固体推进剂空气涡轮火箭发动机的非设计点性能研究

为了简化控制系统和节流装置,采用涡轮进口富燃燃气流量为常数的调节计划,建立了固体推进剂空气涡轮火箭发动机(SPATR)的非设计点计算数学模型。分析了不同设计点涡轮进口富燃燃气流量对SPATR性能的影响,确立了设计点富燃燃气流量选择的方法。计算了SPATR的非设计点性能。结果表明,所建数学模型合理、可行,能满足SPATR在不同高度和速度下飞行任务的需要。

高超声速锥导乘波体非设计点性能研究

对设计马赫数6的锥导乘波体在马赫数4~7、迎角-6°^+6°的三维流场进行了数值模拟。研究表明:粘性对阻力系数的影响较大;非设计马赫数时,锥导乘波体的升阻比没有明显减小;升力系数与迎角呈线性关系,随着迎角增大而增大;升阻比在+2°迎角下达到最大。

对旋式轴流风机非设计点流场的分析

从三维雷诺时平均非定常的 NAVIER- STOKES方程出发 ,采用压力耦合方程的半隐式方法 (SIMPLE) ,对流项采用迎风差分格式 (UD) ,结合各向异性 K-ε湍流模型 ,数值模拟了对旋式轴流风机非设计点的流场 ,并与已有的结果进行了比较。结果表明 ,求解 NAVIER- STOKES方程是定性分析对旋式轴流风机非设计点性能的一种有效方法。

双燃烧室冲压发动机亚燃模块进气道非设计点工作特性

对适用于轴对称双燃烧室冲压发动机的亚燃模块进气道非设计点工作特性进行了风洞实验和数值计算研究,获得了该进气道的非设计点性能,并分析了其流态特征和再起动特性。实验数据显示,该进气道的马赫数4临界状态性能为:总压恢复系数0.425,出口截面平均马赫数0.519,可承受反压为自由流静压的56.52倍,而马赫数5的相应临界性能参数则分别为0.240,0.486和125.94。非设计状态下,该进气道的流量系数下降显著,马赫数5时的流量系数为0.813,马赫数4时则进一步下降至0.593,为此对高超声速进气道非设点综合性能的改善迫在眉睫。另外,该进气道在马赫数4时具有再起动能力。

基于等换算转速调节的涡轮增压固冲发动机非设计点性能研究

为了得到优良的涡轮增压固冲发动机(TSPR)的非设计点性能,提出了等换算转速、等余气系数的调节规律,通过确定TSPR非设计点共同工作过程,建立了TSPR非设计点性能模型。以高空高速(22km,Ma3.64)为设计点,计算和分析了0km,5km,10km,15km高度下TSPR的非设计点性能。结果显示:当采用等换算转速和等余气系数的调节规律时,TSPR非设计点工作范围宽广,具有良好的非设计点性能,最大推力是最小推力的3倍左右,最大比冲超过800s;在(10km,Ma2.5)的非设计点,通过调节转速,可以获得1.55倍的推力调节比和稳定的比冲性能;最后得出:提高转速,增加飞行速度,提高富燃流量驱涡流量比是增强TSPR性能的有效途径。

跨音速压气机非设计点性能预测

基于二维流线曲率法数学模型,参考公开发表的研究成果,拓展了一种适应于跨声速压气机的损失和落后角模型,并考虑3D和雷诺数的修正,对轴流跨音速压气机转子NASA Rotor37进行了数值计算,得到了设计点与非设计点的特性曲线,并与实验数据进行了对比和分析.结果表明,该方法能较好地预测轴流压气机特性和参数分布,可为压气机的设计和优化提供参考.

涡轮增压固冲发动机非设计点特性研究

涡轮增压固冲发动机（TSPR）将ATR的燃气涡轮增压部件和固冲发动机高能推进剂有机组合，实现了高比冲宽包线的性能要求。建立了TSPR非设计点性能模型，提出了TSPR2种调节方案，即等余气系数和等富燃流量。通过热力循环相似的ATR试验结果，校核了本性能分析模型的准确性。研究TSPR2种调节方案的推力调节特性。2种调节方案的假想TSPR不同转速比冲均高于与设计推力比推力与其相等的ATR，等富燃流量调节方案的TSPR调节简单，推力调节范围大，性能更接近ATR。物理转速不变的假想TSPR可工作的速度、高度范围分别为Ma=0—2．4、0～16km，发动机高空高速比冲最高。等富燃流量调节方案TSPR的性能略低于等余气系数，但相比等余气系数，其控制规律简单，实现方便，是更实用的控制方案。

基于四象限法的跨声速压气机非设计点损失分析

基于流线曲率法发展了一种适用于跨声速压气机性能预测的高精度模型,对最小损失攻角及非设计点损失预测模型进行了修正.提出了一种非设计点损失分析方法——四象限法,结合该方法对跨声速压气机的损失构成进行了重新定义,对不同工况的损失特点开展了深入分析,在一定程度上揭示了跨声速压气机的损失分布和增长规律.采用新发展的模型对某高负荷跨声速转子进行了详细的计算,并与实验数据进行对比.结果表明,发展的性能预测模型和损失分析方法能够较为可靠地预测全流量工况下跨声速转子的总体性能与气动参数沿展向的分布,为跨声速压气机的特性预测提供了新的思路,具有较强的借鉴意义和工程实用价值.

轴流压气机非设计点性能计算

采用流线曲率法数学模型,结合跨声速轴流压气机的内部流场特征,拓展了一种非设计点特性计算方法.该方法基于近年来的国内外研究进展,考虑了非设计点工况下影响落后角及损失的诸多因素.对轴流跨声速压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration)TP1669进行了数值计算,得到了展向参数分布和全工况下性能曲线,通过与实验值的对比和分析证明该方法和模型是可行的,可为压气机设计和优化提供参考.

带可调进口导叶的多级轴流压气机非设计点性能计算

多级轴流压气机为保证非设计转速下的性能，通常采用进口导叶（IGV）以及静叶可调的扩稳方法。为获得可靠的进口导叶性能以用于压气机初步设计和扩稳方案的初步筛选，基于Banjac和Petrovic等提出的IGV损失和落后角模型与平均中径计算相结合，开发了带有IGV的多级轴流压气机性能分析工具。选用Ea压气机作为算例进行计算分析，结果表明，所选用的IGV模型在较大开度内具有较好的精度和有效性。研究结果可以为多级轴流压气机初步设计和扩稳方案确定提供参考。

小转速工况下轴流涡轮非设计性能预测方法

基于轴流涡轮部件设计点气动参数与相应几何尺寸,发展了一种计算现代涡扇发动机高、低压涡轮部件特性逐排计算方法,完成了相应的计算程序编制;并将其应用于两个型号发动机高压涡轮部件特性预测。计算结果与实验数据比较表明,作为一种近似方法具有可接受的工程精度,尤其适合于预测发动机涡轮部件小转速状态特性,为现代涡扇/涡喷发动机起动过程模拟与分析提供了模型基础。

S弯进气道优化设计及分析

为改进隐身飞行器推进系统的气动性能,针对S弯进气道开展了设计和分析。基于数值模拟方法、代理模型和遗传算法构建了一套自动优化方法。在优化设计过程中,结合参数化建模、网格自动生成和改进(SST)湍流模型求解,应用优化方法对飞行器进行了多目标设计,得到了进气道的优化推荐构型。应用尺度自适应模拟(SAS)方法对优化进气道气动性能进行了全面和细致的分析。研究结果表明:SAS方法可以较好地模拟S弯进气道的流动,优化设计能够极大地改进S弯进气道的气动性能;相比原始设计,优化进气道设计点的总压畸变指数降低了16.3%,总压恢复系数提高了1.1%。

乘波飞行器广义参数概念设计

在传统布局外形设计参数的基础上,提出用广义参数对乘波飞行器概念外形进行前体/进气道-后体/喷管一体化设计。对所设计的三种外形方案,计算了设计点和非设计点的气动性能,并对影响性能的因素进行了讨论。计算结果表明,采用广义参数设计乘波飞行器概念外形是可行的。

基于参数化设计的乘波飞行器概念设计

基于飞行器外形参数化设计,通过分析乘波构型外形设计参数,结合飞行器前体/进气道一后体/喷管一体化设计思想,进行了乘波机的概念设计研究。在性能计算中,对生成的乘波飞行器进行了设计点和非设计点包括升力、粘性阻力、波阻和升阻比、容积效率等各主要性能指标在内的性能计算。通过性能验算初步论证了本文进行的乘波飞行器外形参数化设计方案是可行的,所提出的参数化体系可以进一步为优化设计工作所利用。

空气涡轮火箭发动机的性能研究

文中进行了ATR（air-turbo-rocket）发动机总体性能研究，以验证其作为近空间飞行器动力系统的可行性。根据ATR的结构特点，建立了发动机性能和特性分析数学模型．编制了计算程序，在设计点计算和分析了燃料／空气比对ATR性能的影响。计算了非设计点性能．对比了不同推进剂的非设计点性能。计算结果表明ATR能够在宽的速度（0-4Ma）、高度（0-11km）范围内工作，单位推力可以达到1200N·s／kg，比冲达到7000N·s／kg。这一结果表明ATR发动机适合作为近空间飞行器的动力系统。

一种新的风洞轴流风扇安装角调整方法

依据轴流风扇二维叶素理论及低速风洞回路气动特性,将风扇效率及风洞损失系数作为关键参数,推导出风扇在非设计点时,风扇桨叶安装角与风扇转速、气体流量之间的固有关系,由此发明了一种不需要测试风扇压升,仅根据风扇基本运行参数即进行风扇非设计点安装角调整的新方法。某风洞风扇的调试过程中,在测试得到风扇转速与试验段风速对应关系的基础上,利用该方法,直接计算出风扇安装角的调整量,一次成功。试验结果表明,在风扇安装角调大4.5°后,风洞试验段风速 60 m/s 对应的风扇转速为570 r/min,与预测值575 r/min偏差0.9%,预测值与实际值吻合较好,由此证明了此方法在工程运用中的可靠与准确性。

某型飞机发动机性能数值模拟研究

航空发动机数字仿真是现代系统仿真和信息科学等领域最新成果在航空发动机上的综合应用。用Fortran77程序建立了某型飞机双轴涡喷发动机的数学模型,对发动机非设计点计算以低压转子物理转速n1=11 212 r/min为控制规律,利用Fortran程序求得发动机在最大状态时的性能参数,并对双轴涡喷发动机的速度特性、高度特性以及节流特性做了简要的分析。计算结果和某型飞机双轴涡喷发动机实际性能数据作比较,在大多数情况下吻合良好。

带有闭式布雷顿循环的预冷发动机特性研究

为获取带有闭式布雷顿循环的预冷发动机的飞行包线及性能,同时提高发动机工程实现的可行性,基于带有闭式布雷顿循环的预冷发动机基础循环及现有部件技术水平,构建了一种适度预冷发动机方案。对该方案下发动机沿着SABRE3飞行轨迹下的性能和部件匹配规律进行了分析。然后通过对发动机的高度、速度、调节特性进行研究,得到了该方案下发动机的飞行包线及整个包线内的性能。计算结果表明,本文所提出的适度预冷方案与SABRE3方案相比,核心机的比冲基本相当,但单位推力有所降低,工程可实现性提高;通过分别控制氦循环最低、最高温度为目标值,可保证发动机各部件在马赫数0~5的整个飞行过程中均处于稳定工作区间内,发动机比冲在1359~2099s,地面点单位推力最大,达到1.9kN/(kg/s);特性研究发现发动机推力与比冲在高度0~15km,马赫数1~3时最高,而单位推力最高的区域主要集中在包线的左侧低马赫数区,随马赫数的增加逐渐降低;发动机对氦压气机前温度的调节十分敏感,而对氦涡轮前温度的调节敏感性较低。综合研究表明,本文所给出的适度预冷方案的预冷发动机具有较好的宽域工作能力。

SABRE预冷器计算模型及其在整机模型中的应用

为实现发动机方案设计阶段预冷器的快速设计与评估,建立了预冷器准二维快速评估模型。将SABRE预冷器的几何结构简化为一个扇环形区域,沿径向和周向将该区域划分为二维节点。应用守恒方程及传热关联式完成单个节点计算,再求解节点矩阵的平衡方程组,计算内外流体特定节点上参数的二维分布,得到预冷器出口参数。将模型嵌入发动机总体性能程序中,实现了发动机设计及非设计点的预冷器性能计算的功能。与文献数据对比表明,预冷器模型传热计算误差<5%,摩擦阻力误差<10%。整机计算结果显示,Ma=0~5时,预冷器空气侧温降为143~932K,温降随飞行马赫数升高单调上升。预冷器传热有效度为0.896~0.945,空气侧总压恢复系数为0.852~0.904。

针对脉冲发电机突变负载的微型燃气轮机工作性能研究

为分析有动力涡轮的微型燃气轮机在带动脉冲发电机中的性能,建立带动力涡轮的微型燃气轮机数学模型。因有动力涡轮的微型燃机是由动力涡轮驱动负载,其负载变化对燃机核心机影响不大,但为了使动力段转速恢复稳定而采用的改变供油量方法会对核心机产生很大影响。基于所建立的微型燃气轮机数学模型对其进行仿真计算,研究了该燃机设计点性能参数、高度特性、温度特性及供油量快速改变的瞬间燃机核心机工作参数的动态变化过程。