射流预冷却涡轮基发动机的技术研究

射流预冷却涡轮基组合循环发动机(steamjet)是目前重点研究的一种高超音速飞行器用发动机。文中分析了射流预冷却涡轮基组合循环发动机的工作特点,与火箭发动机相比说明了其发展的优势,总结归纳了这种发动机技术特点和发展的关键技术,结合发动机研究实际分析了其发展的可能性。

预冷却吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机发展简介

分析了吸气式涡轮冲压膨胀循环(ATREX)发动机模型和工作原理,介绍了其主要部件的研究和发展情况,与常规发动机相比说明了其发展的优势,总结归纳了这种发动机技术特点和发展的关键技术。研究认为ATREX发动机采用液态氢预冷却方式,大大扩展了常规涡轮发动机的工作范围,可满足高速飞行器或两级入轨航空航天飞机第一级动力装置的要求。

预冷却ATREX发动机主要部件发展研究

文中分析了 ATREX 发动机模型和工作原理,介绍了其主要部件的研究和发展情况,与常规发动机相比说明了其发展的优势,总结归纳了这种发动机技术特点和发展的关键技术。研究认为 ATREX 发动机采用液态氢预冷却方式,大大扩展了常规涡轮发动机的工作范围,可满足高速飞行器或两级入轨空天飞机第一级动力装置的要求。

喷水预冷却发动机与导弹一体化设计

以一种高声速导弹作为应用对象,计算了喷水预冷却发动机的安装特性,建立了导弹/喷水预冷却发动机一体化设计的约束分析和任务分析模型,给出了高超声速导弹的升阻特性的确定方法,结合任务剖面、导弹的重量组成以及发动机模型,取爬升率为100m/s,80m/s和50m/s对导弹的爬升和加速任务段进行约束分析,选择巡航马赫数为4.0,5.0和6.0三种情况进行了导弹任务分析。计算结果表明,建立的导弹/发动机一体化约束分析与任务分析模型合理,当巡航马赫数小于5.0时,虽然装备喷水预冷却发动机与亚燃冲压发动机的导弹相比爬升率和加速度较低,但是导弹射程却有较大幅度的提高,因而在高声速导弹的应用是可行的。

冷却剂/氧化剂组合式SteamJet发动机特性

为了系统深入地研究冷却剂/氧化剂组合式射流预冷却涡轮发动机(SteamJet)的发动机特性,建立了射流预冷却的热交换系统计算、物性修正计算、发动机部件特性修正计算和含氧化剂的燃烧室计算的数学模型,在此基础上,建立了基于双轴混排加力式涡扇发动机的SteamJet发动机性能计算模型,并编制了相应的计算程序。初步设计了SteamJet发动机的最大加力状态控制规律,计算分析了SteamJet发动机在不同冷却剂/氧化剂配比下沿飞行轨道的特性,并据此提出了影响冷却剂/氧化剂配比选择的主要因素;对冷却剂/氧化剂组合式SteamJet发动机进行了高度速度特性的计算和分析。结果表明,与喷水预冷却的SteamJet发动机相比,冷却剂/氧化剂组合式SteamJet发动机具有更好的燃烧稳定性和推力特性,能够满足高超声速飞行的需求。

冷气射流对航空发动机涡轮气动损失的影响

为了研究不同射流环境对航空发动机涡轮叶片气动损失的影响,采用数值模拟的研究方法,分别考虑压力面与吸力面2种气膜冷却打孔方案,总结在不同吹风比条件下叶栅通道内部流场环境特点,以及不同流场环境下叶栅损失的变化规律。结果表明:叶栅通道内部气膜冷却射流环境分为低动能比射流环境(动能比小于1)与高动能比射流环境(动能比大于1),这2种射流环境的边界层、叶栅出口二次流损失、动能亏损情况以及叶栅出口的总压损失系数有不同的变化特点:在低动能比环境下,冷气射流会贴附壁面流动,进而影响边界层;在高动能比环境下,冷气射流直接与主流掺混。吸力面的冷气射流对叶栅气动损失有较大影响,当射流动能较大时,使叶栅总压损失变化50%以上;而压力面的冷气射流对叶栅气动损失影响很小,经过计算,压力面的冷气射流仅使叶栅总压损失系数最大变化0.64%。

预旋角对径流涡轮背盘射流冷却的影响

采用背盘射流冷却技术对径流式涡轮机热负荷较大的区域进行冷却。采用气热耦合的方法,研究了该冷却技术在预旋角为60°~120°内对背盘冷却特性的影响。结果表明:背盘射流冷却可以大幅提高径流涡轮背盘的冷却效率;预旋角为60°时背盘冷却效果最好,随着预旋角的增加,背盘冷却效果变差;相同径向位置时,冷却系数在0.01~0.02,预旋角每增加15°,背盘平均冷却效率约降低0.003,当冷却系数为>0.02~0.04时,预旋角每增加15°,背盘平均冷却效率降低0.016~0.050;冷却流体流入涡轮主流流道后,涡轮机效率受到冷却流体的影响而降低,当预旋角为60°时,冷却流体对涡轮机效率影响最小。

高超声速巡航导弹理想动力系统——TBCC发动机及其关键技术

主要介绍了涡轮基组合循环(Turbine-Based Combined-Cycle,TBCC)发动机(以下简称TBCC发动机)的技术发展现状,阐明了TBCC发动机的基本结构及其工作原理。在对TBCC发动机技术发展现状分析的基础上,重点阐述了TBCC发动机相对于其它吸气式发动机的技术优势、TBCC发动机的关键技术以及在超燃冲压发动机技术没有取得实质性突破的情况下,现阶段作为超声速、高超声速巡航导弹动力系统及在其它军民航空航天领域的应用前景。

不同气膜冷却孔的流动和传热的实验比较研究

对流向倾角、锥顶角 (扇形角 )的扇形气膜冷却单孔射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究 ,并与相同实验条件下圆孔射流的测量结果进行了比较。结果表明 ,扇形喷孔下游的速度边界层等值线具有两种基本的分布形态 ,即使在高吹风比 M =2 .0时 ,扇形喷孔射流的下游 ,也没有明显大于主流速度的射流区域出现 ,射流下方低速区域中的速度亏损也较圆孔小得多。同时 ,喷孔两侧边缘处在吹风比M 1.0时 ,沿流向形成了一对转向相反、强度较弱的纵向耦合涡。在相同的吹风比下 ,扇形喷孔出口面积的增大能够有效地降低耦合涡的强度和速度(V、W)分量 ,从而提高了气膜冷却效率 。

加力式SteamJet发动机性能模拟

为了研究射流预冷却涡轮发动机(SteamJet)的发动机特性,建立了喷水预冷却的热交换系统计算、物性修正计算和发动机部件特性修正计算的数学模型,建立了基于双轴混排加力式涡扇发动机的Steam-Jet发动机性能计算模型,并编制了相应的计算程序.计算分析了SteamJet发动机在不同风扇进口总温下沿飞行轨道的特性,以及喷水预冷却对发动机加力燃烧室的影响,并对SteamJet发动机风扇进口总温进行了合理的选择;对加力式SteamJet发动机进行了高度速度特性的计算和分析.结果表明,SteamJet发动机可大幅度拓宽涡轮发动机的工作范围,与非加力式SteamJet发动机相比,加力式SteamJet发动机具有更好的推力特性,能够满足高超声速飞行的需求.

冲击射流流动换热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法(DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。

浅槽孔气膜冷却的大涡模拟研究

为了探究浅槽孔气膜冷却的强化冷却机理,针对平板浅槽型气膜孔冷却射流与主流相干作用进行大涡模拟研究,并与圆孔射流进行对比分析。研究结果表明:浅槽孔内部会形成一对循环涡旋,将冷却气向展向卷吸;浅槽孔下游会同时出现肾形涡对和反肾形涡对,反肾形涡对抑制了气膜冷却射流的抬升,改善了冷气贴壁性;与圆孔相比,浅槽孔气膜冷却射流的流场拟序结构分布更为无序,浅槽前缘未出现马蹄涡旋,射流下游也未形成串列的发卡涡;当吹风比增长到1.5时,浅槽孔在低频区(400Hz处)出现主频,在高频区的振幅则远低于圆孔,表明高吹风比下浅槽孔气膜冷却射流流场中低频小尺度涡旋占主导作用。整体而言,浅槽孔提升了气膜的展向扩展能力,冷却性能远优于传统圆孔。

电控废气涡轮增压系统原理及增压压力不足的检修

所谓发动机增压,就是将空气进行预压缩,然后再供入气缸的1种技术措施。它通过提高进气的密度来增加进气量,从而可以使发动机的功率增加。实践证明,在汽车发动机上采用增压技术后,不仅可以获得良好的动力性,而且燃油经济性也有所提高。

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。

欧洲的高超声速推进项目及其项目管理

简要介绍了近年来欧洲的高超声速推进项目,包括欧洲航天局(ESA)牵头的欧盟LAPCAT、LAPCAT-Ⅱ、ATLLAS-Ⅰ、ATLLAS-Ⅱ项目,德国航空航天中心(DLR)独立完成的SHEFEX-Ⅰ、SHEFEX-Ⅱ项目。以欧洲LAPCAT-Ⅱ项目为例,详细分析了欧洲高超声速项目在预算、立项、执行、交流、评审及验收等全过程中的项目管理和调控方法,可为我国组合动力及其它高超声速工程研制的项目管理提供参考。