前直段长度对回流脉冲爆震燃烧室起爆特性影响研究

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)回流脉冲爆震燃烧室的起爆特性建立了数值仿真模型并进行了实验验证,使用校验过的模型对比分析了不同回流脉冲爆震燃烧室前直段长度对爆震波生成的影响规律。结果表明,本文建立的仿真模型和方法能够正确预测试验条件下回流脉冲爆震燃烧室内的爆震燃烧传播过程,数值模拟结果与试验基本相符。仿真结果显示,当前直段长度小于4倍管径时,弯管内高温区与高压区发生分离,燃烧波未转变成爆震波。当前直段大于6倍管径时,随着前直段的加长,爆震波生成位置距离弯段出口越近,但总的起爆距离加长。在设计回流脉冲爆震燃烧室时,可通过增加前直段长度来缩短压气机和涡轮间的轴向距离,但会增加爆震室总长度。

脉冲爆震燃烧室与涡轮联合三维流动数值仿真研究

采用脉冲爆震燃烧室的涡轮发动机是涡轮发动机未来的技术发展方向之一。为了厘清脉冲爆震燃烧环境下涡轮的气动性能与流场特征,为脉冲爆震涡轮发动机涡轮的气动设计提供技术支撑,对脉冲爆震燃烧室与涡轮开展了部件联合非定常流动数值仿真分析。结果表明,由于脉冲爆震波的产生,涡轮内工作介质的比定压热容、比热比等物性参数,功率、效率等性能参数,气流角、马赫数等气动参数,均发生了剧烈的变化,涡轮动叶进口的气流攻角和出口绝对气流角的变化达到150°。爆震波产生后气动参数与性能参数会激增到峰值,并在之后的约0.010s内会有量值减小的多个脉冲尖峰值。爆震波产生后的约0.020s后,涡轮内气流发生反向,从而不产生功率。涡轮的高效率时间区间为爆震波产生后的约0.010 s内,在其他时间段,涡轮的气动状态严重偏离设计点,涡轮发出功率较少,效率较低。

回流型脉冲爆震燃烧室工作特性分析

为了获得回流型脉冲爆震燃烧室在不同工作频率下的工作特性,通过试验和数值相结合的方法对该爆震室工作频率10~30Hz时的出口燃气总压、总温、流量变化规律以及该爆震室的增压能力进行了测试与计算分析。结果表明:出口燃气总压、总温具有极高的峰值和较高的平台区,其工作频率10~30Hz时,压力平台值为0.36~0.91MPa,时均温度为710~1270K。此外,该爆震室排气流量十分集中,以10Hz为例,在一个爆震循环的16%时间内,排出了整个循环60.5%的燃气。为此对出口燃气总压进行质量加权平均,发现该爆震室的增压比随工作频率的增加而降低,在2.05~2.37。

U型脉冲爆震燃烧室的点火起爆工作特性试验研究

为缩短脉冲爆震燃烧室轴向长度,开展了气液两相U型脉冲爆震燃烧室(U-PDC)点火起爆特性试验研究。试验时采用火花塞点火和热射流点火,且点火能量可调。研究结果表明,两种点火方式均可实现U-PDC工作频率10~30Hz稳定工作,且爆燃向爆震转变DDT的时间随工作频率提高而缩短,为5~11ms。此外,实现U-PDC稳定工作时,热射流所需的点火能量为0.05J,较火花塞点火能量1J更低,并且热射流点火DDT距离更短,约718mm,起爆位置距来流入口的轴向距离约280mm,缩短了起爆所需的轴向长度,有利于工程应用。进一步提高热射流点火能量,其DDT距离无明显变化。

脉冲爆震轴功率输出装置性能分析与对比

针对采用脉冲爆震燃烧的轴功率输出装置(Pulse detonation shaft power device,PDSPD),在采用PDC(Pulse detonation combustor)特性图的爆震室模型基础上,建立了其总体性能计算模型。研究了PDSPD工作参数对整机性能的影响,结果表明:同一工作频率时,随着增压比增大,PDSPD升功率、轴功率增大,耗油率减小,但单位功率存在最佳增压比;压比不变时,随着工作频率增大,PDSPD升功率增大。对比了不同情况下PDSPD和柴油机、汽油机及涡轴发动机这三种轴功率输出装置的性能,结果表明:相同排量、等功率情况下,PDSPD与现有柴油机耗油率水平接近;与现有汽油机相比,在一定增压比范围内,PDSPD产生相同功率,耗油率更低。与涡轴发动机相比较,PDSPD单位功率可提高38.08%以上,耗油率降低41.42%以上,且其最佳增压比较传统涡轴低,发动机推进性能、经济性和功重比优势明显。

真实爆震载荷作用下爆震室等寿命设计方法

结合内径为60mm的等壁厚爆震室,建立其有限元模型并施加真实爆震载荷,确定其疲劳载荷谱类型为周期性常幅谱。通过有限元模型和静态载荷作用下的解析模型分析得出爆震室壁厚和动力放大系数之间的相互影响关系,壁厚通过动力放大系数对自身进行调整,该过程中内壁的等效应力最大值逼近目标应力,以此为基础提出爆震室等寿命设计方法。根据计算结果设计加工变壁厚爆震室试验段,通过试验测量变壁厚爆震室外壁3个测点的应变,并估算3个测点内壁处的疲劳寿命,发现3个疲劳寿命最大误差为8.82%,考虑到试验与数值计算的工况误差可认为3个测点处寿命相同,验证了爆震室等寿命设计方法的正确性。

脉冲爆震涡轮发动机共同工作特性

为了研究脉冲爆震涡轮发动机(pulse detonation turbine engine,PDTE)共同工作特性和整机性能,建立了其共同工作分析模型。一方面,利用该模型对PDTE原理样机的性能进行了评估并与试验结果进行对比,计算结果表明,模型计算误差不大于11.2%,随着工作频率的提高,PDTE原理样机推力可进一步提升,但共同工作线朝压气机喘振边界靠近。另一方面,以某涡喷发动机为原型,对利用脉冲爆震燃烧室(pulsedetonation combustor,PDC)替换主燃烧室后的整机性能进行了研究。计算结果显示:保持PDTE的迎风面积和涡轮前温度与原涡喷相同,PDTE的最佳压气机增压比从原发动机的5.5减小到2.25,当PDTE工作频率达41.5Hz时,流量与原涡喷相同,此时推力比原涡喷提升20.2%,耗油率降低14.0%。

离心压气机与脉冲爆震燃烧室共同工作分析

为了掌握压气机与爆震室相互作用机理,实现压气机与爆震室稳定匹配工作,针对离心压气机与爆震室共同工作过程建立了数值计算模型,并采用脉冲爆震涡轮发动机原理性试验系统进行验证,在此基础上结合传统航空发动机中压气机特性分析方法,对反传作用下的压气机工作特性进行了计算分析。结果表明:反传压力波使压气机内出现了瞬间的气体倒流现象,并且会在进气转接段内形成压力波动,使压气机出口长时间处于非稳态工况;压气机与爆震室匹配工作时,压气机工作特性线朝喘振边界靠近,效率低于0.39,而同转速下,压气机单独工作时,其效率均在0.81以上。

脉冲爆震燃烧室与冲击式涡轮匹配机理及效率的数值研究

针对脉冲爆震燃烧室(PDC)与涡轮共同工作时,涡轮入口为强非稳态气流的特点,结合涡轮损失机理,确定适合脉冲爆震来流的涡轮类型并开展气动设计工作,运用数值方法计算所设计涡轮的效率和探究PDC与涡轮相互作用的机理。研究结果表明:部分进气、小反力度的冲击式涡轮更适合脉冲爆震来流;在喷嘴收缩段、动叶叶片前缘以及动叶压力面生成向上游传播的反射激波,造成能量损失;在设计点,涡轮效率约为75%。上述研究结果可以为脉冲爆震涡轮发动机的涡轮设计提供一定的参考。

高温来流下U型脉冲爆震燃烧室燃烧特性试验

为了获得高温来流下气/液两相多循环U型脉冲爆震燃烧室(U⁃PDC)的燃烧特性,使用汽油/空气为燃料和氧化剂开展了相关试验研究。结果表明:当来流温度为373 K,U⁃PDC能够在15~38 Hz范围内稳定工作,且随着工作频率提高爆燃向爆震转变(DDT)距离缩短;在室温条件下、工作频率为15~25 Hz时,未能形成充分发展爆震波,表明高温来流可促进DDT过程。在室温条件下、工作频率为15~25 Hz时,由于U型爆震弯段内可燃混气分布不均匀,U型爆震弯段外侧监测到火焰的时间晚于U型弯段出口,当来流温度升至373 K后该现象明显改善。此外,U⁃PDC的点火起爆时间在3~10 ms内,且点火延迟时间是影响点火起爆时间的主要因素;U⁃PDC工作频率相同、来流温度从室温升高至373 K或来流温度相同、U⁃PDC工作频率提高时,波速随之提高,点火起爆时间缩短。