真空应用电火花点火的氢氧发动机设计与试验

为研究某大推力氢氧发动机真空羽流效应,设计采用火炬点火方式的60N缩比氢氧发动机.通过球头密封声速喷嘴组件控制流量,使真空下每个声速喷嘴组件减少3个密封面.进行真空点火方案设计,从理论上证明电火花点火的可行性.设计试验系统并进行地面及真空环境下的热试车,试车结果表明:燃烧室压力达到额定压力为0.6MPa时,发动机热防护结构良好,试验系统设计合理,真空电火花点火方案可行,为进行真空羽流效应研究奠定基础.      

双路离心喷嘴雾化特性的实验

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化特性进行了实验研究,得到了索太尔平均直径(d₃₂)的空间分布和喷雾锥角.实验结果表明:液滴尺寸随着供油压力的增大而减小,当压力增大到一定程度,液滴尺寸趋于不变;当主、副油路分别单独工作时,随测量横截面与喷口之间距离Z的增加,d₃₂减小;在供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离X的增加d₃₂值变化不大;喷雾锥角基本不随供油压力改变而变化.      

气氢/气氧富燃预燃室设计与试验

为获得点火可靠、燃气温度均匀性较好的气氢/气氧全流量补燃循环发动机富燃预燃室,开展了其结构方案设计、燃烧流场仿真和试验研究.结构方案分别为同轴双剪切单喷嘴、同轴剪切多喷嘴和分区燃烧.仿真结果表明,同轴双剪切单喷嘴方案能使燃气温度在较短的预燃室长度内达到较好的均匀性.试验结果表明,同轴双剪切喷嘴方案具有良好的点火可靠性和燃气温度均匀性,并且能在较广的流量范围内维持良好的燃气均匀性.      

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

高能点火药点燃性能的研究

以 Co₂ 激光为能源对 Al+KClO₄ 高能点火药的点火特性进行了研究。结果表明:Al和KClO₄ 的质量比各为 50 %时,点火延迟时间最小。点火药中掺入少量硫粉能大大减少点火延迟时间。点火延迟时间随点火药的初温的升高而减小。点火延迟时间随点火热流密度的增大而减小。存在一个最小点火热流密度,小于此值点火药将不能被点着。在实验观察和理论分析的基础上,提出一个Al+KClO₄ 高能点火药的点火模型,并对由此模型而导出的控制方程进行了数值求解,计算结果与实验值相符。      

N2O/C3H8火炬式点火器试验研究

为了研究氧化亚氮/丙烷的点火特性,在理论分析的基础上采用电激励火炬式点火方案并组建了实验系统,在不同的流量和余氧系数工况下进行了N2O(g)/C3H8(g),N2O(g)/C3H8(l)点火特性实验。结果表明:采用气液同轴离心式喷嘴的电激励火炬式点火方案可行,实现了低余氧系数下的点火。所设计的点火器在1J的点火能量下,N2O(g)/C3H8(g)在燃烧室压强为环境大气压条件下的成功点火余氧范围为0.222～0.321;N2O(g)/C3H8(l)在燃烧室平衡压强为0.50～0.65 MPa时成功点火余氧范围为0.299～0.407,并在平衡压强提高至1～1.3 MPa后成功地引燃主发动机。     

吸附式压气机叶型设计技术研究

以开发能提高叶片负载能力的"吸附式压气机(The aspirated compressor)"叶型设计技术为目标,以某发动机高压压气机的前三级为工程背景,研究了超高负荷的单级吸附式压气机气动方案,初步建立了从子午流道设计、S₁流面基元叶型反问题设计到带附面层吸除S₁流面计算分析的一套设计方法.以单级方案动叶叶尖截面作为设计实例,演示了开发的设计方法能够设计出基本达到设计要求的吸附式压气机叶型.      

基于多元线性回归的发动机性能参数预测

在对发动机性能参数相关性研究基础上,结合多元线性回归预测模型,提出了一种能够考虑发动机众多因素对因变量影响的发动机性能预测模型.使用该模型对发动机排气温度(EGT)进行预测时,能够兼顾到p_4.95,N₂,T₃,N₁,p_B等性能参数对EGT影响.最后使用一组某民用机型发动机飞行试验数据对模型进行了验证,并与加权一阶局域法进行了对比.结果表明,该模型预测精度优于加权一阶局域法,该方法可以为这种机型发动机故障预测提供决策依据.      

同轴氢氧谐振点火器试验研究

在环形喷嘴气动谐振加热的试验研究基础上,对同轴氢氧谐振点火器进行了点火性能试验和反压试验研究,结果表明:点火器能为液体火箭发动机可靠点火提供强大热流;能重复多次点火,寿命长;点火器抗系统干扰能力强,点火器出口反压快速增长时,点火器不会熄火,仍能持续提供稳定的氢氧火炬。非电钝感的同轴氢氧谐振点火器可作为正在研究发展中的可重复使用液体火箭发动机多次点火的优选方案之一。     

航改燃机多点喷射贫预混燃烧室燃料分级实验研究

为保证多点喷射贫预混燃烧室在50%～100%载荷工况范围的NO_x和CO排放量满足排放标准,本文实验研究了燃料分级数及不同工况、进口压力、进口温度下燃料分级比例对七喷嘴燃烧室NO_x和CO排放的影响规律。结果表明：主模燃料不分级方案,50%～60%载荷工况CO排放量较高而不满足排放标准;主模燃料分两级方案,50%～100%载荷工况范围内NO_x和CO排放量均满足■≤25×10^-6,f_CO≤50×10^-6(@15%O₂)的排放标准,且70%工况是打开主模第二级燃料的过渡工况点。另外随着进口压力和温度升高,能同时满足NO_x和CO排放标准的R_pilot(副模燃料质量流量与总燃料质量流量之比)范围逐渐缩小,且NO_x排放量与进口压力关系为■∝p₃^0.44。因此采用主模燃料两级分级方案且适当调节R_pilot,本文多点喷射贫...     

应用气动谐振点火的氢氧小发动机试验

将气动谐振点火技术应用于小推力氢氧火箭发动机的设计,通过分析不同混合比下的比冲和燃气温度,确定了氢氧小发动机的总体参数,开展了在不同工况下点火器的单独试验,氢氧小发动机的全系统试验以及小发动机脉冲起动试验。研究结果表明,氢氧小发动机可以实现多次重复起动,结构完好,性能稳定,验证了应用气动谐振点火技术氢氧小发动机的可靠性及方案的可行性。     

小发动机推力矢量的测量

针对小发动机推力矢量的特点和测量要求 ,在分析二轴转台数学模型的基础上提出了间接测量推力矢量的线性组合法 ,最后给出误差计算公式。通过转台的旋转和伸缩形成不同的试验工况 ,得到测量数据的超定方程组 ,再用最小二乘法解矛盾方程求得推力矢量的方向角和偏移量。经多次试验表明 ,用该方法测量推力矢量参数的不确定度远小于± 5% ,超过了原定技术要求     

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。     

液氧/丙烷推力室试验研究

1987～1989年间进行的液氧/丙烷推力室试验研究内容主要涉及点火和启动、燃烧、传热等。目的在于探索液氧/丙烷推进剂的技术关键,为新型液氧/烃发动机论证提供必要依据。使用了两种结构状态的推力室。试验室压2.5～7.8MPa。推力8～25kN(真空)。通过试验,考核了液氧/丙烷推进剂的点火和燃烧性能,验证了丙烷再生冷却的可行性;并与四氧化二氮/偏二甲肼自燃推进剂、液氧/煤油推进剂的试验情况进行了比较。     

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明：点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。     

流体喉部横流喷嘴的雾化特性

为了研究横流喷嘴的雾化效果以及对发动机推力的影响，采用互击式直流喷嘴、逆向式直流喷嘴和水平式直流喷嘴进行了冷流试验.研究了不同试验工况下喷管出口喷雾场雾滴的索太尔平均直径与发动机的推力特性.研究结果表明:随着压比的增加，雾滴直径减小；相同的压比下，雾滴直径最小的喷射方案为喉扩喷射，雾化质量最好的喷嘴为互击式直流喷嘴；同时在喉扩喷射方案下，3种喷嘴的扼喉能力与推力比随着流量比的增加而提高.      

引射器轴向位置对PDE的性能影响实验

根据脉冲爆震发动机(PDE)工作特点为其设计了6组不同结构的圆柱型引射器,并针对各种结构引射器,采用力传感器法对不同轴向位置处引射器的增推性能进行了实验研究,实验采用汽油为燃料,空气为氧化剂。实验结果发现,轴向位置对引射器的增推性能有非常明显的影响,当引射器入口正好位于脉冲爆震发动机出口处(0点)或位于下游1/2倍脉冲爆震发动机直径处时,系统会出现一个至少高于35%的推力增益点,但是当引射器入口从该点继续远离发动机出口位置时,推力将会急剧地下降;当引射器从0点逐渐向上游移动时,引射器的推力增益呈先下降后上升再下降的趋势,最高推力增益可达80.5%。     

双组元发动机燃烧室瞬态工作过程仿真

为真实模拟双组元姿控发动机燃烧室的瞬态工作过程,耦合考虑了自燃点火与喷雾燃烧过程,提出了适合于准一维计算的求解燃烧室气体参数的新方法,发展了可反映集液腔填充和排空过程影响的喷注质量子模型,建立了分析双组元姿控发动机燃烧室瞬态工作过程的准一维模型。利用此仿真模型分析了EADS 10N姿控发动机燃烧室的单脉冲和多脉冲工作过程,得到了真空推力、液滴位置分布和总冲等结果,并与文献中的试验结果进行了比较分析。表明仿真结果与试验结果一致性较好。     

面向对象的通用航空发动机建模技术研究

针对目前发动机性能仿真中燃气热力性质计算方法适用范围和通用性差的问题,加入一种变成分的求解方法,并利用面向对象技术构建了通用的航空发动机性能仿真系统.建模中考虑了部件特性耦合、引气、冷却和功率提取等影响.同时在程序中加入了一些异常处理机制,以便于快速准确地进行调试,增强系统的可靠性.最后利用该仿真系统进行了某型双转子混排涡扇发动机的稳态特性计算,并与试验数据进行了比较.结果表明采用的变成分法进行发动机性能仿真的推力误差一般不超过3%,耗油率误差不超过2.5%,取得了良好的精度.尤其在高空小马赫数时变成分法的精度高于传统的拟合法.