主燃级喷嘴和燃油分级后雾化特性实验研究

为优化高温升主燃烧室燃烧性能,对三级旋流主燃烧室开展雾化特性试验研究。预燃级喷嘴采用离心喷嘴压力雾化和气动雾化相结合,主燃级采用预膜式气动雾化。试验采用相位多普勒粒子分析仪对主预燃级喷嘴和燃油分级后的雾化特性进行研究,对比分析了不同头部压降和燃油流量在不同轴向截面和径向位置的液滴粒径分布,并利用高速摄像对不同工况下的喷雾形态进行了记录。试验结果表明:主燃级油雾粒径为50~80μm,气液比达到3.5即可达到良好的雾化水平。随着轴向距离延长,喷雾粒径变大,喷雾浓度变得均匀。燃油分级比增加可降低整体粒径约10μm,且主要影响中心区域,对雾锥外侧粒径影响不大。

革新涡轮加速器模态转换特性研究

为研究革新涡轮加速器(RTA)模态转换特性和控制策略,基于发动机部件特性法建立了RTA发动机性能仿真模型,对RTA发动机模态转换过程进行了分析,提出了采用不同调节手段实现模态转换过程的方法,对不同转换方法进行了仿真对比,制定了沿给定飞行轨迹的模态转换控制计划,保证模态转换过程中,发动机可始终工作在最大允许机械负荷和最大允许热负荷状态。基于本文提出的模态转换控制计划,RTA发动机可在Ma1.6条件下开始模态转换,实现在Ma0~4.0范围稳定工作,工作过程中发动机涵道比变化范围接近8倍,为飞行器加速提供高推力性能。

涡轮冲压组合发动机在超声速客机上的应用方案研究

为研究涡轮冲压组合发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)在超声速客机上的配装可行性,以Ma4超声速客机典型飞行任务需求为牵引,采用飞/发一体化约束分析与任务分析方法,建立了Ma4客机/TBCC发动机的一体化设计模型,确定了满足宽范围机动性需求的起飞推重比和满足航程需求的飞机起飞重量,对比分析了起飞推重比、模态转换马赫数、爬升轨迹等因素对飞机任务特性的影响。研究结果表明,TBCC发动机可满足Ma4客机配装需求,满足Ma4客机典型任务剖面机动性需求的起飞推重比应在0.6以上,满足60人商载与4000km航程任务需求的飞机起飞总重在50t^60t量级。

带套齿连接结构的转子系统振动稳定性实验研究

为了研究带套齿连接结构的转子系统振动稳定性,推导了套齿连接结构的内摩擦力表达式,由此求解了转子系统振动失稳的条件。设计并搭建了带柔性和刚性两种不同套齿连接结构的实验转子系统。实验研究了带不同套齿连接结构的转子系统振动的稳定性。实验发现,带柔性套齿连接结构的转子系统易于发生由内、外套齿齿面间内摩擦所引起的振动失稳。失稳的特征是转子振动中出现较突出的次谐波分量,次谐波频率为转子系统的第一阶自振频率。次谐波出现的门槛转速略高于转子系统的第一阶临界转速。不对中度的增大对次谐波具有激励作用,促使转子失稳加剧,锁紧螺母拧紧力矩增大对失稳有抑制作用。带刚性套齿连接结构的转子系统越过了工作转速范围内的第三阶临界转速,未出现失稳现象。在第一阶模态与第二阶模态处分别进行了300s的"共振"实验,实验过程中未出现次谐波振动分量,转子保持稳定。结果表明,带刚性套齿连接结构转子的稳定性高于带柔性套齿连接结构的转子。

航空发动机高压转子“可容模态”设计及实验验证

为降低航空发动机高压转子的振动,提高高压转子对复杂工况的可容度,本文建立带双阻尼器的高压转子动力学模型,开展模态分析和响应分析,研究高压转子关键结构参数对"可容模态"的影响规律。构造了可容度评价函数η,建立了"可容模态"设计方法。设计了高压转子模拟实验器,通过模态校核实验验证了计算模型和计算方法的准确性,通过"可容模态"实验验证了设计方法的可行性。研究发现,利用当量临界转速ω估计转子系统前两阶临界转速的方法可行,高压转子实验器的临界转速满足ω_(cr1)≤ω,ω≤ω_(cr2)≤2ω;高压转子实验器在两阶"可容模态"下连续"共振"时长达到7125s,实验器转子关键部位的振动位移峰值不超过79.42μm,振动速度有效值不超过2.33mm/s,最大波动不超过10.59%。结果表明,所建立的发动机高压转子"可容模态"设计方法是行之有效的。

TBCC发动机的典型方案及试验技术发展分析

涡轮基组合循环发动机(turbine based combined cycle engine, TBCC)通过涡轮与冲压的有效组合,大幅拓展了传统涡轮发动机与冲压发动机的工作包线,最高工作马赫数达到4.0及以上,是航空与航天领域重要的研究发展方向。以临近空间高速飞行器对动力装置的发展需求为牵引,研究了国外TBCC发动机近十年来的典型案例和发展趋势,并对TBCC发动机试验技术的主要进展进行了分析。研究表明:国外具有良好的直连试验和自由射流试验技术基础,已完成地面整机集成和模态转换试验,技术成熟度达到4~5级,并规划了飞行试验验证工作。建议我国注重理论与试验技术的结合,逐步提升关键技术成熟度,创造社会经济效益。

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时,为了提高打印成功率,基于有限单元法,对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最大降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。

日本TBCC发动机的发展

在简单介绍涡轮基组合循环发动机(TBCC)的组合方式与特点的基础上,以ATREX、HYPR和S-engine等项目为依托,对日本TBCC技术的发展现状进行了详细的介绍,并阐述了其后续发展规划。