凹腔燃烧室对旋转爆震波传播模态和燃烧室推力性能的影响_王致程.pdf
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1、文章编号:1000-8055(2023)06-1306-10doi:10.13224/ki.jasp.20220947凹腔燃烧室对旋转爆震波传播模态和燃烧室推力性能的影响王致程1,严宇1,王可2,范玮2,杨宝娥1,胡洪波1,赵明皓2(1.中国航天科技集团有限公司西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室,西安710100;2.西北工业大学动力与能源学院,西安710072)摘要:为研究凹腔燃烧室对旋转爆震波模态和燃烧室推进性能的影响,分别基于凹腔燃烧室、宽度19mm 和宽度 15mm 的环形燃烧室,以乙烯和富氧空气为推进剂,氧化剂流量范围为 50200g/s,当量比为0.8,在未安装和安装塞
2、式喷管条件下开展了对比实验。未安装塞式喷管条件下,凹腔燃烧室和环形燃烧室中均得到了双波对撞模态和单波模态,且分布规律基本相同,但凹腔燃烧室中旋转爆震波的传播速度明显高于环形燃烧室,推进剂供给流量越低趋势越明显,说明凹腔结构可以改善推进剂的混合效果,减小爆震波的速度亏损。安装塞式喷管后,爆震波的传播模态发生了变化,不同燃烧室构型中得到了缓燃模态、双波对撞模态、四波对撞模态、单波模态和双波模态。凹腔燃烧室中爆震波以单波或双波模态稳定传播的工况范围较宽,爆震波速度亏损更小,环形燃烧室中爆震波稳定传播的工况范围较窄,主要以双波对撞或者四波对撞模态传播。最后,对比不同燃烧室条件下的混合物比冲发现,凹腔燃
3、烧室的混合物比冲低于环形燃烧室,与宽度为 15mm 的环形燃烧室相比比冲下降了约 10%,与宽度为 19mm 的环形燃烧室相比比冲平均下降了约7%。上述研究表明凹腔燃烧室有利于旋转爆震波的稳定传播,减小爆震波的速度亏损,但凹腔结构会降低燃烧室的推进性能。关键词:旋转爆震波;凹腔燃烧室;环形燃烧室;传播模态;传播速度;比冲中图分类号:V231.2文献标志码:AEffectofthecavitycombustoronthepropagationmodesofrotatingdetonationsandpropulsionperformanceWANGZhicheng1,YANYu1,WANGKe2
4、,FANWei2,YANGBaoe1,HUHongbo1,ZHAOMinghao2(1.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonLiquidRocketEngines,XianAerospacePropulsionInstitute,ChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation,Xian710100,China;2.SchoolofPowerandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian710072,China)Abstract:Toinvest
5、igatetheeffectofthecavitycombustoronthepropagationmodesofrotatingdetonationwavesandpropulsionperformance,experimentalstudywasperformedinalaboratory-scalerotatingdetonationcombustorutilizingdifferentcombustorconfigurationsincludingacavitycombustor,twoannularcombustorswiththecombustorwidthof19mmand15m
6、m,respectively.Ethyleneand收稿日期:2022-12-10基金项目:陕西省自然科学基础研究计划(2022JQ-490);重点实验室基金(HTKJ2022KL011002);国家自然科学基金委员会面上项目(52076181)作者简介:王致程(1990),男,工程师,博士,主要从事爆震发动机的基础与应用研究。E-mail:引用格式:王致程,严宇,王可,等.凹腔燃烧室对旋转爆震波传播模态和燃烧室推力性能的影响J.航空动力学报,2023,38(6):1306-1315.WANGZhicheng,YANYu,WANGKe,etal.Effectofthecavitycombust
7、oronthepropagationmodesofrotatingdetonationsandpropul-sionperformanceJ.JournalofAerospacePower,2023,38(6):1306-1315.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023oxygen-enrichedairwasusedaspropellants.Themassflowrateofoxidizervariedfrom50g/sto200g/sandtheequivalenceratiowasfixedat0.8.
8、Theexperimentshavebeenconductedinthecombustorwithandwithoutinstallingtheaerospikenozzles,respectively.Forthecombustorwithoutinstallingthenozzle,thedual-wavecollisionmodeandthesingledetonationmodewereobtainedandthemassflowraterangesof different modes were identicalfor different combustors.For the cav
9、ity combustor,the propagationvelocitywasfasterthanthevaluesmeasuredfromtheannularcombustors,especiallyatlowermassflowrate.This phenomenon indicated that more homogeneous mixtures were produced and lower velocitydeficitwereobtainedinthecavitycombustor.Asthecombustorsinstallingwiththeaerospikenozzles,
10、differentpropagationmodeswereobserved,includingdeflagrationmode,dual-wavecollision,quad-wavecollision,singledetonationmodeanddualwavemode.Thestableco-rotatingdetonationswereeasilyobtainedwithawiderangeofmassflowrateinthecavitycombustor,whilethedetonationcounter-rotating detonations were easily acqui
11、red at the same operation conditions.Finally,it was found thatspecific impulse calculated from the cavity combustor decreased by 10%compared with the annularcombustorofwidth15mm,andby7%comparedwiththeannularoneofwidth19mm,respectively.Insummary,thecavitycombustorwasbeneficialforpromotingthestability
12、andreducingthevelocitydeficitofrotatingdetonations,butthisconfigurationwasadverseforthepropulsionperformance.Keywords:rotatingdetonationwaves;cavitycombustor;annularcombustor;propagationmode;propagationvelocity;specificimpulse基于爆震燃烧方式的旋转爆震发动机(rotat-ingdetonationengine,RDE)具有结构简单、热循环效率高和体积小等潜在优势1,应用前
13、景非常广阔,引起了国内外研究者的广泛关注。近年来包括国防科技大学、清华大学、北京大学、西北工业大学、南京理工大学、美国空军实验室、俄罗斯拉夫连季耶夫流体力学院(LIH)和日本名古屋大学等国内外多家研究机构相继开展了 RDE的基础研究2-6,以及 RDE 在火箭发动机、冲压发动机和航空发动机领域的应用研究工作7-9。RDE 通常采用由外环和内柱组成的环形燃烧室结构。针对环形燃烧室结构,Bykovskii等人10发现爆震波个数与可燃混合物填充高度有关,提出了环形燃烧室中维持爆震波传播的临界条件,即燃烧室宽度不小于/2,燃烧室直径不小于 40等,为爆震波的胞格尺寸。爆震波锋面由大量的三波点结构(入射
14、激波、横波和马赫干的交点)组成,爆震波传播时三波点的运动轨迹形成了菱形的胞格结构,单个胞格的宽度定义为胞格尺寸,胞格尺寸越小,代表反应物的可爆性越好,也就更有利于爆震波的稳定传播。随后 George等人11以氢气和空气为反应物,验证了旋转爆震波传播的最小燃烧室宽度和最小爆震波高度。为了分析燃烧室内的爆震波结构和传播状态,Rankin等人12通过平面激光诱导荧光、红外成像、化学自发光等光学诊断手段,在实验中获得了燃烧室内的流场结构、爆震波高度、化学反应区宽度等关键信息。Zhou 等人13开展了三维数值计算研究,详细分析了燃烧室内的压力、温度和马赫数等参数的分布,同时也分析了不同燃烧室宽度对旋转爆
15、震波结构的影响,发现随燃烧室宽度增大,爆震波在燃烧室内柱和外环之间的峰值压力差异越明显。Kawasaki等人14对比了无内柱燃烧室和不同宽度环形燃烧室的推进性能,发现无内柱燃烧室的推力和比冲小于环形燃烧室,并且环形燃烧室的燃烧室宽度越小,比冲越高。Zhang 和Wang 等人15-16通过实验研究表明,环形燃烧室宽度会影响旋转爆震波的传播模态,增大燃烧室宽度更有利于旋转爆震波的稳定传播,且爆震波传播速度更快。上述研究分析了环形燃烧室内流场分布和旋转爆震波波系结构,基本理清了燃烧室宽度对爆震波传播模态和燃烧室推进性能的影响规律。已有实验结果表明宽度较小的环形燃烧室不利于旋转爆震波的稳定传播,爆震
16、波的速度亏损更加明显,尤其以乙烯/常温空气或甲烷/常温空气为推进剂时17-18,环形燃烧室中难以维持旋转爆震波的稳定传播。为了改善燃烧室内燃料和氧化剂的混合效果,实现旋转爆震波的稳定传播,Peng 和 Liu等人19-22设计了凹腔型旋转爆震燃烧室,发现凹腔燃烧室内旋转爆震波存在锯齿波、单波或同向双波、双第6期王致程等:凹腔燃烧室对旋转爆震波传播模态和燃烧室推力性能的影响1307波对撞等不同传播模态,并围绕不同的凹腔结构参数开展了实验研究工作。研究表明适当增大凹腔深度(小于 15mm 时)有利于旋转爆震波的稳定传播;但当凹腔深度增大至 15mm 时,燃烧室内出现了锯齿波传播模态;当燃烧室宽度继
17、续增加时,爆震波无法稳定传播变为缓燃模态。同时,凹腔的轴向位置同样会影响旋转爆震波的传播模态,当凹腔的轴向位置小于 20mm时,燃烧波均以同向模态传播。当凹腔的轴向位置大于 40mm时,燃烧波均以双波对撞模态传播。此外,Meng等人23将凹腔结构应用于冲压旋转爆震燃烧室,在来流马赫数为 4、总温为 860K 条件下通过实验成功实现了煤油/空气旋转爆震波的稳定传播。上述研究证明了凹腔燃烧室结构能够改善燃料和氧化剂的混合效果,有利于旋转爆震波的稳定传播,同时分析了凹腔结构参数对旋转爆震波传播特性的影响规律。为了实现气体的理想膨胀,提高发动机的推进性能,燃烧室出口需安装尾喷管,采用环形或凹腔燃烧室时
18、,通常选取与之结构匹配性好的塞式喷管结构。安装塞式喷管后,由于喉道面积的减小和燃烧室室压升高,会改变燃烧室的流场特征以及旋转爆震波的传播特性。Frolov 等人24的研究表明,减小燃烧室的出口喉道尺寸比会增加旋转爆震波的个数。林伟等人25同样对比了未安装喷管和安装塞式喷管的实验工况,发现未安装喷管的燃烧室中为单波模态,安装塞式喷管后燃烧室中为双波模态。彭皓阳等人26的研究表明,当喷管喉道面积较小时,爆震波稳定传播的工况范围减小,且贫油极限附近会出现锯齿波模态。从现有研究来看,围绕环形燃烧室和凹腔燃烧室均开展了较多的实验研究工作,分析了环形燃烧室宽度、凹腔燃烧室的凹腔深度和凹腔轴向位置等参数对旋
19、转爆震波传播模态的影响,阐明了凹腔燃烧室有利于旋转爆震波的稳定传播,但上述研究中主要围绕一种燃烧室构型,缺少环形燃烧室和凹腔燃烧室之间的相互对比研究,不同燃烧室构型对于旋转爆震波传播模态的影响规律有待进一步进行研究。另一方面,喷管结构会改变旋转爆震波的传播特性,安装喷管后凹腔燃烧室是否仍有利于旋转爆震波的稳定传播,也需要通过实验进行分析。此外,目前凹腔燃烧室的文献中缺少针对推进性能的研究工作,该结构在改善旋转爆震波稳定传播特性的同时,能否提高燃烧室的推进性能仍需进行验证。本文采用乙烯和氧气体积分数为 50%的富氧空气为推进剂,分别基于环型和凹腔燃烧室,在未安装塞式喷管和安装塞式喷管两种状态下开
20、展了实验研究,分析了不同燃烧室结构对旋转爆震波传播模态和燃烧室推进性能的影响,为 RDE燃烧室的优化设计提供了重要参考。1实验装置1.1燃烧室结构本研究采用的燃烧室结构如图 1 所示,氧化剂和燃料分别采用环缝和喷孔喷注的方式,氧化剂环缝的喉道宽度为 0.5mm,乙烯通过沿周向均布的 100个直径为 0.6mm的喷孔供给到燃烧室,喷孔与燃烧室轴线方向的夹角为 60。实验分别采用了凹腔燃烧室和环形燃烧室两种构型,不同燃烧室构型的外径和长度均相同,分别为 72mm和 75mm。凹腔燃烧室中的凹腔长度和宽度分别为 35mm 和 19mm,凹腔后掠角为 45,燃烧室出口的宽度为 15mm。同时采用宽度为
21、 19mm 和15mm 的环形燃烧室与凹腔燃烧室进行对比,分别与凹腔宽度和凹腔燃烧室出口宽度相同。部分工况下,燃烧室出口安装了塞式喷管,喷管总长为 102mm,喉道宽度为 4.7mm,喉道面积约为835mm2,具体的喷管型面设计方法参考文献 27。燃烧室采用预爆管作为点火起爆装置,预爆管沿燃烧室切向进行安装,预爆管直径为 6mm。RDE 燃烧室的燃料和氧化剂分别为乙烯和CombustorNozzle75102OxidizerC2H415154.7Douter=72(a)安装塞式喷管的燃烧室结构(b)凹腔燃烧室和环形燃烧室尺寸191519153513500-0.6图1凹腔燃烧室和环形燃烧室结构示
22、意图(单位:mm)Fig.1Schematicofthecavitycombustorandannularcombustor(unit:mm)1308航空动力学报第38卷氧气体积分数为 50%的富氧空气。氧化剂采用富氧空气的原因在于本研究采用的燃烧室外径仅为 72mm,当燃烧室尺寸较小时,环形燃烧室中采用空气和乙烯无法产生稳定传播的旋转爆震波。预爆管中的燃料和氧化剂分别为乙烯和氧气,为了保证燃料和氧化剂的稳定供给,实验期间的气源压力均大于 7MPa。同时,氮气作为吹除气体,每次爆震波熄灭后将燃烧室内残余的已燃气体以及未燃的氧化剂和乙烯排出燃烧室。实验中通过自动控制系统和电磁阀等保证不同气体的供
23、给时序和点火时序,通过高频采集系统(采集频率为200kHz)采集了不同传感器的实验数据。1.2实验数据采集实验中通过压阻式传感器(KELLERPA-21Y,测量精度为0.025MPa)分别监测了乙烯和富氧空气的供给压力。通过燃烧室外环布置的 4个压电式压力传感器(CY-YD-205,自振频率200kHz)P1P4 监测了燃烧波的压力,压电式传感器的安装位置,如图 2 所示。在热射流管出口处布置了两个压电式压力传感器 Pre1 和 Pre2,监测热射流管出口是否形成了爆震波。通过压电式推力传感器(测力范围为2020kN,灵敏度为3.7pC/N)测量了 RDE燃烧室的推力,推力测量系统和测量方法参
24、考已发表文献 27。此外,通过两台层流质量流量计(测量范围为 0300g/s,测量精度为1.5g/s)分别监测了氧化剂和乙烯的供给流量。不同工况下,乙烯的供给流量为 725g/s,氧化剂的供给流量为 50200g/s,当量比为 0.80.05。2结果分析与讨论2.1未安装喷管未安装喷管的凹腔燃烧室中,当氧化剂流量为 48.5g/s 时,实验中测得的压力波形如图 3(a)所示,压力传感器 P1 测得的相邻压力峰值中间均对应传感器 P2 测得的两个压力峰值,且压力传感器 P2 测得的压力峰值明显较低,这是典型双波对撞模态的压力波形。该模态下燃烧室内存在两个沿相反方向传播的爆震波,如图 3(b)所示
25、,在对撞点发生碰撞,对撞点附近压力较高。当两个爆(a)(b)P2P3P1、P41206030P2P3P1P42030InjectorCombustor13图2传感器安装位置示意图(单位:mm)Fig.2Schematicofthemountingpositionsofpressuretransducers(unit:mm)0.5250.3260.1270.1280.32930Pressure/MPaTime/msP1P2(a)双波对撞的压力波形Top collisionpointP1P2DetonationwaveBottom collisionpoint(b)双波对撞传播过程图3凹腔燃烧室中
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