强预冷涡轮发动机关键技术分析

以强预冷技术扩展现有成熟涡轮发动机的飞行速度范围，从而实现与超燃冲压发动机的“接力”，是高超声速飞机动力的一种典型方案。强预冷涡轮发动机的研制，需要系统性地攻克一大批关键技术。根据国内外研究现状，本文梳理了强预冷涡轮发动机的技术难点，对相关关键技术进行了分析和归纳，如有适应宽工况范围的高效紧凑预冷器设计和加工工艺、预冷系统与涡轮发动机全工况匹配技术、强预冷发动机与进排气系统协同设计等，为国内组织开展相关研究和工程研制提供参考。     

高超声速强预冷航空发动机技术研究进展

高超声速强预冷航空发动机技术是1项具有巨大潜在技术优势的革命性动力技术,已成为高超声速动力的研究热点。 调研了国外具有代表性的强预冷发动机技术发展脉络及现状,并对不同发动机方案的典型技术特征进行了分析与总结;详细介绍 了中国在强预冷航空发动机热力循环设计分析、紧凑强预冷器设计制造和试验、超临界氦叶轮机设计、宽域进排气系统优化设计 及高效燃烧等技术方面的最新研究进展。国内外已有研究表明：高超声速强预冷航空发动机原理先进、综合性能优异,多项核心 技术已取得重大突破,无“卡脖子”难题;中国可进一步开展强预冷航空发动机核心系统和整机集成验证,提升强预冷航空发动机 技术成熟度,为水平起降重复使用高超声速飞行器研制提供有力支撑。     

射流预冷涡轮发动机技术研究及发展

国内外已开展大量射流预冷涡轮发动机技术研究和验证,并已证实射流预冷涡轮发动机的技术可行性,采用射流预冷技术后可有效扩展现有涡轮发动机工作范围并提升性能,射流预冷发动机将极大地支撑后续高速/高超声速飞行器动力技术的研究和发展。本文对国内外射流预冷涡轮发动机技术的研究情况进行了综述,在此基础上,提出需深入研究的问题,并对射流预冷涡轮发动机发展前景进行分析。     

航空涡轮发动机射流预冷技术研究

利用雾化蒸发的高效冷却技术,可以将高温进气降低到发动机材料允许的工作温度。针对射流预冷涡轮基冲压组合循环发动机,对比分析了国内外已有射流预冷技术的进展,详细介绍了射流预冷发动机的理论和试验验证情况,总结了射流预冷对航空涡轮发动机性能的影响,针对射流装置和喷水/液氧降温效果进行研究和验证。国内外已有研究表明,依靠射流预冷技术不会对发动机性能产生太大的不利影响,具有技术成型快、成本低,有效地扩展飞行包线,不受飞行高度和马赫数限制等优势。射流预冷技术可以解决涡轮发动机与冲压发动机在模态转换过程的"推力鸿沟"问题,具有潜在的技术优势,值得引起关注并开展进一步的深入研究。     

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能模拟

为扩展吸气式涡轮火箭发动机工作范围,提高发动机性能,在常规涡轮火箭发动机基础上加入射流预冷系统并修改热力模型,建立了射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能计算模型。在给定航迹和控制规律下分析了不同压气机进口限制温度对喷水量、净推力和比冲的影响。仿真结果显示加入射流预冷器可以极大的扩展涡轮火箭发动机的工作范围,在高马赫数下可以极大的提高涡轮火箭发动机的净推力。     

涡轮与冲压组合动力高温进气预冷特性

针对涡轮基冲压组合循环发动机中高温进气影响涡轮发动机性能的问题,开展实际某高空模拟试验进气预冷段的数值分析。基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程,探索射流冷却对不同高空高马赫数进气条件时预冷段内温度和压力的沿程变化规律。结果表明,射流冷却对流场具有明显地温降效果。带有射流装置的预冷段内流动损失是以由黏性耗散所引起的耗散熵产为主,而由气-液传热温差所引起流场温度梯度变化的加热熵产并不显著。对比高空模拟试验进气工况在射流量4%~7%的冷却效果发现,预冷段内气流温降程度为32.30~90.08 K,冷却前后总压降系数范围由1.42%~1.86%降低到0.95%~1.46%。因此,射流冷却技术在一定程度上改善涡轮发动机在高空高马赫数工作时进气流场特性。      

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,同时为提高发动机工程实现可行性,本文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 s~2099 s之间,地面点单位推力最大,达到1.9 kN/(kg/s);特性研究发现发动机推力与比冲在高度0~15 km、马赫数1~3之间最高,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。     

射流预冷装置温降与流阻特性试验研究

为了满足基于某型传统涡轮发动机射流预冷技术验证的需求,以射流预冷装置的温降和流阻特性研究为基础,设计了1种高效蒸发、低流阻的射流预冷装置,搭建了国内首套基于全尺寸的地面模拟试验系统,通过试验验证的方法研究了喷入介质的流量变化和进气温度变化对温降和流阻特性的影响,验证了射流预冷技术的有效性。结果表明:发动机入口来流温度不变时,射流预冷装置的温降特性主要取决于喷入介质的流量变化;随着来流温度的升高,射流预冷装置的介质蒸发率提高,来流降温量也会随之增大;通过调节喷射介质的流量,可将发动机风扇前气流温度维持在80~120℃;流阻特性主要取决于射流预冷装置自身,而介质喷射对流阻特性几乎不产生影响;射流预冷装置的总压损失小于4%,且随着来流温度的升高,总压损失有所减小。     

涡轮发动机射流预冷关键技术分析

射流预冷技术(MIPCC)是扩展现有涡轮发动机工作范围的一条有效技术途径和重要发展方向,其技术研究将极大地支撑后续高速/高超声速飞行器动力技术的研究和发展。根据国内外研究现状,梳理了开展射流预冷技术研究的技术难点,并对需要掌握的关键技术进行了分析和解读,可为国内后续射流预冷技术工程研制提供参考。     

高超声速动力能热管理技术综述

高超声速飞行器因良好的高速突防和快速打击能力成为重要的装备发展方向,但高超声速飞行工况的特殊性使其动力 系统对热管理和能源供给提出了严苛的需求。通过分析文献对高超声速动力的热防护、燃油热管理和进气预冷等技术进行了详 细评述。热管理对高超声速动力装置的功能和性能实现具有重要影响,但其目前在该领域研究技术的成熟度较低,飞发一体化是 解决问题的重要技术途径之一。通过文献综述对能源供给的生成及利用等技术与传统飞行器进行了对比,概述了现有高超声速 动力主要的能源供给方式的关键技术为燃油裂解气涡轮等,在此基础上总结了能热（能源与热）管理的未来发展趋势为热电转换 等,为高超声速动力能量综合能热管理技术的发展提供借鉴。     

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。     

国外TBCC发动机发展研究

涡轮基组合循环(TBCC)发动机是未来高超声速飞行器最适合的动力系统之一,配备该类发动机的高超声速飞行器具备水平起降、机动飞行和重复使用能力。本文对国外开展的TBCC研究项目(如美国的RTA、FaCET和Trijet,日本的HYPR和ATREX,以及欧洲的LAPCAT)进行了系统阐述,较为详细地分析了各研究项目中TBCC方案特点,表明随着涡轮发动机技术的全面发展,及采用火箭引射冲压和预冷等技术,涡轮发动机的工作马赫数可扩大到4.0,且TBCC发动机具有工程可实现性,是未来最具发展潜力的空天动力。     

改善涡扇发动机多任务适应性的途径探讨

基于改善涡扇发动机多任务适应性的目的,提出了两种解决方案。利用加力燃油的热容,改善涡扇发动机的性能。在预冷换热效果能实现设定数值的假设前提下,计算了预冷换热对发动机性能的影响,对两种途径的可行性进行了分析。结果证明所提出的两种途径对于涡扇发动机的性能和多任务适应性有很大改善。      

舰载全电推进系统智能燃气轮机的关键技术及发展展望

随着对性能、运行安全和节能减排的日益重视,对燃气涡轮发动机的设计要求越来越高。在过去的10年中,智能燃气 涡轮发动机由于可以兼顾性能及可靠性而越发受到重视。通过提炼智能燃气涡轮发动机的收益及挑战,系统回顾了智能燃气涡 轮发动机涵盖的技术领域及需求。通过与航空发动机及地面燃气轮机的典型任务剖面差异进行对比,提出针对舰载燃气涡轮发 动机智能化特色需求。在此基础上,梳理出进气畸变实时监测及畸变指数评估、压缩系统喘振预警及叶片振动监测、高压涡轮自 适应热管理和高温旋转件叶尖间隙测试4项关键技术。重点讨论了每项关键技术带来的收益、国内外研究现状及实施这些技术 所面临的挑战。然而,上述关键技术的落地仍需从单一技术的成熟及完善、多维度的技术收益论证2个层次持续开展相关工作。     

流动参数对超临界喷射特性影响的数值模拟

 目前航空发动机燃烧室雾化系统设计主要是针对亚临界喷射的,但高性能要求使得未来飞行器发动机的燃料喷射系统会以跨临界/超临界喷射为主。基于此,对液态碳氢燃料的超临界喷射特性进行了研究。首先选取了适合超临界流体物性参数特点的计算和求解方法,建立了超临界喷射特性计算的数学模型;然后采用该模型对JetA燃料喷射到N₂环境中的喷射过程进行了数值计算研究,并通过与已有的实验结果进行对比验证了模型的正确性;最后对流动参数对于超临界喷射特性的影响进行了数值模拟,得到了喷射长度和喷射扩张角与流动参数之间的关系。     

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。     

自适应变循环发动机性能优势评价方法

为了综合评价自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机的性能优势,提出了从发动机耗油率降低和质量增加2个维度以及从发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间关系的角度来评价自适应变循环发动机性能的2种方法。结果表明:发动机耗油率降低和质量增加之间存在某个平衡点,只有质量增加幅度小于耗油率降低幅度时,才能体现自适应变循环发动机的性能优势,并且飞机航程越长,越能体现自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势;发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间呈指数关系变化,当假设飞机巡航航程为3500 km、飞机升阻比为10.5时,自适应变循环发动机巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低1%,可使飞机燃油消耗量减少约1.9%,飞机燃油效率提高约2.4%。     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。