基于TDLAS技術結合多普勒測速的脈沖爆轟發動機沖量測試

呂曉靜 李寧 徐恩華 高軼群

摘 要：基于吸收光譜技術結合多普勒測速方法搭建測試系統分別對脈沖爆轟發動機管口處燃氣溫度和速度進行了實驗監測，并根據動量原理計算沖量，實現了脈沖爆轟發動機沖量的間接測量；對發動機沖量特性進行了研究，獲得了發動機單個工作循環過程中燃氣排放參數如燃氣密度、沖量及排氣質量等參數的變化情況，為脈沖爆轟發動機的設計和運行控制優化提供寶貴的參考數據。

關鍵詞：吸收光譜；沖量；脈沖爆轟發動機；燃氣

1 緒論

脈沖爆轟發動機（PDE）工作中燃氣溫度速度變化劇烈，通過常規接觸式的電子傳感器無法測量獲得沖量的動態變化情況，無法揭示非穩態燃氣射流對PDE推力的貢獻，而燃氣射流特性的獲取可為發動機噴管的設計提供可靠佐證[1，2]。

激光吸收光譜技術（TDLAS）作為一種非接觸式氣體測量手段，能夠通過測量氣體對激光的吸收度來獲取PDE工作過程中管口處燃氣溫度及速度。直噴管或無噴管PDE產生的沖量可以分為兩部分，分別是燃氣射流沖量和出口處反向作用力引起的沖量。[3]由此，燃氣沖量可通過測量PDE管口燃氣溫度和燃氣射流速度計算間接得到。燃氣溫度可直接由雙譜線測試法獲得，燃氣射流速度可由多普勒光譜測試原理獲取。[5]

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本文基于TDLAS技術，同時結合多普勒測速原理分別搭建測試系統測得燃氣溫度與速度，并根據動量原理計算燃氣射流沖量和出口反向作用力沖量獲取了PDE沖量變化情況。

2 PDE燃氣溫度及速度測試

圖1給出了PDE管口燃氣溫度測試系統與速度測試系統。測試光路L1以及交叉光路L2、L3交叉處與管口垂直距離均為1cm，L2、L3交叉光路夾角為45°。

在PDE燃氣溫度與速度測試實驗中，工況保持一致。激光器溫度控制為291.7K，信號發生器設為50kHz鋸齒波，數采系統的采樣頻率設置為20M。

3 PDE燃氣沖量計算與分析

根據由圖 1所示系統測量得到的燃氣溫度與速度技術結果，采用氣體狀態方程式計算爆轟管出口處的燃氣密度，結果如圖2所示。

實驗開始時，爆轟波的產生使燃氣密度達到最大值，隨后迅速降低；在高溫高速燃氣噴射階段，管內燃氣膨脹有所減低，密度開始逐漸增大；爆轟波到達20ms后，燃氣密度有下降的趨勢，主要是受緩燃效應的影響，之后隨著新鮮燃料氧化劑的填充，燃氣密度再次緩慢爬升至填充氣體密度。

PDE單個工作循環中燃氣沖量情況，結果由圖3給出。Iu和Ip分別表示燃氣射流沖量和爆轟管出口處反向作用力引起的沖量，It為總沖量。在整個工作循環中，反向作用力引起的沖量為0.36 N·s，而燃氣射流沖量為1.52 N·s，PDE燃氣產生所產生的的總沖量It為1.88N·s。爆轟波后，燃氣受膨脹作用影響速度很高，燃氣密度也比較大，由此，燃氣射流沖量在很短時間內得到迅速提高，達到了1ms時刻的0.7 N·s，2ms時刻的0.75 N·s。在之后的8ms時間段內，燃氣射流僅產生了0.35 N·s，在10～20ms時間段內，燃氣射流產生的沖量更低，僅為0.2 N·s。

PDE沖量產生劃分了三個階段，分別為第一階段：爆轟附著膨脹階段、第二階段：壅塞膨脹階段和第三階段：膨脹減弱階段。0～1ms時間段內為第一階段爆轟附著膨脹，在該時間段內PDE產生的沖量占總沖量的53.1%，燃氣射流沖量占69.8%；第二階段出現在1～12ms時間段內，該階段產生的沖量占總沖量的27.9%；而在第三階段12～20ms，燃氣膨脹階段僅產生了6.7%的沖量。根據圖4我們可以知道在20ms后PDE管內發生了緩燃效應，之后一段時間內燃氣沖量曲線繼續上升，表明緩燃階段亦有沖量產生。該階段產生的沖量為0.25 N·s，對PDE總沖量的貢獻為12.3%。緩該階段產生的沖量遠低于第一、二階段，但高于第三階段。

對PDE燃氣排放質量進行計算，結果如圖4所示。三個階段產生的燃氣排放質量分別為爆轟附著膨脹階段的3.08g、壅塞膨脹階段的5.34g和膨脹減弱階段的2.90g，而緩燃效應產生的燃氣排放質量達到6.8g，為各階段最高。但緩燃效應產生的沖量最低，表明該段效率遠低于第一、二階段。除此之外，緩燃效應的發生還將延長填充進程時間，導致燃料的浪費。

4 結論

基于TDLAS技術，同時結合多普勒測速原理分別搭建測試系統測得燃氣溫度與速度，并根據動量原理計算獲取了PDE沖量變化情況。分析了PDE沖量產生的各個階段的貢獻，其中，爆轟附著膨脹階段貢獻的沖量占53.1%，燃氣排放質量僅為3.08g，效率最高；緩燃效應產生的燃氣排放質量為6.8g，貢獻沖量僅為12.3%，效率遠低于其他階段。

參考文獻：

[1]李旭東，王春，姜宗林.噴管對脈沖爆轟發動機性能的影響[J].力學學報，2011，43（1）：1.10.

[2]王研艷，翁春生.兩相脈沖爆轟發動機尾噴管的實驗研究[J].推進技術，2014，35（2）：282.288.

[3]胡洪波.脈沖爆轟發動機中汽油基凝膠燃料爆轟特性研究[D].南京理工大學，2014.

[4]呂曉靜，李寧，翁春生.基于雙光路吸收光譜技術的氣液兩相爆轟燃氣診斷技術研究[J].光譜學與光譜分析，2014，34（3）：582.586.

[5]HU HONG.BO，WENG CHUN.SHENG，LV XIAO.JING，et al.Analysis on Impulse Characteristics of PDRE with Exhaust Measurements[J].International Journal of Turbo & Jet.Engines.2014，31（2）：97.103.

基金項目：廣東省大學生科技創新培育專項資金（pdjhb0693）

作者簡介：呂曉靜（1987.），女，博士，講師，主要研究方向：激光測試方法在燃燒場測試中的應用，航空發動機檢測技術。