内燃波转子影响涡轴发动机性能研究

内燃波转子涡轴发动机是一种集波转子增压技术、等容燃烧技术和涡轴发动机技术为一体的新概念发动机。介绍了内燃波转子的结构和工作原理,建立内燃波转子涡轴发动机热力循环分析数学模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数变化对涡轴发动机性能的影响研究,探讨内燃波转子涡轴发动机热力循环状态参数变化规律,验证了内燃波转子技术能够显著提高涡轴发动机性能,内燃波转子涡轴发动机比功率和热循环效率最大提高了35.79%,耗油率SFC最大减少了26.37%。     

内燃波转子发动机循环分析

为研究内燃波转子发动机性能变化规律,建立内燃波转子发动机的气动热力循环分析模型,开展了内燃波转子对燃气轮机总体性能的影响研究,并进行影响内燃波转子发动机总体性能的参数分析,且针对现役涡轴发动机,结合波转子技术,给出5种组合方式。结果表明内燃波转子能够显著地提高燃气轮机的总体性能,循环功最大提高39%,耗油率最大降低28%。提高涡轮进口温度可以提高内燃波转子发动机的总体性能;存在使循环功达到最大值的最佳压气机压比,且涡轮进口温度越高,最佳压气机压比越大。在基准燃气轮机与内燃波转子的组合方式中,保证压气机部件以及涡轮进口温度不变,能最大限度地提高燃机轮机的性能。     

串联式TBCC发动机模态转换模拟

为开展涡轮基组合循环(TBCC)发动机模态转换过程研究,基于某小型涡喷发动机,应用串联式TBCC发动机总体性能数值计算程序进行性能计算。根据沿飞行轨道TBCC发动机冲压涵道与涡轮发动机涵道气流混合过程中的参数变化规律,开展模态转换过程模拟。分析了不同等动压头、加力/冲压燃烧室进口马赫数、出口温度等主要参数对发动机性能的影响。根据小型串联式TBCC发动机模态转换过程和沿飞行轨道的发动机稳态特性模拟,确定了较为合理的模态转换区间,并得到了推力、耗油率等发动机性能参数。研究表明:不同动压头对应不同的模态转换马赫数,加力/冲压燃烧室进口马赫数和出口总温对模态转换马赫数并无影响。     

涡轮冷却技术对航空发动机性能的影响

为了分析不同涡轮冷却方式以及冷却技术水平对航空发动机性能的影响,建立了航空发动机性能仿真模型,引入了考虑冷气用量以及冷却附带效率损失的涡轮冷却算法。计算结果表明:在相同的热力循环参数下,对流气膜冷却对应的发动机单位推力、热效率以及耗油率均较为良好,综合表现最佳;就对流气膜冷却而言,若冷气用量以及冷却附带效率损失均减少20%,则发动机耗油率降低0.9%,单位推力提高3%。     

基于多设计点方法的陶瓷基材料涡桨发动机热力循环分析

为了研究陶瓷基复合材料（CMC）对先进民用涡桨发动机总体性能带来的提升,建立了双转子燃气发生器自由涡轮式涡桨发动机多设计点热力循环分析模型,并编制了相应的程序。计算分析了采用常规金属材料、仅高压涡轮导向器采用CMC以及整个高压涡轮部件采用CMC的涡桨发动机总体性能。结果表明：（1）高压涡轮导向器采用CMC且保持高压涡轮转子进口温度与金属材料一致,耗油率和单位功率性能最多分别提升1%和1.1%,同时可以使燃烧室出口温度最多降低83℃。（2）高压涡轮导向器采用CMC且保持燃烧室出口温度一致,耗油率和单位功率性能最多提升1.6%和6.5%。（3）当整个高压涡轮采用CMC时,耗油率和单位功率性能最多提升7.8%和20%。     

固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。     

带TIB的涡扇发动机性能研究

基于双轴混合排气涡扇发动机热力学模型,采用气动热力循环参数分析方法,计算分析了带有涡轮通道内燃烧室(TIB)涡扇发动机设计点的热力性能,研究比较了TIB对发动机高度特性、速度特性以及转速特性的影响。计算结果表明,采用TIB方法,虽然耗油率(TSFC)有一定增大,但发动机单位推力(ST)明显增大,发动机性能得到改善。     

用高低压涡轮间补燃提高双轴涡扇发动机性能

基于双轴涡扇发动机热力学模型，采用高低压涡轮间补燃的方法，实现了对发动机性能的改善，研究分析了高低压涡轮间补燃对发动机高度特性，速度特性以及转速特性的影响，计算结果表明采用高低压涡轮间补燃的热力循环后，发动机的推力明显提高，耗油率基本保持原来的水平或有所降低。     

TA-6发动机的引气特性

在TA-6发动机的压气机出口处引气,得到了发动机转速不变条件件下压气机增压比、引气阀压力损失系数、引气管内气流总压和引气气流温度与引气量之间的关系。研究表明,相对引气量在9～22％范围内变化时,TA-6发动机流量几乎不变,压气机增压比变化仅5％,引气压力为1.27×10~2～2.45×10~5Pa,引气温度约473K。所得结果可为燃气涡轮装置引气设计提供参考。     

对涡轮盘材料的需求及展望

在航空燃气涡轮发动机中，涡轮部件的工作条件最为苛刻，特别是涡轮转子，要在高温、高压、高转速和高气流速度下工作。涡轮转子的工作能力直接影响发动机的基本性能和可能性，分析了发动机设计对涡轮盘材料的需求，展望了涡轮盘材料的发展趋势。     

爆震燃气轮机的变比热容热力循环性能

为分析变比热容下爆震燃气轮机的热力循环性能,建立了考虑比热容随工质成分及温度变化的爆震燃气轮机热力循环模型,分析中同时考虑了压气机、燃烧室、透平等部件的效率.在不同比较条件下,利用变比热容法对比分析研究了燃气轮机爆震循环(DCGT)、Brayton循环和Humphrey循环燃气轮机的热力循环性能.计算结果表明:与Brayton循环相比,DCGT具有较大性能优势;在透平前温度为1620K且压比为16.5时,DCGT热效率较Brayton循环高28.8%;在无量纲吸热量为4.25且压比为16.5时,DCGT热效率则较Brayton循环高30.7%.      

带混排涡轮级间燃烧的涡扇发动机循环参数

涡轮混排燃烧室ITB(Inter-stage Turbine Burner)作为次燃烧室位于高压涡轮与低压涡轮之间。文章通过建立ITB混排涡扇发动机的设计点热力计算的数学模型,进而分析主要工作过程参数,如风扇压比、压气机压比、高压涡轮进口温度、ITB出口温度(低压涡轮进口温度)的选取范围及原则;并且对带有ITB与普通的混排涡扇发动机在不同的设计马赫数下进行比较分析。文章的结果有利于混排ITB涡扇发动机各个部件的设计参数选取,进而对于混排ITB涡扇发动机的发展、分析、优化提供有利的指导方向。     

级间燃烧室在航空发动机上应用分析

采用F100-PW229的参数,对发动机增设级间燃烧室后进行了非理想循环分析,比较了不同马赫数下级间燃烧室与加力燃烧室的性能差异,分析了部件效率对带级间燃烧室发动机性能的影响,对比了主燃烧室、级间燃烧室、加力燃烧室的燃烧效率;计算结果与理想循环存在差异:亚声速下,级间燃烧室发动机推力的增加需要相近增量的耗油率,超声速下同等耗油率可增加约10%推力;其经济性、机动性介于常规发动机和带加力燃烧室发动机之间;最后对增设级间燃烧室的发动机进行了参数优化.      

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。     

涡轴发动机性能在线监测技术研究及试验验证

研究了基于模型的涡轴发动机性能在线监测技术,开发了涡轴发动机性能在线监测软件,并进行了真实台架试车试验验证.试验结果表明:软件能够自动判断发动机是否已进入准稳态工况,并根据当前的大气条件、燃气涡轮转速、动力涡轮转速,实时计算发动机其它状态量与性能量,如压气机增压比、动力涡轮前温度、轴输出功率、耗油率等.与模型计算结果相比,被试发动机压气机增压比稳态测量值最大偏低2.3%左右,反映了被试发动机与基准发动机之间的性能差异,验证了涡轴发动机地面台架试车性能在线监测技术的有效性.      

Thermodynamic analysis of gas turbines topped with wave rotors

Wave rotors constitute promising gas turbine topping devices. In order to evaluate the potential benefit of these configurations, thermodynamic cycle analyses are carried out for various types of gas turbines including a four-port wave rotor. The parameters chosen to vary are the efficiencies of compression and expansion processes inside the rotor, the wave rotor compression ratio and the mixing and pressure losses in the ducts connecting the wave rotor to the adjacent components of the engine. The results obtained show that almost all the engines under study benefit from the wave rotor addition and that the most significant gain is obtained for gas turbines for which the compressor pressure ratio is moderate (∼5) and the turbine inlet temperature is fairly high (> 1600 K).     

高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析

采用一维定常计算方法,考虑各种部件效率的影响,在双燃烧室发动机总增压比为32,涡轮前总温为1900K时,与高温升燃烧室涡轮前总温为2400K时进行了总体性能对比,并指出了双燃烧室结构发动机2个燃烧室的热量分配方法.结果表明:温升同为1463K时,高温升燃烧室发动机比双燃烧室发动机单位推力高2.7%,耗油率低3.8%.双燃烧室结构发动机更有利克服超声速下的冲压损失, Ma大于1.5之后,增力比大于高温升燃烧室发动机.      

微型涡喷发动机传热效应的建模分析与实验研究

 微型涡轮发动机(MTE)可作为各种新型无人机、微小型导弹的高速推进动力装置,但微型化可能给发动机各部件匹配工作带来包括传热效应在内的特殊影响。针对微型涡轮发动机MTE-110,建立了基于发动机部件特性的总体性能模型,并在此基础上分析了可能的传热效应对压气机特性及整机性能的影响。在MTE-110的地面台架运转试验中,测量数据显示传热效应使压气机的实际温升比绝热温升增加了30%,对压比影响不大,因此显著降低了压气机效率。通过在压气机静子上采用隔热技术后,MTE性能得到显著改善,设计转速下的实测推力提高了23%,达到了96 N。     

CRGT循环燃气轮机性能仿真

采用VC和MATLAB混合编程方法,进行了不同循环燃气轮机的变工况性能分析.其中,采用修正工程算法编制了工质热力性质计算程序,采用反向传播(BP)神经网络法建立了压气机和涡轮部件特性计算模型,采用模块化建模方法建立了简单循环、蒸汽回注(STIG)循环和化学回热(CRGT)循环性能仿真模型.仿真结果表明:在保持燃机几何结构和设计功率不变的条件下,STIG循环和CRGT循环均能降低燃气初温和提高循环热效率.其中,简单循环的热效率为35.16%,STIG循环的热效率可达到45%,CRGT循环的热效率可达到52.8%;为了进一步提高该型燃机的应用潜力和使用范围,可以将该型CRGT循环燃气轮机用于海水淡化应用中.      

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析，以协同吸气式火箭发动机（SABRE 4）为研究对象，采用部件法建立了发动机稳态模型，计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究，得到了发动机的飞行包线。计算结果表明，在吸气式飞行弹道内，核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中，随着飞行马赫数增大，预冷器换热量不断增大，进入预燃室的氢流量减小，预燃室总温降低，HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比，空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷，可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制，发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。