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基于主动冷却的脉冲爆震火箭发动机燃油加温实验研究

点击:1712 日期:[ 2014-04-26 21:39:39 ]
                基于主动冷却的脉冲爆震火箭发动机燃油加温实验研究                         涂洪妍,范玮,范珍涔,严传俊,秦红强                   (西北工业大学动力与能源学院,西安 710072)     摘 要:在不影响脉冲爆震火箭发动机(PDRE)正常工作的前提下,利用燃油来吸收发动机实验模型工作过程中产生的大量废热,使其主动冷却,更重要的是通过对燃油加温来改善雾化、蒸发和掺混质量,以使PDRE工作得更好。本文设计了五种不同尺寸的爆震管同轴管状换热器,通过实验比较了这些换热器实验件的换热效率,并选取了最高效的换热器用于更进一步的PDRE性能实验。实验结果表明,加有换热器的实验件能快速蒸发燃油,从而改善了燃油雾化和掺混效果并且能延长发动机的工作时间。     关键词:脉冲爆震火箭发动机;主动冷却;换热器;雾化和掺混;实验研究     中图分类号:V211·7    文献标识码:A     引言     自Hoffman于1940年提出了爆震燃烧推进的概念以来,对于利用爆震燃烧产生推力的推进系统的研究已经进行了六十多年,各个国家都取得了不同程度的进展。但要使这种新概念发动机用于航空、航天推进系统中,仍需突破许多关键技术,其中燃油的雾化、蒸发和快速混合问题就是一个亟待然解决的问题,因为蒸发液态油滴需要一定的时间,妨碍了发动机的性能。在最近美国空军实验室的脉冲爆震研究室的工作中,一套电加热的燃油加热系统得到应用,然而这套系统的大小和效率并不适合在未来的脉冲爆震火箭发动机(PDRE)中应用[1]。     在PDRE工作的过程中要产生大量的热,不仅无用甚至会使发动机过热而对其工作的寿命、稳定性等方面产生危害。本研究中,燃油在喷射进入发动机实验模型之前,先在其尾部表面进行物理吸热,吸收大量无用甚至有害的热量来加热燃油,使燃油能更好的雾化蒸发。本实验中,利用一个与脉冲爆震火箭发动机爆震管同轴的管状换热器,成功地对煤油进行加热并测量。实验表明,在PDRE的工作过程中利用废热能够成功地将煤油加热至沸点温度,实现气液共存的临界状态,而且实现闪蒸状态存在可能,同时显示了使用该结构对PDRE的性能有较大帮助。     1 实验装置和仪器     1·1 设备和发动机     脉冲爆震火箭发动机原理性实验模型装置由燃料供给系统、氧化剂供给系统、隔离气体供给系统、点火及频率控制系统、爆震管、温度测量系统、压力测量系统和数据采集系统等组成,如图1所示。                   实验模型的爆震管头部封闭,尾端敞口,由推力壁、混合段、起爆段、爆震室、换热段组成。爆震管内径为30mm,爆震管总长1·245m·实验采用液体煤油(C10H21)为燃料,氧气为氧化剂,氮气为隔离气体。煤油先经换热段加热升温,和氧气从头部轴向注入爆震室,在混合段内混合,由点火能量为50mJ火花塞点燃。混合段后的起爆段内壁装有Shchelkin螺旋作为湍流增强装置,以促进爆燃向爆震转变,缩短爆燃向爆震的转变(DDT)距离。爆震段上一共布有4个压力测点,用于判断爆震在何处形成。压力测点P1-P4分别距推力壁515mm、585mm、655mm和725mm,各压力测点均安装动态压电式压力传感器来测量爆震室内压力分布。在换热段燃油进出口处安装热电偶,实时测量经换热加温后的燃油温度变化。其中,我们采取从换热器下端作为燃油进口、上端作为燃油出口,同时选取燃油进口位于管壁末端,出口位于前端,因为在实际的带换热器爆震管实验中,沿管轴向位置存在一定的温度梯度,这样的选取可以更好地利用废热,如图2所示。                     1·2 换热器     在本文中制作了5个同轴的换热器管,内径大小均为30mm,环腔厚度分别为5mm和10mm,换热器管的长度和厚度都不一样,如表1所示。                     2·实验结果和分析     2·1 基础性稳态温度试验     在利用换热器对煤油进行加温的试验之前,从实验的安全性考虑,先进行基础性对水加温实验,以便于比较出每个换热器的换热效率。本文中换热器的换热效率ηh定义为:换热器中流体温度的变化量与所需时间之比,即ηh=ΔT/Δh。这些实验可为煤油加温实验选取合适高效的换热器结构。     基础实验中,换热器的环腔中充满水,其燃油入口处用堵头堵住,燃油出口则外敞,与环境大气接触形成自由液面,这是为了防止当环腔内的水过热汽化后造成环腔内压力过大。因此,在实验中,当水被加热到沸点温度时,部分液态的水变成水蒸气从出油口处溢出,对于此种结构下的水加温实验,环腔中的水最高只能被加热到其沸点温度,即373K。但是不同尺寸的换热器,水从常温加热到沸点温度的时间不同,通过测量该时间,能比较出不同换热器的换热效率。在这5组实验中,实验模型均能形成充分发展的爆震波,说明换热器的结构对发动机实验模型的正常工作无影响。而由于该基础实验中换热器中水的升温最高只能达到沸点,所以它们的温度变化是一样的,均为从室温(29℃)到沸点温度。但是由于尺寸不同,换热器达到同样升温所需的时间不同,由此可以比较出不同换热器的换热效率,如图3所示。换热器b在最短时间内达到了水的沸点温度,因此选用换热器b(300,5)作为进一步煤油加温实验的实验件。                     2·2 煤油加温实验     本文对于煤油加温系统进行了三个方面的实验。所有实验中,氧气和煤油的喷射压力分别为1·7MPa和0·5MPa,均在初始压力1atm,初始温度29℃下进行。第一方面的实验证实了使用换热器b,煤油能成功地被加热到200℃以上,而且随着实验的进行,煤油温度能持续地上升。第二方面的实验证实了在不使用燃油喷嘴的情况下,使用该结构仍能实现实验模型的成功起爆。第三方面的实验证实了该主动冷却加温结构能对实验模型工作时间的延长有很大帮助。     图4和图5分别给出了工作频率f=10Hz时换热器出口处的煤油升温曲线和发动机不同位置的压力波形。压力波形表明发动机的实际工作频率与实验设定的频率相一致。同时,在发动机不同位置的P1-P4处均形成了充分发展的爆震波,说明经煤油吸收废热不会影响发动机的正常工作。由温度曲线可看出,仅仅用时140s,煤油被加温到252℃,而且换热器出口处的煤油温度随着发动机工作时间的增加接近线性升高。但是在实验过程中,受限于爆震增强装置Schelkin螺旋的工作寿命和为了保护燃油电磁阀,发动机每工作10s需休息冷却一段时间,从而造成燃油温度在发动机工作间隙的回落。因此发动机持续工作的情况下,燃油由29℃被加温到252℃所需的时间是会少于140s的。在实验中,加温后的煤油要通过头部段的电磁阀来对发动机实验模型供给燃油,而电磁阀正常工作的极限温度为250℃,因此为了保护电磁阀,在煤油温度上升到252℃后即停止了工作,因而没有测得经换热达到稳态时的煤油温度。                     对于使用液态燃料的动力装置而言,燃烧反应是以气态进行的,即液态燃料必须蒸发成油蒸汽然后燃烧,而燃油喷嘴的作用便是实现燃油雾化从而使燃油蒸发并掺混。但理论上,煤油温度升高能够降低其粘性,从而提高其雾化效果及蒸发速率,并进而加快爆震的形成。所以为了对此进行验证,实验中用于燃油喷射的离心式喷嘴被取下以测定这种情况下使用该主动冷却加温系统能否实现起爆。图6给出了工作频率f为10Hz、12Hz和15Hz时发动机的压力波形(压力传感器测点距推力壁515mm)。压力波形表明,在三种工作频率下,在距推力壁515mm的P1位置,均得到了充分发展的爆震波,但是随着工作频率的增高压力稍有下降。说明经换热器对煤油加温后有利于实验件燃油的雾化、蒸发和掺混,且基本能取代燃油喷嘴的作用。                    最后一系列实验中,用于测定使用该主动冷却加温结构后实验件的极限工作时间。在脉冲爆震火箭发动机的实验研究中,爆震管中的Schelkin螺旋被用于缩短爆震的DDT距离,但是其工作寿命很短,极大地制约了发动机的工作时间。在以往带螺旋但未装换热器的实验中,实验模型的平均工作时间为6s。而在本系列实验中,工作时间均超过之前没有安装换热器时的实验,而且最长一次工作时间达到25·840s,是以往工作时间的4倍,如图7。这可能是因为一方面爆震管经冷却后工作寿命有所延长,同时另一方面煤油经加温后其粘性有所降低,从而提高了雾化效果及蒸发速率,因而在经过喷射后与氧气的混合更均匀,从而使得在Schelkin螺旋处的燃烧更均匀,且减少了大液珠附着在螺旋上而造成的受热不均情况,因此使得工作时间加长。                     3·结论     (1)加有换热管的PDRE能对燃油进行加温并且不影响爆震的成功产生;     (2)在不使用燃油喷嘴的情况下,使用该结构能实现爆震管的成功起爆,说明该结构能改进燃油的雾化蒸发和掺混性能;     (3)使用该结构的实验件的稳定工作状态持续时间超过了以往任何实验中PDRE的工作时间,增幅达400%。 参考文献 [1] Christen L·Miser and Paul I·King·PDE Flash VaporizationSystem  for Hydrocarbon Fuel Using Thrust Tube Waste Heat[C]·Joint Propulsion  Conference, 2005 [2]李强,范玮等·脉冲爆震火箭发动机模型实验研究[J]·西北工业大学学报,2005,23(5):549-552 [3]范玮,严传俊等·脉冲爆震火箭发动机试验[J]·推进技术,2006,(05):385-389 [4]范玮,严传俊,李强等·模型脉冲爆震火箭发动机可爆范围的实验研究[J]·航空学报,2006, 27(5):737-741. [5]张群,严传俊,范玮等·煤油温度对于爆震波形成影响的实验研究[J]·宇航学报,2006,27(4):771-774· 作者简介:涂洪妍(1985-)女,硕士研究生。主要研究方向:脉冲爆震火箭发动机。(编辑:吉国明)
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