超声速压气机转子叶片吸力面抽气抑制附面层分离的机理

针对压气机叶片在高负荷及非设计工况下经常出现的附面层分离状况,采用数值方法研究了叶片吸力面不同位置、不同吸气量时附面层抽吸对压气机转子气动性能的影响.数值结果表明:抽吸位置对抽吸效果有重要的影响,通过在分离区下游一定位置处抽吸,能够很好的抑制附面层分离,改善气流在大分离点处的剧烈变化,减少流动损失,使得级效率和压比均有显著的提高;而在分离区上游或者分离区下游的较远处开缝抽吸,则效果不理想.吸气量对抽吸效果也有一定影响,存在一个最佳吸气量,吸气量过大或者过小都会对结果产生不利影响.

空气涡轮火箭发动机研究的进展及展望

空气涡轮火箭发动机是适用于临近空间飞行器的吸气式组合动力装置,具有大空域、宽速域的特点,受到了世界各军事大国的重视。综述了空气涡轮火箭发动机的技术特点和国内外在这一领域的发展现状,对其研究中存在的技术难点和发展前景进行了分析讨论。

空气涡轮火箭发动机热力过程及工作特性

对空气涡轮火箭(Air Turbo Rocket,ATR)发动机国内外研究概况进行了介绍。采用热力循环分析方法对ATR发动机热力过程和发生器温比、压气机压比、涡轮落压比等关键特征参数影响规律进行了分析,在此基础上开展了单组元和双组元推进剂ATR发动机系统和性能仿真研究,将部分结果与试验结果进行了对比。ATR发动机的起动特性和高空特性的理论和试验对比研究表明,ATR发动机在马赫数0~4的爬升包线中能够提供较大的剩余推力,起动时间在5 s以内。这一显著特点,使其在与冲压发动机并联组合后,可以实现高、低速流道的快速切换,从而实现推力连续过度,为宽域组合动力提供了一个新的技术路线。最后总结分析了ATR发动机的技术优势和发展前景,以及ATR发动机在应用方面的问题和思路。通过技术继承、拓展,ATR组合动力是构建新型临近空间超声速和高超声速动力创新技术途径。

考虑攻角、落后角的反方法叶型设计优化技术

使用势流函数法进行反方法叶型设计,采用了一种非线性优化速度分布的方法分别针对吸、压力面的初始速度分布采用不同的优化手段,可以有效的调节口十型的厚度。并且在设计中可以自由给定攻角、落后角,通过速度分布的优化得到符合工程应用要求的叶型。并依据探索出的速度分布优化准则,设计出了某型压气机第一级静子尖、中、根三个典型截面的叶型。

风机叶片的剖面翼型反设计优化技术

使用反方法进行风机叶片的翼型设计,采用了一种非线性优化速度分布的方法,分别针对吸、压力面的初始速度分布采用不同的优化手段,可以有效地调节翼型的厚度。并且在设计中可以自由给定攻角、落后角,通过速度分布的优化得到符合工程应用要求的风机叶片的翼型。并依据探索出的速度分布优化准则,设计出了三种风机叶片的翼型。

吸附式风扇/压气机技术的进展与展望

吸附式风扇/压气机是目前国内外高增压比压缩系统的一个重要研究方向.对其产生的背景,研制的必要性,技术特点以及研究动向进行了回顾和分析.这一技术的采用能够大幅度提高压比,减少发动机的轴向长度和重量,降低风扇的噪音;在做功能力增加重量减轻的同时,能够增加飞行器的灵活性以及有效载荷,从而减少燃油消耗.但是这种新型的结构也带来了强度、气弹稳定性等问题,对此给出了一些分析结果和建议.

附面层抽吸对叶栅表面分离流动控制的实验研究

以某高亚声速叶栅风洞为实验平台,运用粒子成像测速仪(PIV)对平面叶栅吸力面进行了附面层抽吸试验研究。验证了附面层抽吸技术在附面层分离流动控制方面的可行性和有效性。通过与数值模拟结果的对比分析,验证了本试验测量结果的可靠性。通过对不同抽吸位置处抽吸效果的研究表明:在同一抽气量下,合适的抽吸位置是控制附面层分离的重要因素。当抽吸位置处于分离起始点与严重分离区之间时,附面层分离才能够得到明显的抑制,流场结构得到显著的改善。

超声速叶型前缘几何形状对叶栅气动性能的影响

应用NURBS技术构造超声速叶型,采用两个控制参数调整叶栅前缘椭圆弧的几何形状,来探索不同的前缘构型对超声速叶型气动性能的影响效应;通过对比分析调整每个参数所得的一系列叶栅的流场计算结果,发现椭圆弧的形状控制因子对超声速叶栅的前缘激波和气流流动状况具有一定的改善效果,同时在保证叶栅气动弦长基本不变的情况下,存在某个椭圆弧形状控制因子和方向控制因子的匹配能够使叶栅的气动性能达到最佳.

附面层抽吸对转子激波结构和分离流动的影响

通过在叶片表面进行开缝抽吸组织激波结构、控制附面层流动以提高叶片做功能力、降低损失已被证明是一项行之有效的方法。以两级风扇的第2级转子为研究对象,通过吸力面和压力面的抽气研究,揭示了抽吸流与激波之间的相干效应以及抽吸流与分离流的相互制约关系。结果表明:通过抽吸能够控制通道中激波的相对位置,改变通道中激波结构,可以避免由于激波造成的附面层分离;通过适当的附面层抽吸可以消除分离区复杂的旋涡结构,提高通道中的气流流通能力,从而改善整个级的性能。

复合预冷吸气式火箭发动机热力循环分析

采用热力学第一定律分析法分析了复合预冷吸气式火箭发动机(SABRE)的基本热力过程,得出了吸气模式和火箭模式下的理想循环功和热效率表达式,确定了影响发动机理想热力循环性能的特征参数。结果表明:吸气模式下SABRE核心机采用布雷顿循环,压气机的增压比和循环增温比是影响理想热力循环性能的关键参数;火箭模式下SABRE采用火箭发动机循环,喷管降压比和出口排气速度是影响理想热力循环性能的关键参数。氦气仅仅在发动机内通过换热器换热实现能量在各循环子系统之间的输运,而其本身并无变化,不对发动机的理想循环功和热效率产生影响。

PATR发动机关键技术与性能提升途径初探

PATR发动机是针对临近空间高速投放平台、水平起降两级入轨重复使用航天运输器之一级而提出的一种组合发动机。此发动机具有工作速域宽、模态简捷、推质比高及性能优等优点,是组合发动机发展方向之一。介绍了PATR发动机及其特点,分析了影响系统研发的系统设计、高效换热、高效涡轮机、材料及工艺等关键技术。在此基础上,提出了优化系统方案和部件参数等提高发动机性能的途径。

局部进气条件下空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究

为揭示空气涡轮火箭发动机燃烧室中富燃燃气与空气在涡轮局部进气条件下的混合增强机制和燃烧反应机理,对富燃燃气与空气的湍流混合及燃烧过程进行了数值模拟,并结合试验结果定量分析了两类燃烧组织方案的掺混和燃烧效率。研究结果表明:涡轮局部进气条件下波瓣混流器强化掺混的主导因素是大尺度流向涡的对流型混合,涡轮局部进气对涡系的初始空间分布及涡量强度具有显著影响,其对下游掺混质量的影响与波瓣型面相关;肼分解燃气与空气的燃烧是一种分支链锁反应,其主要反应历程是氢气的氧化反应和氨气的分解,热混合效率可作为掺混燃烧效率预测的重要参考量。

基于神经网络的智能叶片优化设计系统的研究

为给叶轮机械叶片设计人员提供一个操作灵活、专业性强、功能齐全的叶片设计软件,应用神经网络技术开发了一套具有智能化功能的叶片优化设计系统。利用某三级轴流压气机静子叶片2以及某两级风扇压气机转子叶片2的叶片优化改型设计对软件进行了验证,优化设计前后两个叶片流场气动性能的对比分析结果表明,该软件界面友好,功能齐全,具有一定的智能功能,能够满足叶片设计以及优化设计的基本要求。

空气涡轮火箭发动机热力循环特性分析

采用热力学第一定律分析法分析了液体推进剂空气涡轮火箭发动机(Air Turbo Rocket,ATR)的基本热力过程,通过能量平衡计算得出了理想循环功、热效率和发动机比冲,确定了影响理想热力循环性能的5个特征参数,进而分析了地面静态和飞行状态下热力学特征参数对发动机热力循环性能的影响规律。结果表明:提高燃烧室温比、发生器温比和涡轮落压比有利于ATR循环功和燃料比冲性能的提升,提高压气机压比将在增大循环功和热效率的同时降低燃料比冲性能;理想循环热效率随来流马赫数的增大而增大,循环功和燃料比冲随来流马赫数的增大而先增大后减小,存在极大值。

多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场的数值模拟

对多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场进行数值模拟,采用高精度高分辨率的三阶ENN格式以保证对激波的捕捉和对紊流特征的正确模拟,利用LU-SGS隐式解法提高了计算速度,从而构成了一种既准确又高效的多级跨声速轴流压气机紊流流动数值求解系统。重点研究了动静网格的交接方法及相应的动静交接面处理模型。计算了某带进口导叶的三级轴流压气机,计算结果与实验数据吻合较好。

ATR/冲压组合动力高超声速飞行器性能分析

针对ATR/冲压并联组合动力的高超声速飞行器,按照典型弹道对其总体性能参数进行计算和分析。结果表明:ATR工作段飞行器的加速性能良好,尤其是在Ma2.0~3.5范围内。总航程随着推重比增加而迅速增加,而飞行时间差别很小,其中ATR工作阶段所占比例显著降低。总航程和飞行时间随着升阻比增加而显著增加,且影响最大的是冲压发动机工作的Ma6.0附近区域。上述研究从飞行器系统角度出发,进一步深化了对ATR发动机的认识。

基于改进型动量BP神经网络算法的风扇叶片性能优化研究

为探索叶片优化设计的新途径,获得具有更高气动性能的各类叶片,使用了一种改进型变学习率动量BP神经网络算法和非均匀有理B样条函数法相结合的方法,对某风扇压气机的第2级转子叶片特别是针对其根部基元级进行了气动优化改型设计;通过对转子叶片和整个风扇压气机优化设计前后气动性能的对比分析,表明该优化设计方法确实可行,能够改善转子叶片以及整个风扇压气机的气动性能,使整机的效率和压比分别增长了0.379 4%以及0.225 4%,达到了优化的目的。

预冷空气涡轮火箭组合动力系统原理与实现途径

针对重复使用航天运输系统及临近空间快速投放平台动力需求,提出了一种预冷空气涡轮火箭组合动力系统方案,分析了此动力系统的技术特点及与其他组合循环动力的差异,进行了系统初步性能分析。研究表明:通过调节系统参数,此动力系统参数闭合,性能较佳,方案可行;进一步分析了动力系统涉及的核心技术及技术基础,认为预冷空气涡轮火箭组合动力系统具有可实现性。

强预冷发动机新型热力循环布局及性能分析

为兼顾高超声速强预冷发动机的比冲及系统复杂度,提出了一种耦合闭式氦循环的强预冷发动机新型热力循环布局。该热力循环采用空气适度预冷,闭式氦循环采用较为简单的二支路分流冷却压缩方式。在支路1中,使用较少的液氢即可保证氦被冷却至低温以便于压缩,可提高闭式循环增压比进而增加闭式循环输出功率;在支路2中,利用温度相对较低的氢气对预冷器出口分流的部分高温氦冷却,保证支路1和支路2掺混后的氦温度满足预冷器要求。对该新型强预冷发动机的设计点性能进行了参数化影响分析及优化设计,马赫数5工作点比冲可达3287 s。通过旁路冲压当量比和喷管喉道面积的调节,可保证进气道、预冷涡轮通道和旁路冲压通道的匹配工作,且能实现冷却与燃烧所需燃料量的平衡;通过对闭式氦循环基准压力的调节可实现发动机推力的有效调节,且各主要部件均能匹配稳定工作。沿典型飞行轨迹的发动机总体性能计算表明,在马赫数0~5工作范围内,该新型强预冷发动机具有较高的推力和比冲性能;且闭式氦循环较为简单,利于工程实现,该新型热力循环布局可为高超声速强预冷发动机设计提新的思路。

大推力核热火箭运载器及动力特性分析

根据大推力核热火箭发动机的背景要求,论证提出了一种百吨推力闭式循环核热火箭发动机系统方案,完成了系统参数的分析评估,计算结果表明,反应堆出口推进剂温度显著影响发动机比冲,当反应堆出口温度在2500 K^3000 K范围时,发动机真空比冲为8000 N·s/kg^8800 N·s/kg。在此基础上,针对航天运输主动力火箭方案,对比分析了核热火箭与化学火箭的差异,评估了核热火箭弹道仿真及运载能力,结果表明,核动力火箭由于其高比冲的特性,运载系数远高于传统动力火箭。