单相发汗冷却对脉冲爆震燃烧传播的影响

作为一种先进推进系统,脉冲爆震发动机热端部件的热载荷随着工作频率和飞行马赫数的提高而大幅增加。发汗冷却具有很高的冷却效率和更低的冷却剂消耗,使其成为脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却的理想方案。开展发汗冷却与爆震燃烧耦合研究,是爆震发动机发汗冷却设计的理论基础。为了探索发汗冷却的固体和流体结构对爆震燃烧的影响规律,本文采用实验方法,研究了不同多孔介质结构和单相发汗冷却对充分发展爆震燃烧传播过程的影响。结果表明,爆震波在多孔介质壁面上传播时发生减速,但不会引起爆震波解耦。单相发汗冷却引发爆震燃烧失效的主要原因是冷却剂的稀释作用使得局部当量比低于燃料的可爆极限。当冷却剂注入率超过12.5%时,爆震燃烧解耦。

基于TDLAS的脉冲爆震发动机燃气温度测量

针对脉冲爆震发动机(pulse detonation engine,PDE)燃气温度参数在线测量,基于可调谐半导体激光器吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术,采用扫描波长直接吸收-时分复用策略,以H_(2)O分子为目标组分,设计了燃气温度测量系统,并将该系统应用于PDE燃气温度测量,获得了PDE燃气H_(2)O分子(7 444.352+7 444.371)-(7 185.587+7 185.597)cm^(-1)谱线对吸收光谱,并基于双线测温原理实现了5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz工作频率燃气温度的在线测量,详细讨论了PDE在不同工作频率下的燃气温度测量结果.结果表明:基于TDLAS技术可以实现PDE燃气温度在线测量.PDE在5 Hz工作频率时,爆震波燃气峰值温度为1 868 K,爆震波通过后,燃气温度存在618 K和424 K两个台阶;不同工作频率下,PDE的燃气温度变化规律较为相似,但随着工作频率的提高,燃气温度升高,这为PDE燃烧优化以及性能评估提供数据支撑.

脉冲爆震外涵加力涡扇发动机总体性能研究

为研究外涵装有脉冲爆震燃烧室(PDC)的混合排气涡扇发动机性能,建立其性能模型。研究了隔离段总压恢复系数和外涵循环参数对PDC特性和整机性能的影响;分析了发动机性能参数对部件参数的敏感性;在相同设计循环参数下与传统加力涡扇发动机性能进行了对比。结果表明:提高隔离段总压恢复系数能够增大PDC增压比,提升发动机性能;风扇压比一定,涵道比增大,发动机耗油率和单位推力增大;风扇压比增大,涵道比在0.2~0.4时,单位推力先增大后减小,涵道比在0.4~0.5时,单位推力先增大后基本不变,涵道比在0.5~0.9时,单位推力一直增大,但增幅逐渐减小。不同涵道比下耗油率随风扇压比增大一直减小;发动机性能对直接影响外涵气流状态参数的部件参数敏感性高;由于PDC的增压特性,脉冲爆震外涵加力发动机仅利用外涵部分气流组织燃烧就可使单位推力与传统加力涡扇发动机相当,且耗油率在设计点降低27.7%,非设计点降低12.8%~26.8%。

扇形脉冲爆震燃烧室起爆过程数值模拟

为了探究不同障碍物结构对扇形脉冲爆震燃烧室起爆过程的影响,对采用3种典型孔板障碍物的扇形脉冲爆震燃烧室,截取其中间截面进行了起爆过程的数值模拟,研究了障碍物型式、障碍物堵塞比及障碍物间距对扇形脉冲爆震燃烧室爆燃转爆震(DDT)距离的影响规律。结果表明:障碍物堵塞比对扇形脉冲爆震燃烧室DDT距离的影响最大,且在堵塞比为0.35~0.70时,堵塞比越高DDT距离越短;在3种型式的障碍物中,在低堵塞比下,截面为前掠三角形的障碍物缩短DDT距离的效果最好,在高堵塞比下,截面为后掠三角形的障碍物缩短DDT距离的效果最好;在3种障碍物间距中,当间距分别等于1倍和1.2倍的爆震室当量直径时,扇形脉冲爆震燃烧室的DDT距离相差不大,且均短于障碍物间距等于0.8倍爆震室当量直径时的DDT距离。

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。

脉冲爆震环境下涡轮性能及气热负荷的时序演变规律

针对脉冲爆震发动机涡轮部件对剧烈时变来流条件和爆震波的非定常响应问题,对脉冲爆震发动机典型工况下某单级涡轮开展了3维非定常数值仿真,详细讨论了脉冲爆震环境对涡轮流通能力、作功能力、流动损失、温度分布及受力等关键气热特征的影响。结果表明:爆震波在导叶上游的传播和反射会显著影响涡轮的瞬态流通特征,导致涡轮进口流动在正向和逆向间反复变化;爆震波压缩作功使进口温度大幅升高,而导叶反射波则会使流体温度进一步升高,甚至超过来流温度的峰值;转静子叶片轴向间隙内呈现复杂的爆震波干涉与反射结构,在此影响下所研究的涡轮转子来流攻角变化范围超过100°,从而引起涡轮流通能力、流动结构及损失的剧烈时序变化;在爆震波的冲击下,涡轮导叶排瞬态轴向力超过涡轮稳态设计点的120倍,周向负荷超过稳态设计点的40倍,涡轮动叶轴向力和周向负荷则可达到稳态设计点的6~7倍,给涡轮结构强度造成极大的影响;爆震波和反射波对工质的压缩作功可使导叶表面流体的最高瞬态温度达到导叶表面流体周期平均温度的3.5倍以上,动叶的也可达到2.8倍以上,使叶片冷却的难度增大,且可能引发严重的烧蚀问题。

脉冲爆震燃烧室内缓燃向爆震转捩数值模拟

为了研究脉冲爆震发动机燃烧室内火焰加速及缓燃向爆震转捩过程,利用7组分8反应的氢气详细化学反应机理进行了2维数值模拟。结果表明:在火焰传播的初始阶段,障碍物、旋涡与火焰的相互作用是主导火焰加速的主要因素。在燃烧区域产生的膨胀波向前传播并诱导未燃混气流动;障碍物后的回流区及障碍物顶端脱落的旋涡使火焰面拉伸、卷曲,增加火焰面面积,同时提高燃烧放热强度,使火焰传播速度加快。在火焰发展的后期阶段,激波与障碍物的相互作用会使脱落在已燃混气中的未燃混气微团发生局部爆炸,产生新的激波进一步推动火焰加速,缩短火焰锋面与前导激波的距离。由于交错型障碍物增加了火焰传播的距离,其缓燃向爆震的转捩时间比采用对称型障碍物时的更长。

单次脉冲爆震反压传播规律与抑制研究

脉冲爆震燃烧室(pulse detonation combustor,PDC)反压反流的前传是导致脉冲爆震发动机推力损失的主要因素。为抑制PDC反流的传播,采用气动抑制策略,设计出不同结构组合而成的10种隔离段,使用恰当比的乙烯/富氧空气混合物开展了单次脉冲爆震的实验研究。结果表明:当反压传播距离约为0.86倍PDC长度时,相比于基准隔离段,Venturi管(V)与1.5倍PDC直径的直管组合的隔离段由于能够提供更大的膨胀空间,其反压的传播速度与峰值可分别降低约10%与20%;相对于无Tesla阀(T)的隔离段,在安装了Tesla阀的隔离段中,反压传播速度可再降低27.3%以上;相对于无泄压小孔(S)的隔离段,安装了泄压小孔的隔离段可降低25%的反压峰值;中心锥(C)的引入可大幅提高反压传播过程中的平均衰减率。在10种隔离段中,CVST型组合隔离段结构具有最佳的反压抑制能力。相比于基准隔离段,反压在CVST隔离段中的传播速度降低了约50%,峰值降低了约40.5%,平均峰值衰减率提升了1倍左右。

脉冲爆震外涵加力分排涡扇发动机性能分析

为了研究外涵带脉冲爆震燃烧室分排涡扇发动机的性能,基于部件法建立了外涵装有脉冲爆震燃烧室(PDC)的分排涡扇发动机性能模型,分析了PDC工作参数、外涵循环参数和飞行工况对整机性能的影响。结果表明:PDC频率提高,PDC增压比和加力温度提高,发动机单位推力增大,耗油率升高;PDC当量比增大,PDC增压比和加力温度先提高后降低,发动机单位推力先增大后减小,耗油率一直升高;脉冲爆震外涵加力由于只利用外涵部分气流组织燃烧,耗油率远低于传统加力的,当PDC频率超过41 Hz时,脉冲爆震外涵加力发动机的单位推力大于传统加力涡扇发动机的;涵道比增大,参与爆震燃烧气流增多,发动机单位推力增大,耗油率升高。风扇压比提高,发动机单位推力先增大后减小,耗油率一直降低;在飞行高度一定时,飞行马赫数提高,发动机单位推力减小,耗油率升高;在飞行马赫数一定时,飞行高度增加,发动机单位推力先增大后略微减小,耗油率先降低后略微升高;在不同飞行工况下,脉冲爆震外涵加力发动机的耗油率远低于传统加力涡扇发动机的。

超声速进气道与脉冲爆震燃烧室匹配工作特性研究

为探索设计点马赫数为2.5的三波系二元混压式超声速进气道与脉冲爆震燃烧室的匹配工作特性,设计了3种工作方案,采用带有化学反应的非定常数值仿真方法,研究了多循环工作过程。结果表明:燃烧室出口泄压与燃烧室进口机械阀均能抑制反传压缩波向上游的传播,拓宽进气道稳定工作裕度,且能提高循环频率;但前者会损失推力,而后者能大幅增加推力。机械阀会对燃气中的压缩波产生反射作用,增大燃烧室内湍流度,使得在开阀瞬间燃气被卷吸至上游扩张段内,但燃气中的反射压缩波不会影响爆震波波速与形态。在爆震波起爆与传播过程中,燃烧室进口应尽可能扩大物理遮挡物阻塞比,且不应对进气道出口流动造成堵塞,增加流动阻力。

脉冲爆震涡轮发动机转子系统优化设计

为研制某脉冲爆震涡轮发动机样机,根据总体设计要求设计了相应的空心轴转子-轴承结构系统。基于有限元法建立了该转子系统的理论分析模型,采用数值积分方法开展了考虑脉冲爆震非定常周期气动载荷作用的转子系统动力学特性计算。将在临界转速处转子的振动幅值最小化作为优化目标,以转子系统各阶临界转速与发动机慢车转速及工作转速之间的裕度作为约束条件,结合转子强度的相关要求,基于NSGA-II多目标优化算法对转子系统的支承位置、刚度及转子结构的几何参数进行了优化设计。结果表明:优化后的转子-轴承系统满足总体设计要求,临界转速与工作转速之间的裕度超过20%,且保证了前3阶临界转速对应的振动幅值最小化。研究方法和结果可为脉冲爆震涡轮发动机转子系统结构设计和优化提供参考。

脉冲爆震火箭发动机关键技术和样机研究

通过对脉冲爆震火箭发动机（Pulse Detonation Rocket Engine，PDRE）气动阀，气动阀和雾化喷嘴一体化设计，进行改善燃油蒸发、掺混，改善点火性能，强化燃烧等关键技术的研究，研制一台内径58mm，长1300mm的PDRE原型样机。试验表明，该PDRE样机能产生稳定的间歇爆震波。根据混气充填速度的不同，以汽油/空气为推进剂的PDRE工作频率可以在25～40Hz内变化。试验对汽油／氧气为推进剂的PDRE进行研究，其工作频率可达10Hz。

混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统设计、集成与调试

设计、集成了由涡轮增压器、脉冲爆震燃烧室、燃油供给单元、润滑单元和测控单元构成的混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统。初步实验研究表明该系统运行可靠。当脉冲爆震燃烧室与涡轮组合工作时,可在一定频率范围内稳定工作;爆震室头部及管壁沿程压力相对于爆震室独立工作时有所提高;压气机出口空气流量远大于爆震室进口空气流量,证明利用压气机给爆震室供气是可行的。在5Hz爆震频率下,涡轮被爆震产物冲击20min后,叶片没有任何烧蚀和裂纹出现。

煤油/空气三管脉冲爆震发动机共用尾喷管研究

探索脉冲爆震-涡扇组合发动机的可行性,建立了煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机PDE试验系统,设计、加工了收敛型尾喷管和收敛-扩张型尾喷管,在三个内径100 mm,长2 000 mm的爆震管内获得了充分发展的爆震波,成功实现总工作频率30 Hz稳定时序工作,研究了三管PDE各爆震管之间爆震燃烧特性的相互影响规律.三管PDE安装共用尾喷管能够提高爆震室内压力,提高三管PDE的工作性能.研究结果为研制多管脉冲爆震发动机原理样机提供了理论依据.

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。

脉冲爆震发动机

介绍了脉冲爆震发动机(PDE)的基本概念、工作原理、种类、性能优势、应用前景,关键技术及解决方法,其中着重介绍PDE关键技术及解决方法。此外,还对目前国内外在脉冲爆震发动机研究领域的进展进行了概述。

国外脉冲爆震发动机技术研究

本文介绍了脉冲爆震发动机(PDE)的基本概念、工作原理、性能优势、应用前景,以及面临的技术挑战,其中重点介绍了混合脉冲爆震发动机技术。此外,还对目前国外在脉冲爆震发动机研究领域的进展进行了综述。

脉冲爆震涡轮发动机性能计算

建立了一种基于爆震波ZND理论和循环分析的PDTE性能计算模型-ZND循环分析模型(模型-1)。将该模型及目前已有的推力壁模型(模型-2)分别与基于实验的PDC特性图模型(模型-3)进行对比,计算了模型PDTE的设计点性能,结果表明:模型-1计算得到的PDTE单位推力(FS)及单位燃油消耗率(sfc)的计算误差较模型-2分别减小了1.75%和4.04%,准确性有所提高。与需要大量实验数据的模型-3相比较,模型-1更简便,可用于PDTE性能的快速评估。应用模型-1计算了飞行状态改变时PDTE性能增益的变化趋势。

涡扇-脉冲爆震组合发动机内外涵掺混器研究

在涡扇发动机基础上,以脉冲爆震燃烧室代替普通加力燃烧室构成涡扇-脉冲爆震组合发动机。对该组合动力,涡扇发动机内外涵掺混过程对脉冲爆震燃烧室的进气状况有着重要的影响,本文针对环形混合器和波瓣混合器进行了数值模拟,揭示了两种混合器不同的掺混机理,同时研究了不同穿透率的波瓣混合器对流场的影响。结果表明,相对于环形混合器,采用波瓣混合器能够获得良好的掺混效果和PDE入口温度的提高;但随着穿透率的增加,波瓣混合器总压损失也会增加,同时PDE入口的氧气浓度也有所降低。

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。