SABRE预冷器结构参数对其性能影响的数值分析

预冷器作为SABRE系统中的核心部件之一,其性能决定了SABRE空气预冷效果。本文利用数值分析方法研究了预冷器外形几何参数和传热管排管紧凑度对其流动和换热特性的影响,结果表明,在工作热工参数范围内,两者对预冷器换热特性影响较小,换热功率相对变化小于7.2%,但对壳侧空气流动阻力影响很大,阻力压降最大可增加2倍以上;减小预冷器轴向高度、增加径向尺寸均有利于提高预冷器的综合性能;通过适当调整传热管束的排管紧凑程度,使预冷器的壳侧空气流动阻力压降满足设计要求。     

逆流管翅式空气预冷器及其流动换热计算方法

空气预冷器用于在短时间内将高温来流空气高效冷却，是预冷吸气式空天发动机的核心部件。提出一种逆流管翅式的空气预冷器换热构型，经过与SABRE预冷器构型的比较，说明该新构型的预冷器可实现性更好。针对该构型，基于换热单元内部热通量平衡的基本假设，提出了一套流动及冷却效果的计算评估方法，考虑了冷却剂以及空气的流动摩擦损失。为解决以复杂碳氢燃料为冷却工质的空气预冷器设计难题，高温空气物性的计算使用NASA的物性拟合公式，碳氢燃料冷却工质及其裂解产物的物性计算，采用组分替代模型结合SUPERTRAPP物性计算子程序来实现；当燃料达到裂解温度后，采用燃料裂解机理计算更新燃料组分。此外为验证计算模型及程序的准确性，利用CFD软件与该程序进行同工况的比较计算，初步验证了该方法的可靠性，且采用本方法进行考虑碳氢燃料裂解的空气预冷器的典型工况计算，时间不超过30min。这一兼顾准确性和运算效率的新方法可用于逆流管翅式空气预冷器性能的快速评估。     

高超声速发动机碳氢燃料预冷器换热特性

将预冷过程引入高超声速涡轮发动机可以降低进入压气机的空气温度,提高可用增压比,增加发动机推力。为研究预冷器热力性能变化规律,对预冷器的结构形式和换热形式进行了分析,建立了以高热沉碳氢燃料为冷源的渐开线型预冷器分段热力计算模型,指出冷热流体均经历大温度变化的预冷器必须分段进行热力计算。研究了燃油流量、空气出口温度、预冷器结构参数等因素对预冷器热力性能的影响,得出结论：由于微细换热管数量达到数万量级,管内流动层流占比较大;燃油流量增加时,预冷器冷却能力增强且重量减轻,但吸热后的燃油不一定能全部用于燃烧,造成推力浪费;降低空气出口温度有助于提升发动机推力性能,但会造成预冷器重量增加和空气压力损失增大;管束横纵向间距均为1.5倍管径时,顺排相比于叉排排列,空气侧对流换热能力差,预冷器重量和空气压降均较大;管束横纵向间距对预冷器热力性能有较复杂影响。研究结论可为未来相似结构管束式预冷器的设计、验证和性能分析提供支撑。     

液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热计算研究

为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果。研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热。三维模型计算精度高,但计算用时较长。计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa。准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模型减小了90%。四个参数与三维模型计算结果的差异分别为0.3%,4.4%,8.6%和4.5%,在可接受范围内。本文的准二维模型计算时间短,适用于液体火箭发动机再生冷却结构的方案筛选和优化设计,三维模型计算精度高,适用于设计完成后的校核计算。     

预冷空气涡轮火箭发动机氦循环系统的参数特性

针对预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)方案,建立氦循环系统数学模型,模型考虑组件结构特征、几何尺寸、工质物性等主要因素。数值计算表明:PATR的推力和比冲性能较优,模型可描述发动机氦循环热力过程,其中发动机余气系数是影响发动机推力、比冲的关键参数。提高氦循环系统最高设计压力和降低空气预冷器氦进口温度可有效降低压力损失和氦压气机功率,最高压力每增大1MPa,系统平均压力损失下降1.1%,氦压气机输入功率下降3.2%;空气预冷器氦进口温度每升高1K,系统平均压力损失上升0.086%,氦压气机输入功率升高2.3%。     

甲烷预冷器性能及与压气机参数匹配研究

以甲烷为冷却剂的预冷型涡轮基组合发动机以其较高的冷却性能和密度比冲等优点,成为未来宽速域飞行器动力装备问题的重要研究方向。针对该型发动机的核心部件——预冷器,建立理论计算模型对其综合性能进行了评估,并提出了一种熵函数分析法,对预冷器与压气机工作参数匹配特性开展理论分析。计算结果表明,所提出的预冷器方案换热有效度在0.5~0.72,功重比达到250kW/kg;甲烷预冷措施能将涡轮发动机工作速域扩展至Ma=3.1,此状态来流空气最高被冷却180K。对预冷器和压气机整体结构,“单位比热的比熵”与冷却剂当量比和压气机压比均成正相关。压气机能在根据材料耐高温极限设计的预冷器/压气机共同工作线上获得最高压比,但需消耗大量冷却剂,导致发动机比冲和热循环效率降低;冷却剂当量比始终控制在1.0左右的工作线能获得较高比冲、压比和热循环效率,同时消耗的功率和冷却剂均较低;保持较低熵增设计的工作线有较高热循环效率和较低功耗,但压比偏低,发动机难以提供较高输出功率。     

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。     

脉冲发动机中隔层传热炭化模型

为分析脉冲发动机中隔层的绝热效果及温度变化情况,推导了隔层两种炭化模型的计算公式,对比实际发动机试车结果,模型一误差为20%,模型二误差为6.7%,炭化模型二具有较好的精度;数值模拟了隔层的热传导过程,将是否考虑炭化影响的隔层传热深度及温度分布与理论计算结果进行对比,未考虑炭化影响计算结果的误差在14.3%以上,考虑炭化影响计算结果的误差均小于10%。研究结果表明,预估隔层炭化深度时,应该运用炭化模型二;计算隔层的温度场分布时,必须考虑炭化影响。     

液氢推进剂预冷却空气涡轮冲压发动机性能模拟

为提高常规空气涡轮冲压发动机性能并扩展工作范围,加入液氢预冷系统,使用液氢作为预冷剂及推进剂,建立了使用液氢作为燃料的预冷空气涡轮冲压发动机性能计算模型。在给定航迹和调节计划下计算并分析了高空高速、低空低速下发动机的性能。仿真结果显示加入预冷器、使用液氢作为燃料可以极大的扩展ATR发动机的工作范围,并在整个飞行包线内极大的提高了ATR发动机的性能。     

先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证

本文简要介绍了中国燃气涡轮研究院在先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证方面的研究情况,内容涉及发动机空气系统设计技术、零件热分析设计技术、涡轮叶片冷却设计技术及新型铸冷双层壳型高效涡轮冷却叶片设计中的关键技术。探讨了空气系统与零件传热设计技术中的设计计算方法、设计软件校核与改进、试验研究与参数测试、以及设计体系建设等问题,通过系统的模型、部件和发动机整机三个层次的试验验证,初步形成了空气系统与零件传热设计体系。     

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。     

A refined design method for precoolers with consideration of multi-parameter variations based on low-dimensional analysis

The precooler is a distinctive component of precooled air-breathing engines but constitutes a challenge to conventional thermal design methods. The latter are based upon assumptions that often reveal to be limited for precooler design. In this paper, a refined design method considering the variations of fluid thermophysical properties, flow area and thermal parameters distortion,was proposed to remediate their limitations. Firstly, the precooler was discretized into a fixed number of sub-microtu...     

民用飞机预冷器设计点选取方法研究

预冷器是民用飞机气源系统温度调节的重要部件,若发生超温将导致系统自动关闭,影响下游机翼防冰系统和空调等系统用气需求,对飞机安全性有重要影响,因此研究预冷器设计点满足温度调节需求对气源系统设计有着重要意义。首先分析了预冷器换热性能影响关系,进而对其性能影响因素进行分析,主要包括环境条件信息,飞机状态信息,气源系统引气构型。然后根据经验公式对某机型不同工况条件下预冷器换热功率因子进行计算。计算结果表明在严酷引气构型双发单引气条件下,极热天巡航或待机状态下,低高度、低马赫数、低重量条件为预冷器设计点。通过计算严酷工况下预冷器热边出口温度,对预冷器设计点进行校核,计算结果表明预冷器热边出口温度均满足预冷器预期温度,说明预冷器设计点选取满足设计需求。     

螺旋管式空气-空气换热器的设计和实验研究

为解决飞行器高马赫数飞行时,用于冷却航空发动机涡轮叶片和其他高温部件的压气机出口空气温度过高的问题,设计加工了一种以外涵空气为冷源的螺旋管式空气-空气换热器用于预先冷却冷却空气。换热器由48根材料为不锈钢321,外径4 mm,壁厚0.5 mm的螺旋管组成,重量1.91 kg,传热面积密度106 m2/m3。在常温工况下实验研究了换热器管内和管外流体的阻力特性,高温条件下试验验证了换热器设计点性能,压气机出口空气温降达188 K,功重比4.9 kW/kg,换热器展现出较强的换热能力。高温条件下实验研究了两侧空气流量分别单独变化时换热器的热动力性能,拟合了管外换热经验关系式。研究结果可用于未来相似结构换热器的设计。     

超音速燃烧冲压发动机最佳设计参数

本文对超音速燃烧冲压发动机设计参数进行优化。从产生推力与发动机热力循环两方面综合分析得到了以下结果:作为空天飞机动力装置的超音速燃烧冲压发动机,在M_H=6-6.6飞行范围内,按照等面积和等M数分段加热的热力循环设计时,比冲最大;在M_H=6.6-10飞行范围内,按照等面积和等温分段加热的热力循环设计时,比冲最大。从而得到最佳设计参数,并在此基础上,用一元流方法计算了有面积变化,有化学反应、摩擦和散热损失时,超音速燃烧冲压发动机的性能。     

基于联合仿真的飞机空调系统故障影响

飞机空调系统是飞机的重要组成部分,由于其在飞行过程中环境和工作参数变化较大,易于受到多种因素的影响而成为故障率较高的飞机系统之一。飞机空调系统故障主要发生在飞行过程中,在地面状态难以复现,因此基于联合仿真的飞机空调系统故障影响分析对飞机设计验证和地面维修具有重要意义。首先根据飞机空调系统原理建立了冲压空气进气口模型、发动机压气机模型、压力调节与预冷组件模型、制冷组件模型;然后基于AMESim-Simulink联合仿真平台,模拟飞行过程中空调系统组件性能动态变化过程;最后对典型故障如预冷器泄漏、预冷器空气活门卡死、压力传感器冲击、冲压空气进气作动筒卡死等故障进行模拟,再现了飞行过程中空调系统故障情况,分析了空调组件性能的变化过程。     

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。