直径对脉冲爆震发动机性能的影响

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直径对脉冲爆震发动机性能的影响
1引 言
脉冲爆震发动机(PDE)是一种利用脉冲式爆震
波产生推力的新概念发动机。与涡扇发动机或火jian
发动机不同，脉冲爆震发动机中的燃烧过程是非稳
态的爆震燃烧，整个工作过程是间歇的，周期性的，
因而产生的推力是脉动的。脉冲爆震发动机的上述
工作特点决定了它的性能估算方法与普遥的涡扇发
动机不同，衡量脉冲爆震发动机性能的主要指标包
括推力和比冲。目前，PDE推力的测量大致有四种
方法【 】：一种是采用应变式推力传感器对模型PDE
的推力进行直接测量；另一种是采用加速度传感器
测得PDE的加速度，然后通过计算求出推力，第三
种是在PDE推力壁处放置一压力传感器测出此处
的压力尸3，然后根据推力壁压力原理计算求出推
力，第四种是测量模型PDE的相对偏穆量，再根据
摆动原理计算求出推力。本文在两种不同管径的模
型PDE上采用摆动原理对PDE的比冲和平均推力
进行了测量，并根据作用在推力壁上的压力计算出
了它们的理论值和实验值，两种方法的结果基本吻
合。同时根据上述实验的结果分析了PDE的直径对
其性能的影响作用(见图1)。
图1 悬挂的脉冲爆震发动机试验器
2推力、比冲公式
2．1 擂砖原理
如图2所示，实验时，模型爆震室获得的冲量
为：
I=My (1)
其中M 为爆震室的总重， =v 为因高温燃气
作用在推力壁上而使爆震室获得的初速度，不难得
出h=Lp【1一√r= i同，则初速度：
于是爆震室的冲量为：
以混合物质量为基础的比冲为：
而 一poV— I I g
(3)
其中m为可爆混气的质量，舶为可爆混气的密度，
为爆震室容积。
将式(4)代入式(5)，当 《L 时，有：
=
Mg(9 )一l／。 (5)
平均推力：
= M
图2 摆动轨迹
置
2．2 推力壁压力原理【
以混合物质量为基础的比冲：
=
K(P K-Po) (7)
其中PJr=( )。 ／( 一)PcJ(PJr为推力壁上压力
马的时间平均值)，舶为可爆混气的密度，c J为
C—J爆震波速度， K 为经验常数，一般取5．2，冲
吾．
一
』：K(P
，
K -Po)V (8)
平均推力：
：
K(P
．
K
．
- Po)V
,f (9)
3 试验装置
两相脉冲爆震发动机原理性试验模型装置示意
图如图3所示，由供油、供气系统，爆震点火及频率
控制系统，混合室，爆震室，压力测量系统以及数据
采集系统等组成。两种尺寸的试验器分别由内径3o
1T,．m、56 mⅡl的钢管加工而成．爆震室(包括混合室)
的头部封闭，尾端敞口。其中爆震室长1．80 m，混
合室长0．20 m。在混合室出口处安装火花塞，由频
率在1 100 Hz范围内连续可调的爆震点火及频率
控制系统控制起爆。实验采用汽油为燃料，压缩空气
为氧化刺．供气、供油由相应的调节阀门控制，供油
量由浮子流量计测定，供气量由涡街流量计测定．在
位置1和位置2处放置了压力传感器来测量爆震室
内的压力， 由位置1与位置2之间的距离AX和同
一爆震波在位置1与位置2的压力达到峰值之间的
时间差△t可求得平均爆震波速。在混合室头部'供
油系统采用直射式喷嘴，空气采用切向进气方式，
这有利于燃料的雾化及与空气的掺混．试验器由两
根长为0．2 m的钢丝悬挂，试验器上固定指针，台架
上固定标尺，试验器的摆动量即指针在标尺上的相
对偏移量

2 期 张群等 直径对脉冲爆震发动机性能的影响
图3 原理性试验模型装置示意图
4实验结果与分析
实验分别测量了余气系数d=1．0和a=1．2，
频率f=6 Hz的爆震波压力，爆震波速度及试验器
的摆动量，并由此计算出了比冲和平均推力。图4是
在内径d=30 n％in的试验器上，余气系数a=1．0，
频率f=6 Hz的爆震波压力波形图，从图中可见，
爆震波平均峰值压力在15 x i0 Pa左右，说明已经
形成了爆震。图5是在内径d= 56mm 的试验器
上，余气系数d=1．0，频率f=6Hz爆震渡压力波
形图，从图中可见，爆震波平均峰值压力在14 x i0
Pa左右，也已经形成了爆震 由图4、图5可以看
出，两种工况的爆震波平均峰值压力接近，爆震室
中压力分布曲线形状也是相似的，也就是说，在一
定条件下，爆震室中的流动是自相似的
表l和表2分别计算出了余气系数a=1．0，
a=1．2时的冲量，比冲和平均推力值，从表中可以
＆
=
1 0 f．6 l l l
I I l l l
J I l I l
I J Lj I
厂 — r； r
【 。I
J J
l l
0 0 0 2 0．4 0 6 0 8 i．0
起点：-0 0819 s ,／s
图4 爆震波压力波形图(内径d=3 cⅡ-)
量
a=1．0 ff=6 Hz l
1 ． 1 l 1 l
二=卜 二卜 一 I J 一 ，Jl
l L
l
l
f [
0．0 0 2 0．4 0 6 0 8 i．0
起点：一0．0819 s ,／s
图5 爆震波压力波形图(内径d 5．6 )
看出：在两种不同内径的试验器内，在同一余气系数
下，比冲的理论值相同，实验值也基本相等，这是因
为爆震室内的爆震燃烧具有自相似性，因而比冲只
与G—l，爆震的特性有关，而与爆震室直径无关。
从表中的实验结果也可看出，平均推力与爆震室的
容积成正比，因而当爆震室长度一定时，可以通过
增大爆震室直径来提高发动机的推力。在利用推力
壁上的压力计算比冲和推力时， 由于爆震具有随机
表1 a=1,0的比冲和平均推力值
弛¨ ¨

工程热物理学报 23卷
性，因而每次爆震的峰值压力不严格相等，但多次
爆震的平均峰值压力是基本相等的，所以本文采用
平均峰值压力进行计算，此外，由于在实验中燃料
的雾化、蒸发、混合不完全，因而导致实厨 测得的爆
震波峰值压力比理论值略小。表中，采用摆动原理测
得的冲量比采用推力壁压力原理测得的冲量略小，
这是由于采用推力壁压力原理泓得的值没有计入新
鲜混气充入时带入的反向冲量，且采用摆动原理进
行测量时，存在摩擦力等阻尼作用，因而计算出的
神量、推力略小。
5结 论
(1)当爆震室长度一定时，随着爆震室直径的增
大，平均推力增大。
(2)随着模型爆震室直径的增大，比冲基本不
变．因而可以利用在较小尺寸(大于临界直径)模型
PDE上的实验结果，应用尺寸律，对较大尺寸模型
PDE的性能进行推断．
(3)用摆动原理测得的冲量、比神和平均推力与
理论值基本吻合。
(4)当模型爆震室的直径增大时，爆震波压力形
相似，平均峰值压力接近。