含能碳氢燃料燃烧特性及发动机应用研究进展

在液体碳氢燃料中添加铝、硼等高能固体颗粒是提高燃料能量特性的有效手段,也是未来高性能火箭发动机和冲压发动机性能提升的重要基础。对含能碳氢燃料的发展历程和当前需求进行介绍,重点分析对比了含能碳氢燃料的2种类型及各自优势;综述了国内外开展的含能碳氢燃料单液滴燃烧实验研究,介绍了含能碳氢燃料液滴的特征燃烧过程和典型燃烧现象;总结了国内外研究机构在火箭发动机、亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机平台中开展的含能碳氢燃料应用研究进展。最后,对含能碳氢燃料的下一步研究进行展望。     

超燃冲压发动机壁面热量的利用潜力分析

在高马赫数飞行下,用燃料冷却超燃冲压发动机壁面的冷却需求量大于发动机燃烧量。为了降低燃料的冷却量以及实现燃料冷却量和燃烧量的匹配,采用可用能分析法对超燃冲压发动机壁面热量的利用潜力进行分析。发动机壁面热量特性及燃料的冷却特性决定可用能大小。根据发动机壁面温度分布、热流密度分布及燃料的冷却过程温度分布计算可用能。该方法得出:在壁面最高温度为1200K时,传入壁面的热量为554.4k W,其中理论可用能为331.6k W。没有利用其热量实现热量转换时需要的燃料冷却流量为0.616kg/s,最大限度利用热量实现能量转换输出可用功时只需要燃料冷却流量为0.2476kg/s,降低了燃料的冷却需求量。     

超燃发动机垂直燃料喷射的数值研究

采用隐式有限体积法求解可压NS方程及组分方程,对超燃发动机内的垂直燃料喷射的三维混合流场进行了数值研究。计算结果表明,采用小角度的楔形喷口,可以基本消除喷口上游的分离区,而且其燃料贯穿性能更好。     

含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究

为研究含铝浆体推进剂的燃烧特性,对浆体推进剂模型火箭发动机开展了一系列试验研究。分别将质量分数为21%的纳米铝粉颗粒以及质量分数为12%的氢化铝复合粒子加入到JP-10燃料中,对比分析了浆体燃料与纯净燃料在燃烧性能方面的差异。燃烧试验的氧燃比为1.6~2.0。试验结果表明:与纯净JP-10燃料相比,加入金属颗粒的JP-10浆体燃料在雾化和燃烧过程中产生了严重的结块聚集效应,导致其燃烧效率与质量比冲明显降低,而由于浆体燃料密度远大于纯净JP-10燃料,含纳米铝颗粒的浆体燃料的密度比冲相比于纯净JP-10燃料有大幅提高,提高幅度为5.5%~14.6%。试验还发现浆体燃料的点火延迟略低于纯净JP-10燃料,金属颗粒的加入对推进剂点火性能有积极的影响。试验中采集了喷管出口的固体燃烧产物并进行了XRD,EDS,SEM,TEM等多种手段分析,发现浆体燃料中铝的氧化率约为64%~74%,颗粒团聚现象明显,主要呈球形,尺寸分布不均,约为500nm~3μm。     

吸气式发动机燃料研究进展及展望

针对航天吸气式发动机的发展趋势,分析了其对燃料能量密度、热沉、点火及燃烧等关键性能的要求。总结评述了国内外燃料性能改善的多种技术途径,如通过合成新型液体燃料和添加含能粒子提高燃料能量,借助添加剂和催化反应提高燃料热沉,通过设计合成高反应性燃料分子和借助高活性添加剂缩短点火延迟和提高燃烧效率的技术途径等。提出了满足吸气式发动机近期及中期发展目标的燃料体系,包括积净热值达到60MJ/L的高能量密度燃料,满足长时间运行马赫5～6,马赫7～8,组合动力预冷发动机及马赫数9飞行的燃料。     

小固体燃料冲压发动机燃烧室的研究

小固体燃料冲压发动机燃烧室基本上是一圆柱形药柱,空气通过燃料通道流入.在进气道末有一后向台阶,形成气流回流区以提供火焰稳定的必要条件.再附着区下游,燃料的气化物或分解产物和空气间的气相扩散火焰在已扩展到整个燃料表面的边界层内形成.小固体燃料冲压发动机燃烧室的结构简图以及主流和燃烧特性示于图1.试验系统可模拟所要求飞行条件下的燃烧室和能进行必要测量与控制的静态试验系统已建成和运用(图2).这一系统借助于带有绝热管和抗高温电磁阀的空气电加热器(25kW)来提供流量可控的(达到25g/s)、热的(800K)、高压(1MPa)的空气.氮气吹除装置是用来冷却熄火后的燃烧室.     

燃料浓度分布激光诊断方法与应用

航空发动机内部燃料浓度分布情况影响其性能,诸如点火性能、燃烧效率、污染物生成和出口温度场等,因此,燃料浓度 分布研究十分重要。近年来,基于激光的非接触测量与诊断技术快速发展,平面激光诱导荧光（PLIF）、Raman散射、Rayleigh散射、 Mie散射、激光诱导击穿光谱（LIBS）、可调二极管激光吸收光谱（TDLAS）等非接触测量手段已成功应用于燃料浓度分布的诊断研 究中。介绍了上述基于激光来诊断燃料浓度分布技术的基本工作原理及研究进展,分析对比了各种测量手段的优缺点,提出了基 于单台高能量激光器同时测量多组PLIF组分、基于体激光诱导荧光（VLIF）发展V-Rayleigh散射和V-Mie散射技术等新的测量思 路,展望了这几种激光诊断技术在燃料浓度分布研究方面的发展趋势,未来航空发动机内部的燃料浓度测量将会朝着高速瞬时演 化过程的3D成像方向发展。     

采用固体燃料的超燃冲压发动机研究进展

对采用固体燃料的超燃冲压发动机构型方案进行了归纳总结,详细的介绍了不同构型方案的发展历程和研究现状.针对固体燃料构型、双燃烧室构型和固体火箭构型3种不同构型的工作特点,分析了各自的优势和存在的问题,并在此基础上对其后续的研究提出了建议.研究认为:固体燃料构型方案虽能实现固体燃料在超声速气流中的点火及稳定燃烧,但燃料燃烧效率较低,且难以长时间稳定工作;固体火箭构型方案有利于燃料的点火和稳定燃烧,可实现发动机的长时间稳定工作,具有更好的研究和应用前景.      

混合火箭发动机燃料退移特性的数值计算

混合火箭发动机在航天推进领域优势明显,但由于氧化剂和燃料相态不同,燃料退移的机理和特性比较复杂。采用自行编写的混合火箭发动机程序(HRM)模拟了这种发动机的非稳态工作过程。通过该程序实时数值求解了从氧化剂注入端到尾喷管的全部物理化学过程,并基于燃料表面上气固间的质量和能量耦合,运用燃料表面动态退移和两步计算方法,模拟了燃料退移。在与发动机推力和燃料退移量等实验数据对比的基础上,给出了燃料退移速率方程和燃料退移速率随燃烧室直径的变化规律,确定并分析了影响混合火箭发动机尺度效应的因素。     

美国国防部订购无人驾驶航空器用高粘度燃料发动机

美国国防部订购无人驾驶航空器用高粘度燃料发动机由于无人驾驶航空器（ＵＡＶＳ）继续使用汽油发动机的安全性和后勤问题，促使美国国防部签订了３８００万美元合同，为共用无人驾驶航空器，亦称为Ｈｕｎｔｅｒ近程无人驾驶航空器，研制高粘度燃料发动机。ＴＲＷ和以色列...     

某型航空涡轴发动机吞砂试验研究

砂尘环境是航空发动机事故中常见且重要的诱发环境,因此,吞砂试验是新型发动机摸底和定型的重要试验项目。根据GJB 242-1987相关要求,通过设计投砂装置模拟真实砂尘环境,对某型航空涡轴发动机进行地面吞砂试验。试验结果表明:随着吞砂时间的增加,发动机功率衰减,耗油率增加,燃气涡轮出口总温有所提高;发动机性能在吞砂前2 h变化速率较快,随吞砂时间增加变化速率放缓。     

吸气式空气涡轮冲压发动机的过渡态性能

为计算吸气式空气涡轮冲压(air-turbo-ramjet,ATR)发动机过渡态性能,建立了ATR发动机过渡态模型.通过与传统涡喷发动机供油原则对比得到了ATR发动机供油应遵循的规律,计算得到了给定供油规律下的ATR发动机加减速性能.结果显示ATR发动机在供油规律选择上更加灵活,并能很好地满足喘振裕度的要求.根据ATR发动机自身特点,在补足低转速特性后,本模型可直接模拟ATR发动机起动过程.      

某型涡轴发动机高低温起动性能试验与分析

开展了采用RP-3燃油和RP-5燃油的涡轴发动机高低温起动性能对比试验。分析了不同环境温度下转子的阻力矩和电动机扭矩的变化规律,指出了当前计算方法的局限性;对比了环境温度、燃油种类、燃油流量对发动机起动性能的影响,摸索出了该型发动机低温起动极限温度。试验结果表明:随着温度降低,滑油黏度增大,转子阻力矩增大,发动机带转转速和转子自转时间显著降低;在极限低温条件下,两种燃油对涡轴发动机起动性能影响非常大,而在高温条件下,采用上述两种燃油,发动机起动性能基本一致;该型发动机采用RP-3燃油能在-40 ℃环境下成功起动,而采用RP-5燃油,经过调油等措施最终只能在-20 ℃环境下成功起动;在一定范围内,增加燃油流量,能改善发动机采用RP-5燃油的起动能力。研究结论为同类发动机高低温试验提供了参考。      

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.      

轴流压气机大小叶片特性试验

介绍了轴流压气机大小叶片技术概况及国内外研究现状, 简述了国内在涡轴发动机上应用此项技术的研制历程.通过进行部件试验和整机试验, 对采用大小叶片技术后发动机性能的改善进行了分析.试验结果表明:采用新型轴流压气机后, 发动机流量增加7.27%, 功率提高20.79%, 耗油率反而降低2.67%, 充分验证了大小叶片技术的有效性.采用大小叶片这种先进的气动布局方案的轴流压气机, 能够较大幅度提高发动机的性能, 具有广阔的应用前景.      

水冲压发动机地面直连试验技术研究

建立了垂直进水的水冲压发动机地面直连试验系统。采用垂直进水方式,消除了进水冲量对轴向推力的影响。通过在进水管路上安装汽蚀文氏管,解决了发动机试车过程中流量不稳的问题。基于含镁量50%的固体推进剂,对某型水冲压发动机进行了两组不同水燃比的地面直连试验,试验过程中采集了发动机燃烧室压强、进水流量和发动机推力等数据。对两组试验数据的燃烧效率和比冲分析表明,水燃比的适量增加,有助于发动机性能提高。该试验结果符合之前的理论预估,证明了水冲压地面直连试验技术的有效可行。     

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。     

飞机快速机动过程中进气道/发动机一体化计算分析

基于进气道/发动机推进系统一体化动态数值模拟计算系统,对飞机快速俯仰机动飞行过程中的性能进行了计算分析研究,获取了飞机快速俯仰过程中的推进系统气动性能的变化特征,数值计算结果表明:快速变化的外部扰动会诱发发动机内部热力循环参数和性能更大的动态波动;在机动飞行的同时,增大燃油量,发动机推力下降程度得以减缓,发动机的单位燃油消耗率上升.      

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%。     

推进剂利用系统对液体火箭发动机性能的影响分析

建立了带有推进剂利用系统的泵式压液体火箭发动机稳态工况的非线性数学模型，用非线性优化方法和小偏差方法计算分析了推进剂利用系统调节阀所控制的燃料流量对液体火箭发动机性能的影响，并对比分析了计算结果。所得结论可用于泵压式液体火箭发动机的控制和调节、试验结果分析、可靠性分析、故障分析，也可用于揭示发动机参数随各种干扰因素的变化规律。