基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明:变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。

涡轮基组合循环发动机并联式进气道的气动特性

为了研究工作马赫数范围0～5的涡轮／冲压组合发动机进气道的工作特性，对一种内并联式涡轮基组合循环发动机（TBCC）变几何进气道进行了型面设计并对其二维流场进行了数值模拟。得到了进气道在各典型工作状态下的流场特征，在不采用附面层抽吸的条件下进气道在各典型飞行马赫数下均能正常起动。以设计巡航状态和过渡工作状态为例，分析了反压变化对进气道性能的影响，结果表明，进气道出口反压对进气道性能有重要影响，尤其是进气道在过渡工作状态时，两流道之间存在气动耦合效应。文中还给出了进气道气动参数随飞行条件变化的特性曲线，初步研究了影响进气道性能的主要因素，分析了该进气道在典型飞行工况下的气动性能。

涡轮基组合循环发动机性能数值模拟

分析了涡轮基组合循环发动机的布局方式,选择串联式涡扇-冲压组合发动机方案作为研究对象,给出了涡扇发动机和冲压发动机主要设计参数,阐述了涡轮冲压组合发动机模态转换点的选择方法,选择马赫数3作为工作模态转换点。基于模块化合成程序的研究思想,采用数值模拟方法研究了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机的气动热力学参数以及性能特性,研究表明,可在推力波动不大于10%的情况下完成工作模态转换。

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。

涡轮基组合循环发动机技术发展趋势和应用前景

涡轮基组合循环发动机将是未来高超声速飞行器的主要动力装置,针对空间运载、高速运输、远程快速打击等任务需求,总结了国内外关于涡轮基组合循环发动机的研究现状,分析了开展涡轮基组合循环发动机技术研究必须解决涵盖了耐温、性能、匹配性、飞发一体化等诸多方面的关键技术,并阐述了涡轮基组合循环发动机潜在的技术优势和可能的应用方向。结合未来军民用领域对高速飞行器的需求,分析了中国开展涡轮基组合循环发动机技术研究的必要性。

涡轮基组合循环发动机/飞行器一体化数值模拟

基于两级入轨高超声速飞行器方案,确定了涡轮基组合循环发动机设计点各参数,设计了飞行器进排气系统,编写了推进系统安装损失计算程序,采用数值模拟技术研究了沿飞行轨迹的涡轮基组合循环发动机/飞行器一体化性能,计算结果显示,跨声速阶段的安装损失最大,溢流阻力在跨声速区域具有主要的影响,在工作模式转换结束后,安装损失会有一定的增长,这是因为喷管喉部气流总压降低,致使流经发动机的气流流量减少,造成溢流阻力和旁路放气阻力的增加所致。

基于蒸发式值班稳焰的涡轮基组合燃烧室燃烧性能研究

对涡轮基组合循环发动机（Turbine based combined cycle,TBCC）组合燃烧室进行了试验研究。研究首先设计了组合燃烧室模型及相关的试验系统,并在此基础上开展了不同工作模式下,进口速度系数、温度和油气比对燃烧室燃烧性能影响的试验研究。研究结果表明：随着外涵进口速度系数（λ=0.25～0.40）的增加,点火总油气比、贫油熄火总油气比均增加,燃烧效率提高;随着外涵进口温度（343～473K）的增加,点火总油气比和贫油熄火总油气比减小,燃烧效率提高;随内涵进口速度系数的增加,燃烧效率提高。试验中获得最小点火总油气比为0.0045,最小贫油熄火总油气比为0.002。

外并联涡轮基组合循环进气道模态转换技术研究

对一种外并联涡轮基组合循环发动机进气道进行了基于定常和非定常的模态转换过程气动特性分析,并研究了模态转换时间对进气道气动性能的影响。最终获取了进气道模态转换过程的流动特性,并分析了模态转换时间对外并联TBCC进气道的气动性能影响。结果表明:低速唇口旋转角度相同时,不同模态转换时间下的气动性能参数基本一致。

涡轮基组合循环发动机燃油系统流动传热耦合仿真软件开发

为避免燃油系统温度压力过高造成燃油系统故障,针对涡轮基组合循环发动机燃油系统流动传热特性进行了联合仿真软件开发研究。根据燃油系统的工作原理、流动传热机理,建立了燃油系统各个元组件的Flowmaster数学模型,采用Visual Basic (VB)语言基于Microsoft Visual Studio (VS)软件平台二次开发了包含Flowmaster,Excel的联合仿真软件,用Excel数据表作为联合仿真参数的输入和计算结果输出的数据库,并对典型飞行工况进行了试验验证和初步联合仿真研究。结果表明,开发的联合仿真软件实现了工况参数和计算结果的统一化管理以及自动化仿真,使得仿真步骤简捷迅速,提高了工作效率;典型工况下,主燃烧室燃油流量在m_(0)~3.5m_(0)内(m_(0)为某工况下主燃烧室燃油流量),温度仿真值与试验值相对误差不超过4.0%,压力仿真值与试验值相对误差不超过3.6%;加力燃烧室燃油流量在1.39m_(0)~9.72m_(0)内,温度仿真值与试验值相对误差不超过3.4%,压力仿真值与试验值相对误差不超过3.6%;冲压燃烧室燃油流量在2.25m_(0)~14.60m_(0)内,温度仿真值与试验值相对误差不超过3.8%,压力仿真值与试验值相对误差不超过4.0%,联合仿真结果正确、可靠。

涡轮基组合循环发动机进气道设计

采用等激波强度的方法,考虑进气道的气动性能和进气道前体斜板的调节规律。对高超声速涡轮基组合循环发动机的二维混压式几何可调进气道的设计进行了探索。控制进气道喉部出口马赫数的大小,给出了三斜板内外混合压缩进气道设计点的几何尺寸和非设计点的斜板调节规律。运用二维CFD数值计算手段,通过求解欧拉方程,对所设计进气道在不同飞行条件下的流场进行了计算。计算表明,设计的进气道结构简单,附加阻力小,总压恢复系数高,低速起动性能好,调节规律容易实现。

涡轮基组合循环发动机控制问题概述

本文对涡轮基组合循环发动机(TBCC)中存在的控制问题进行了综合分析。在TBCC运行过程中存在很多过渡段,对这些过渡段的研究非常富有挑战性。TBCC在过渡段的性能,不仅与组成它的涡轮和冲压发动机本身型式及特征有关,还受到两类发动机之间相互关系及调节机构的影响。TBCC控制问题的关键在于保证过渡段稳态和瞬态的性能品质,具体涉及过渡段的燃料、温度控制,进气道和尾喷管喉部调节及阀门开度控制,以及飞行/推进综合问题等。

涡轮基变循环组合动力控制技术发展分析

基于现有文献梳理分析涡轮基变循环组合发动机控制技术的发展现状。介绍了涡轮基变循环组合发动机的发展历史和结构特点,提炼出其控制系统设计的关键技术;分别围绕飞/推一体化综合建模技术、模态切换控制技术以及飞/推一体化协同控制技术三个关键技术问题进行文献分析;基于国内空天动力需求及研究现状,提出对涡轮基变循环组合发动机控制技术的未来发展思考。

高马赫数涡轮基推进系统的发展及挑战

高马赫数推进系统不仅是高马赫数飞机必须突破的关键和难点,也是航空发动机未来发展的代表性技术方向之一,对于涡轮发动机设计技术及相关制造技术的发展有着重要的牵引作用。总结了国外高马赫数飞机和推进系统的发展历程和发展趋势,阐述了高马赫数飞机和推进系统的工作特点,分析了高马赫数涡轮基推进系统5个方面的技术挑战。据此提出应紧密结合高马赫数飞机的需求,分布实施、快速验证,以多领域技术协同创新的方式发展高马赫数推进系统。尤其要关注高马赫数TBCC推进系统及其中的高马赫数涡轮基。

一种涡轮基组合动力的整机低速风洞试验研究

针对一种多通道三动力涡轮基组合动力开展了整机低速风洞试验,着重从总体性能、流量分配、压力分布等方面,对三维内转组合进气道与涡轮发动机的耦合特性进行了分析。主要结论如下:低速状态下,三维内转进气道将给涡轮发动机带来最大10%的总压损失,组合动力推力最大损失24%、耗油率增加26%;内转进气道涡轮通道呈现出口总压分布不均、沿程静压先减小再增大的现象,随着涡轮发动机转速增大,通道出口高总压区逐渐向一侧移动;为减小低速状态三维内转进气道涡轮通道的流道损失,建议引入辅助进气门等引流装置、动态调整冲压通道流道面积,以匹配涡轮发动机工作状态。

涡轮基组合动力水平起降高超声速战略打击模式探讨

分析了高超声速飞行器的优势,阐述了多种高超声速全球/远程打击飞行模式的特点。指出涡轮基组合循环(TBCC)动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行模式,在平台机动性、发射隐蔽性、突防概率等方面都具有明显优势,且可有效牵引TBCC发动机、水平起降高超声速发射平台、小型机载战略武器技术分阶段渐进发展,在未来能量中心战中将发挥重要作用。

涡轮基组合循环发动机的发展现状及关键技术浅析

近年来,世界各国在高超声速武器领域的竞争日益激烈,作为高超声速武器核心的动力系统更是成为高超声速武器研制的重中之重。要实现高超声速武器在宽速域、大空域飞行状态下对动力的需求,集成涡轮发动机、亚燃/超燃冲压发动机的涡轮基组合循环发动机(TBCC)是一种较为理想的方案。TBCC根据飞行器所处飞行阶段、飞行高度切换到最合适的工作模态,可以满足天地往返的空天飞行对动力装置的需求,且具有较好的经济性能。本文主要对几种典型TBCC方案及关键技术进行分析。

涡轮冲压组合发动机涡轮基改型设计研究

基于现有涡扇发动机,按涡轮冲压组合发动机技术验证要求,开展了基于成熟涡扇发动机改涡轮基的设计研究。根据涡轮基工作性能和技术要求,分析了改型设计的难点,并开展了涡轮基控制计划设计、高空大马赫数起动设计、超声速燃烧设计、低转速接通加力设计、全权限控制系统设计、燃滑油系统设计、高空封严设计和涡轮基与冲压级匹配设计。通过整机试验验证改型后发动机满足验证平台需求,并配装冲压组合发动机平台完成关键技术验证试验。对其他发动机的改型设计具备一定的工程参考价值。

涡轮基组合循环冲压燃烧室点火特性试验研究

为了考察并联式涡轮基组合循环发动机在模态转换点进气道开启比例对冲压燃烧室点火性能的影响,设计管式蒸发式二元稳定器,测取模态转换点不同速度系数(进气道开启比例)时点火边界和稳定燃烧边界,并试验研究了安装相同类型稳定器的全环冲压燃烧室点火特性,通过计算稳定器稳定性系数和最小点火能量,分析冲压燃烧室在低压、低温、高速条件下的点火性能。研究结果表明:在模态转换点冲压燃烧室进气道开启比例对蒸发式稳定器点火性能影响较大,但选择合适的进气道开启比例蒸发式稳定器可以组织燃烧,冲压燃烧室在模态转换点可以成功起动。燃烧室内气流速度的增加导致稳定性系数减小和最小点火能量增加,使稳定器组织燃烧变得困难。

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议:提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。