燃燒加熱過程的比熱容CPDC可近似用等容比熱容Cv代替，因而脈沖爆震渦輪發動機的熱效率可近似寫為：

試驗測得壓氣機出口溫度T1為21℃，爆震燃燒室出口平均溫度T2為686℃，渦輪出口平均溫度T3為270℃，環境溫度T0為19℃，燃氣等壓比熱容Cp取1244J／（kg·K），空氣等容比熱容Cv取717 J／（kg·K），利用式（2）計算得脈沖爆震渦輪發動機的熱效率為0.345，理想爆震循環熱效率為0.49，而等壓循環熱效率為0.27。

圖6 脈沖爆震渦輪發動機熱力循環Fig.6 Thermodynamic cycle of pulse detonation turbine engine

4 結 論

設計了脈沖爆震渦輪發動機原理性試驗系統，開展了PDC與渦輪及壓氣機三者間相互匹配的試驗研究，由試驗結果得出以下結論：

（1）PDC與渦輪二者匹配基礎試驗發現：壓氣機流量隨點火頻率的增加而增加，且基本呈線性關系；發動機工作在5～20Hz頻率范圍內，壓氣機所壓縮的空氣流量都大于PDC 所需的空氣流量，說明從發動機流量匹配來講，PDC 與渦輪及壓氣機三者可在20 Hz以下實現聯調；

（2）在低頻工作狀態（f=4Hz），PDC 與渦輪及壓氣機三者成功實現聯調運行，且發動機可長時間穩定連續工作，發動機熱效率為0.345，與等壓循環熱效率0.27相比具有優勢；

（3）發動機工作頻率提高到6Hz后，再繼續提高頻率，發動機出現工作不穩定現象，最后熄火停止工作。分析試驗數據發現爆震波反傳壓力和發動機進氣阻力是影響發動機工作頻率的兩個關鍵因素。爆震波反傳壓力具有極強的穿透力，且反傳壓力峰值隨著爆震頻率的增加而迅速增加。試驗結果表明反傳壓力波可一直反傳至壓氣機，最后從壓氣機進氣道擴散至外圍大氣，因此反傳壓力在很大程度上降低了壓氣機壓縮空氣的能力，進而影響發動機PDC 的填充時間；

（4）在現有發動機結構下，不可能繼續提高PDC與渦輪及壓氣機三者相互匹配的工作頻率，但對發動機進氣結構進行優化設計后，可在阻礙爆震壓力波反傳的同時減小發動機的進氣阻力，有望將發動機頻率提高至20Hz。

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