基于金属陶瓷堆芯1000 kN核热火箭发动机系统及组件参数研究

针对大推力核热火箭发动机系统设计问题,开展了基于金属陶瓷(CERMET)堆芯1000 kN核热火箭发动机系统方案研究。通过对比闭式膨胀、开式膨胀和抽气三种循环方式的发动机系统性能,确定闭式膨胀循环为最佳系统循环方案;进行了反应堆堆芯、推力室、氢涡轮泵和再生冷却段的组件方案设计及数值仿真分析,得到反应堆氢出口温度2750 K,室压4.997 MPa,氢涡轮泵轴功43 MW,再生冷却段总温升和总流阻分别为190 K和3.3 MPa。最终获得比冲908 s的发动机系统参数。     

空天飞机用涡轮风扇-冲压组会发动机的设计研究

本文对分离式涡扇-冲压发动机进行了初步设计研究,讨论了如何选择发动机结构外形,设计参数(包括旁路比、压力比、涡轮前温度和燃料种类)以及涡轮冲压发动机工作方式等。通过计算表示了不同设计参数对发动机性能的影响,还分析了普通进气道对发动机性能的影响。     

多凹腔双模态冲压发动机燃料喷注方案试验研究

为了更深入地了解和掌握多凹腔双模态冲压发动机的燃料喷注方案对燃烧室流场结构和工作性能的影响,开展了模拟飞行马赫数4.5~5.0及总温1048~1231K范围内变化的多凹腔双模态冲压发动机地面直连试验。通过试验,得到了不同喷注当量比、喷注位置或喷注级数条件下稳定的壁面压力分布和出口总压数据,并采用一维冲量分析程序对试验数据进行了详细处理和分析。结果表明:提高喷注当量比能有效地提高发动机的推力,但燃烧效率和发动机比冲会降低;将燃料喷注位置提前能使发动机的燃烧效率和推力分别提高5.6%和4.4%;燃料的分配方案对燃烧室的流场结构有明显影响,热力喉道的位置随燃料更集中地在下凹腔喷注而更靠下游,且要形成该热力喉道则需加入更多热量;采用上下游的两级喷注能形成较宽范围的亚声速区,有利于燃料的燃烧释热,可使燃烧室效率和发动机推力分别提高10.4%和10.8%。     

串联式涡轮冲压发动机加力/冲压燃烧室设计及流场计算

以串联式TBCC加力/冲压燃烧室为研究对象,提出包含一体化整流支板、加力内锥及长短交错的径向火焰稳定器组成的TBCC加力/冲压燃烧室方案。针对TBCC发动机加力/冲压燃烧室进行了数值模拟,获得该燃烧室在不同模态下的流场特性。计算结果显示,在涡轮工作状态和涡轮/冲压共同工作状态下,TBCC发动机加力/冲压燃烧室的总压恢复系数均在95%左右;在冲压工作状态下,其总压恢复系数在86%左右。可以满足在不同模态下加力/冲压燃烧室对总压恢复系数的要求。     

高速涡轮发动机技术发展浅析

根据高速飞行器的发展趋势,介绍了高速涡轮发动机概念及应用背景。通过分析国外典型高速涡轮发动机产品及研制计划,归纳出高速涡轮发动机的基本特征:以现有涡轮发动机为基础,采用组合循环、进气预冷等扩包线技术,具有耐高温能力。鉴于此,提出高速涡轮发动机的发展,需突破进气预冷、先进加力/冲压燃烧室设计、冷却与热防护、先进进排气系统设计等关键技术。同时,对高速涡轮发动机的技术发展也提出了初步设想。     

基于推力连续准则的小型涡轮冲压组合发动机模态转换过程分析

基于数值模拟方法开展了小型涡轮冲压组合发动机性能计算与匹配性分析.给出了详细的性能计算流程、设计点参数确定准则和模态转换过程参数计算方法.根据涡喷发动机压气机进口、涡轮出口的总静压参数沿飞行轨迹的变化规律,确定了涡轮模态向冲压模态转换的合理区间.根据冲压燃烧室进口参数和静压平衡等约束条件,确定了小型涡轮冲压组合发动机关键截面几何参数.分析了不同的流量调节阀开度对模态转换过程参数变化的影响.按照推力连续的准则,确定了模态转换过程流量调节阀开度随马赫数的变化规律.最后给出了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机推力、比冲和喷管喉道面积的变化.      

油冷涡轮动叶方案中旋转冷却效应分析

空气涡轮技术可用于超燃冲压发动机,解决燃料和电力供给问题,其面临的主要障碍是冷源受限条件下涡轮动叶的冷却措施。提出了一种用燃料作为冷却剂的油冷方案,对涡轮动叶进行冷却。针对该方案,建立了三维模型并通过数值模拟方法评估该方案的可行性,并研究了旋转条件下的流动换热问题。结果表明:油冷方案可以在基本不影响涡轮性能的基础上有效降低动叶温度;单个叶片用1g/s流量的燃料就能使叶片的温度大幅降低;高速转动下,冷却通道中压力最高可达114.5MPa;旋转效应增强了冷却通道中流动的湍流度,提高了冷却剂与叶片之间的对流换热系数。     

一种外并联型涡轮基组合循环发动机进气系统方案

提出了一种外并联型涡轮基组合循环发动机可变几何进气道气动设计方案.数值模拟研究了该变几何方案沿飞行轨迹的气动性能参数变化.在此基础上,对设计参数和进气道几何调节规律进行研究,得到了较优的进气道调节规律及典型工作点进气道气动性能.结果显示:不同来流马赫数下,涡轮通道喉道截面总压恢复系数不低于0.69,冲压通道出口截面总压恢复系数在0.38以上.      

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H2/O2七组分八方程模型,湍流模型为标准的k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。     

提高四冲程点燃式重油航空发动机抗爆性措施

应用GT-Power软件,对某四冲程点燃式航空活塞增压发动机进行使用不同燃料的一维性能仿真分析,针对低辛烷值燃料易发生爆震的特性,分别采用添加抗爆添加剂、调整发动机的压缩比、增压压力、空燃比、缸径、点火提前角等参数,在抑制爆震的前提下尽可能实现发动机功率恢复。将原93#汽油燃料换成辛烷值为61的特种煤油燃料后,在不扩大气缸直径和扩大气缸直径两种方案下,发动机功率恢复分别达到原型机的89%和95%,油耗率分别增加5.4%和6.1%,排气温度分别提高11.4%和13.4%。      

航空涡轴发动机发展趋势

基于国际上典型航空涡轴发动机的发展历程,概括了航空涡轴发动机产业发展趋势,其所呈现的系列化、军民两用化和国际合作化特点十分鲜明,国家层面实施的发展计划对航空涡轴发动机的发展起到了重要引领作用。基于统计分析,展望了航空涡轴发动机结构布局和性能发展趋势。研究表明:在结构布局方面,航空涡轴发动机朝着结构紧凑化方向发展,压气机和涡轮级数呈现不断减少的趋势。1 500 kW级以下的航空涡轴发动机将更普遍地采用单级/双级离心压气机和单级涡轮,1 500 kW以上的航空涡轴发动机将更普遍地采用轴流+离心组合压气机和双级涡轮,同心轴前输出功率型式成为主流功率输出型式。在性能方面,未来先进航空涡轴发动机的压比将达到30,涡轮前温度将达到1 900 K,油耗将低至0.20 kg/(kW·h),单位功率将达到400 kW/(kg/s),功质比将达到14 kW/kg。      

提高二冲程煤油发动机抗爆性措施研究

为解决某二冲程航空活塞发动机采用航空煤油后爆震极限功率严重下降的问题，进行了一维发动机性能仿真分析，提出了提高发动机爆震极限功率的技术措施。在发动机额定工况下，油耗率和排气温度不发生恶化的前提下，添加抗爆添加剂、降低压缩比和推迟点火提前角以抑制采用煤油后的发动机爆震倾向,扩大缸径和降低空燃比以助于恢复发动机的爆震极限功率。结果表明:经过优化，发动机输出功率可达到原型机的96%，油耗率增加了19%，排气温度升高了57K。研究结果可为二冲程煤油发动机的性能优化和提高工作的可靠性提供依据。      

液化天然气作为航空燃料的发展趋势及特点分析

为研究液化天然气(LNG)作为航空燃料的可行性,对LNG的特点、发展趋势及作为航空燃料存在的问题进行了分析.采用了横向比较的方法,将LNG与新的航空替代燃料和传统航空燃料进行了比较和计算分析.结果表明:与新的航空替代燃料相比,LNG具有来源广泛、经济性好、发动机适应性强等优点.与传统航空燃料相比,LNG的储量大,可使用100年以上;可燃极限宽、污染物排放低,NOx排放仅为航空煤油的1/4;单位质量能量密度高、成本低,其燃料成本仅为航空汽油的一半,航空煤油的1/3;同时还具有可用于发动机高温部件冷却用的冷能,是一种极富潜力的航空燃料.指出在LNG作为航空燃料方面急需开展动力系统与飞机结构的匹配、燃料相态的有效转化及不同燃料在燃烧室内的反应特性等方面的研究工作.      

基于试验设计-遗传算法的船用柴油机冷却系统多目标优化

为了获取某型船用柴油机冷却系统的最佳运行参数,在柴油机可靠运行的前提下,尽量提升动力性和经济性。建立了柴油机工作过程-燃烧室-冷却系统耦合仿真模型,提出试验设计-遗传算法优化算法,该算法具备节省试验成本和多目标全局寻优的优势,选取柴油机的6个典型推进工况点进行研究,采用该算法对冷却系统运行参数开展多目标优化设计,优化设计以海、淡水泵转速为变量因子,以提升动力性参数和经济性参数为目标,以涡前排温、淡水出机温度和峰值缸压为约束条件,优化后,在低负荷点,淡、海水泵节省功耗79.4%、71.73%,扭矩提升7.2%,有效功率提升7.6%,热效率提升8%,耗油率降低6.73%,摩擦功降低9.71%,峰值缸压降低5%。研究结果表明：耦合仿真模型与实机更加贴近;试验设计-遗传算法在解决强耦合、非线性系统的多目标优化问题具备成本低、效率高、精度高的优点。     

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%。     

高温燃油对航空发动机控制系统的影响分析

随着新一代飞机性能的提高,燃油成为飞机的主要热沉,承担巨大的散热压力,导致发动机进口燃油温度大幅提高.为了保证发动机控制系统在高温燃油环境下的控制品质和工作可靠性,针对高温燃油的特性变化对发动机控制性能的影响进行了分析,同时分析了高温燃油对液压机械装置、电气元件和发动机滑油系统的影响,给出了燃油温度限制的参考值.研究结果表明,必须对燃油温度进行限制才能保证发动机控制系统在高温燃油环境下正常工作.     

Efficiency optimized fuel supply strategy of aircraft engine based on air-fuel ratio control

Accurate fuel injection control of aircraft engine can optimize the energy efficiency of UAV power system while meeting the propeller speed requirement. Traditional injection control method such as open-loop calibration causes instability of fuel supply which brings the risk of power loss of UAV. Considering that the closed-loop control of AFR can ensure a stable fuel feeding, this paper proposes an AFR control based fuel supply strategy in order to improve the efficiency of fuel-powered UAV while obtaining the required engine speed. According to the optimum fuel injection results, we implement fuzzy-PID method to control the set AFR in different situations. Through simulation and experiment studies, the results indicate that, to begin with, the calibrated mathematical model of the aircraft engine is effective. Next, this fuel supply strategy based on AFR control can normally realize the engine speed regulation, and the applied control algorithm can eliminate the overshoot of AFR throughout all the working progress. What is more,the fuel supply strategy can averagely shorten the response time of the engine speed by about two seconds. In addition, compared with the open-loop calibration, in this work the power efficiency is improved by 9% to 33%. Last but not the least, the endurance can be improved by 30 min with a normal engine speed. This paper can be a reference for the optimization of UAV aircraft engine.     

电动燃油泵驱动电机浸油冷却性能数值模拟

为了研究电动燃油泵驱动电机浸油冷却性能,基于冷却流体及电机各部件3维模型,充分考虑各部件发热功率以及材 料属性等物理量的影响,采用有限体积法对电机流-热耦合场进行模拟仿真,分析不同边界条件对电机流场和温度场的影响。结 果表明：在最大冷却燃油流量以及电机最高功率下,流道的压力损失和电机的最高温度均能满足电动燃油泵的运行要求;随着冷 却流量增加或燃油粘度的增大,流道的压力损失增大,且在最大冷却流量下,燃油粘度每增大1 mm 2 /s,压力损失增大约2 kPa;电 机功率和入口温度对电机各部件温度的影响较大,各部件温升与燃油进口温度近似呈线性关系,而环境温度对电机温度场影响较 小。研究结果为电动燃油泵电机浸油冷却流道的设计与优化提供了理论依据。