燃烧丨南理工：连续旋转爆轰发动机富氢燃气旋转爆轰波传播特性实验研究

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摘要

本文通过实验研究了富氢燃气旋转爆轰波的传播特性，发现当量比和空气流量对其传播模态和传播速度有显著影响。富氢燃气旋转爆轰波的研究对连续旋转爆轰发动机具有重要意义，有助于推动其在航空航天推进领域的应用。实验系统包括燃料供给、原理样机、控制系统和数据采集等部分，为后续深入研究提供了基础。本文研究结果可为涡轮基旋转爆轰发动机的研究提供指导。

正文

为研究富氢燃气旋转爆轰波传播特性，利用氢气与氧气预燃烧产生的富氢燃气作为燃料，空气为氧化剂，开展了旋转爆轰实验研究。对富氢燃气旋转爆轰压力变化、时频特性及传播速度等参数进行了分析，研究了不同传播模态下富氢燃气旋转爆轰波传播特性。研究表明：本文实验条件下，富氢燃气与空气旋转爆轰的传播模态主要受当量比影响，当量比高于1.06时呈现单波模态，随着当量比减小，旋转爆轰波呈现单波-双波过渡模态，即同一工况下，单波模态和双波模态交替出现，当量比减小到0.68左右时，基本呈现复杂的双波模态；在270g/s的空气流量下，当量比增大，旋转爆轰波在环形燃烧室内的传播速度随之提高，但当量比到达临界点以后，传播速度提高不明显；在相同当量比下，当空气流量增大到370g/s时，旋转爆轰波的传播速度会进一步提高；空气流量越大，临界点对应的当量比越低，其中270g/s空气流量对应临界当量比为1.32,370g/s空气流量对应临界当量比1.16；达到临界当量比以后，传播速度受当量比和空气流量影响不大。

相比爆燃燃烧，爆轰燃烧熵增小、能量释放速率快、热力循环效率高，基于爆轰燃烧的新型发动机的研究受到国内外学者广泛关注。其中，连续旋转爆轰发动机（Continuous Rotating Detonation Engine,CRDE）在工程应用中优势更加明显，它仅需一次点火起爆，燃烧室内便能形成持续的旋转爆轰波。CRDE同时具有自增压、低压比下有效推力大、工作范围宽、结构紧凑等特点，成为航空航天推进领域研究的热点。

由于氢气活性高，容易起爆，国内外对氢气连续旋转爆轰波形成、传播机理及其影响因素等基本规律开展了大量研究，为连续旋转爆轰发动机的性能分析和工程应用奠定了基础。数值研究方面，Saracoglu等对多波的传播过程进行了数值模拟，观察到氢气空气混合物从爆燃到爆轰的转变过程，分析了单波模态和双波模态下的特点。孟豪龙等在氢气与空气连续旋转爆轰数值模拟中，展示了环形燃烧室内详细的三维流场结构，总结了燃烧室头部激波的传播特性。Xia等、金杉等揭示了连续旋转爆轰波形成到稳定传播的规律以及传播模态和传播方向转变的机理。实验研究方面，Wang等研究了不同当量比、流量和来流条件等情况下，连续旋转爆轰波数目、传播方向和爆轰波强度的变化。Xia等进一步揭示了氢气空气旋转爆轰发动机在稳定工作模态下的平面径向流场结构，分析了喷注条件对CRDE稳定工作范围的影响。除氢气之外，连续旋转爆轰研究还涉及多种气态燃料以及液态燃料的旋转爆轰，且在一定条件下都实现了稳定的连续旋转爆轰波，并得出了不同条件下连续旋转爆轰波的传播特性。

若组织燃料和氧化剂进行低混合比燃烧，燃烧生成的高温气体则富含可燃物，即富燃燃气。采用富燃燃气作为燃料，在推进领域有诸多应用。在氢氧液体火箭发动机中，预燃室产生的高温高压富氢燃气被用于推动氢氧高压涡轮做功，做功后的富氢燃气进入推力室补燃。同样地，对于涡轮基组合的旋转爆轰发动机，涡轮带动空气压缩机工作，推动涡轮做功后的富燃燃气与压缩空气混合形成旋转爆轰产生推力。

基于这种工作方式的组合发动机是连续旋转爆轰发动机的一个重要研究方向。研究富燃燃气/空气混合物旋转爆轰的特性是实现涡轮基旋转爆轰发动机的基础，但目前相关机理的研究缺乏。胡洪波等对煤油富燃燃气与富氧空气的旋转爆轰过程进行了实验研究，初步探索出了煤油富燃燃气旋转爆轰传播速度的变化规律和工作范围，实验发现煤油富燃燃气与空气起爆仍然存在一定难度。富氢燃气具有较高的活性，其与空气的混合物容易实现旋转爆轰。研究富氢燃气旋转爆轰的传播特性对掌握富燃燃气旋转爆轰传播机理、燃烧室内的燃烧与流动特性、爆轰波与结构部件之间的相互影响等具有科学及工程上的意义。

旋转爆轰涡轮组合发动机是旋转爆轰技术工程应用研究的一个重要方向，加力燃烧室方案是实现涡轮发动机匹配旋转爆轰燃烧的一个重要途径，研究高温富氢燃气旋转爆轰有助于指导涡轮进出口参数设计调整和加力燃烧室构型改进优化，促使组合发动机协调统一，因此开展富氢燃气旋转爆轰研究具有重要意义。为探究富氢燃气旋转爆轰波传播特性，本文将氢气与氧气预燃烧产生的富氢燃气作为燃料，开展对富氢燃气与空气旋转爆轰传播特性的实验研究，分析了不同传播模态下旋转爆轰波的传播过程和稳定性，总结了当量比、空气流量等条件对旋转爆轰波传播特性的影响，研究结果有助于推动以富燃燃气为燃料的连续旋转爆轰的研究进展。

本文采用的富氢燃气连续旋转爆轰发动机实验系统如图1所示，主要包括燃料及氧化剂供给系统、集成预燃室的连续旋转爆轰发动机原理样机、控制系统、数据采集系统等。连续旋转爆轰发动机原理样机主要由预燃室、富燃燃气腔、空气腔和爆轰燃烧室等四部分构成，预燃室与富燃燃气腔之间设置有扰流环；富燃燃气腔与空气腔相互独立，富氢燃气与空气在爆轰燃烧室进口处相互掺混；燃料及氧化剂供给系统主要包含预燃室的氢气、氧气供给以及CRDE的空气供给系统；数据采集系统能实时监测系统状态并获取压力、温度、流量等参数信息；爆轰燃烧室内外径分别为94mm和110mm，燃烧室长度为180mm；采用预爆轰点火起爆方式，预爆轰管切向安装在燃烧室进口附近，如图2所示，在旋转爆轰燃烧室外壁布置有高频动态压力传感器PCB1,PCB2，其周向角分别为0°和120°，均位于靠近燃烧室进口处的同一圆周上，预爆轰管上设置有PCB0，以监测预爆轰管的工作状态。在CRDE工作过程中，氢气和少量氧气在预燃室中点火燃烧形成富氢燃气，经过富氢燃气腔之后通过腔室末端圆周上均匀分布的80个1mm小孔喷注进入旋转爆轰燃烧室；空气通过收缩扩张环缝喷注，环缝喉部宽度为1.5mm，空气与富氢燃气在燃烧室入口掺混，建立可燃混合气层，预爆轰管内爆轰波进入爆轰燃烧室起爆可燃混合物并形成连续旋转爆轰。