航天飞机用冲压发动机设计性能及燃料问题

本文论证了高M_α数亚燃冲压发动机用于航天飞机的可能性。并对用液氢、甲烷、丙烷等作为燃料的冲压发动机特性作了详细的计算分析。讨论了冲压发动机的工作菱形区、发动机特性及各截面的协调关系等问题。计算结果表明,在M_α=2～6及H=0～40km范围内,亚燃冲压发动机能满足航天飞机对动力装置的要求。在一定的条件下,液氢、甲烷和丙烷均可以被选为航天飞机用的冲压发动机的燃料。     

再生冷却超燃冲压发动机传热计算分析与试验

为了计算评估再生冷却超燃冲压发动机的传热特性,并确认计算结果可信,结合固壁三维热传导方程、三维燃气流场计算软件平台和燃油物性计算程序,发展了能对再生冷却超燃冲压发动机进行三维热分析的计算程序;将水冷和油冷通道传热试验、再生冷却超燃冲压发动机传热试验和燃油冷却面板传热特性试验的测量值与计算数据进行对比研究,计算结果与测量值符合较好。     

液氢冲压发动机的计算与分析

本文对使用液氢燃料冲压发动机在大马赫数范围内的工作特性进行了比较详细的计算与分析。结果表明使用氢燃料直到马赫数达6.5,亚燃冲压仍具有相当好的比冲特性,而使用碳氢燃料在马赫数达4.5以后比冲特性迅速下降。文章还从加热比和单位空气比冲出发讨论了发动机的调节特性,并建议采用较简单的有级调节来代替复杂的无级连续调节方法。本文还对等截面超燃冲压发动机的特性进行了计算,结果表明等截面极限加热并非最佳设计。     

涡轮冲压组合发动机加力/冲压燃烧室

为了解加力/冲压燃烧室内流场分布特性,利用0维串联式涡轮冲压组合发动机(TBCC)性能计算程序得到发动机主要截面参数结果。基于计算流体力学（CFD）模拟方法,进行了小型涡轮冲压组合发动机在关加力模态、开加力模态、模态转换和冲压模态下加力/冲压燃烧室内部流动及燃烧模拟,分析了单环和双环火焰稳定器对加力/冲压燃烧室长度等方面的影响,通过对比可知：在同等长度下含有双环火焰稳定器的燃烧室出口温度更高     

涡轮冲压组合发动机加力/冲压燃烧室流动及燃烧模拟

为了解加力/冲压燃烧室内流场分布特性,利用0维串联式涡轮冲压组合发动机(TBCC)性能计算程序得到发动机主要截面参数结果.基于计算流体力学(CFD)模拟方法,进行了小型涡轮冲压组合发动机在关加力模态、开加力模态、模态转换和冲压模态下加力/冲压燃烧室内部流动及燃烧模拟,分析了单环和双环火焰稳定器对加力/冲压燃烧室长度等方面的影响,通过对比可知:在同等长度下含有双环火焰稳定器的燃烧室出口温度更高.     

冲压发动机燃烧稳定性及瞬态压力测量结果分析

本文针对冲压发动机地面试验中存在的不稳定工作现象进行了分析,并对燃烧室压力测量系统特性进行了计算,以判断所得测量结果的真实性.根据冲压发动机的使用特点,文中还提出了燃烧稳定性要求.     

基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型

针对目前常用的基于微分方程的超燃冲压发动机性能计算模型的不足,提出了基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型。将基于控制体法的0D积分形式的守恒方程(流量连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程)和化学动力学模型相结合,辅以临界流量法,应用于隔离段和燃烧室的1D流场计算,实现了双模态超燃冲压发动机各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,可以捕捉到热力学喉道,确定了隔离段流动状态和燃烧室的工作模态,进而实现超燃冲压发动机全飞行包线内和全工况下的特性计算。计算结果表明,基于集总参数方程的计算模型不但能够克服基于微分方程的计算模型的缺点,而且还具有计算精度高、计算速度快、收敛性好等优点,为超燃冲压发动机总体性能计算和方案设计提供了一种很好的参考。     

高马赫数涡轮发动机性能模拟

对马赫数4.0一级的高马赫数涡轮发动机进行了研究,分析了高马赫数涡轮发动机的结构形式和工作原理,建立了性能计算模型。利用泵理论拓展了发动机的低转速部件特性,对某高马赫数涡轮发动机方案进行了性能计算,并分析了其风车冲压模态的性能变化趋势。计算结果表明,该发动机在马赫数3.7时进入风车冲压模态;由于主燃烧室熄火,其推力在模态转换阶段将出现暂时震荡,比冲将在模态转换点达到最低值。     

涡扇冲压组合发动机等q特性及接力点选取

本文对涡扇冲压组合发动机的等q特性作了初步的分析探讨.对涡扇冲压组合发动机的工作接力点马赫数作了定量的计算.并提出了估算接力点马赫数的方法.还对不同等q值下的燃烧室静温、静压、空气流量及推力进行了分析.本文提供的数据可供涡扇冲压组合发动机设计参考.     

高空高速液体燃料亚燃冲压发动机动力特性研究

本文介绍了一种液体燃料亚燃冲压发动机的变比热性能计算方法,并对某型亚燃冲压发动机进行了性能计算,分析讨论了设计参数对发动机性能的影响.本文计算方法可用于液体燃料亚燃冲压发动机总体方案设计阶段的参数选择和性能分析.     

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.      

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

带级间燃烧的涡轴发动机性能仿真

为了分析涡轮级间燃烧技术对常规涡轴发动机性能提升的潜力,针对两种带级间燃烧的涡轴发动机性能方案,分别建立了部件级稳态性能计算模型,并通过仿真对比分析了级间燃烧室不同温升及总压损失条件下发动机的整机性能,结果表明:级间燃烧室总压恢复系数和温升对单位功率和总功率影响较大,当级间燃烧室总压恢复系数为0.95、温升为200K时,保持进口空气流量不变,涡轴发动机单位功率和总功率增加17%,耗油率增加约11%;在高的级间燃烧室温升条件下,适当增加动力涡轮导向器面积,改善涡轮流通能力,有利于进一步提高整机功率,降低动力涡轮前温度;两种方案对比,在涡轮过渡段设置级间燃烧室空间上更好布置,性能上更占优势.      

涡扇发动机部件特性自适应模拟

发展了一种预测发动机部件特性的自适应模型方法，该方法以通用特性为基础，运用单纯型优化方法，以发动机主要性能参数和过程参数偏差函数最小为优化目标，以部件特性耦合因子为被优参数，预测出不同飞行条件下的涡扇发动机的风扇、压气机、燃烧室、高、低压涡轮等部件特性。运用该模型对某涡扇发动机性能的计算结果表明，发动机主要性能参数和过程参数的计算偏差均在0．5％之内，对发动机各截面总温、总压计算偏差均在1％之内。预测出的部件特性已成功用于发动机故障诊断方程的建立。     

基于燃气发生器法的小型中涵道比发动机性能计算分析

为了研究小型中涵道比分排涡扇发动机装机性能,建立了基于燃气发生器法的性能计算模型。由CFD数值模拟计算喷管特性,由发动机地面台架试验及针对小型中涵道比的特点发展的修正方法获取内外涵喷管进口总压和总温的修正系数曲线,经高空模拟台试验验证,发动机最大状态下的推力计算误差≤0.5%。再基于飞行试验测试数据,计算得到发动机在装机条件下的空气流量与飞行推力,与发动机设计厂家的模型计算结果相比,发动机各状态下推力最大误差≤1.3%,流量最大误差≤2.5%。结果表明：发展的性能模型修正方法适用于小型中等涵道比涡扇发动机的装机性能确定;同时修正中等涵道比分排发动机的内外涵喷管进口压力可提高模型推力计算精度;同时修正小流量分排发动机内外涵喷管进口温度可提高流量计算精度。     

前置涡轮组合脉冲爆震发动机性能分析

为解决纯脉冲爆震发动机地面启动问题,并提升其低马赫数下的性能优势,提出了一种利用外涵中爆震室头部压力驱动内涵中涡轮转动部件的前置涡轮组合脉冲爆震发动机,建立了相应的性能分析方法,并对其部件特性及整机性能进行了计算研究。结果表明,近似稳态的涡轮总温总压进口条件可以在该组合发动机中实现,同时随着爆震室头部侧向开孔面积与爆震室面积之比(即驱动面积比)增大,流入发动机内涵驱动涡轮的气体流量增大,而涡轮前总温、总压及涡轮落压比减小,组合发动机整机推进性能增大;通过改变驱动面积比的大小,可以获得不同的压气机增压比以适于不同的飞行马赫数,进而实现发动机宽广的工作范围。     

S弯进气道旋流研究

根据理论分析,更主要的是根据实验结果,证明了某S弯常规超音速腹部进气道对侧滑敏感,并产生整涡旋流,它取决于进口没有导向叶片发动机对旋流扰动的敏感程度。发动机,性能下降,发动机喘振和强迫叶片振动之类严重的进气道与发动机匹配问题可能出现。 对用动态总压畸变作为主要相容性参数提出了疑问,认为旋流是进气道与失速裕度较大发动机匹配的决定性的相容性参数。 新发现一种不测量旋流也可以快速地判断进气道出口是否存在有整涡旋流的方法。     

某型弹用涡喷发动机安装性能分析

在分析S形进气道的总压损失以及进气道，喷管／后体外部阻力计算方法的基础上，建立了针对某型号导弹涡喷发动机的安装性能的计算程序，并结合实际飞行条件，对用户附加引气，功率输出，进气道，喷管安装和环境温度对该发动机性能的影响进行了计算，结果表明，引气和提取功率影响不大，而进气道总压损失和进、排气系统的外部阻力有重要影响，环境温度有一定影响；而且由于弹用涡喷发动机的推力比较小，必须考虑安装性能计算，以便准确判断每一种安装因素所造成的性能损失，为设计和使用方提供理论指导依据。     

高度对航空发动机地面试验性能的影响

本文简要分析了海拔高度对航空发动机地面试验性能的影响和研究该影响的两种方法的优缺点。在此基础上提出了利用高空台压力调控的独特优势,通过不同进口压力对发动机定冲压比性能影响研究来确定其影响的研究方案。某型发动机的试验结果表明,在发动机冲压比1.6、风扇换算转速94.5%96.5%条件下,进口总压在7090 kPa之间得到的发动机换算性能基本一致。这表明环境压力在70 kPa以上（海拔高度3 km以下）时,对研究的发动机而言已经工作在雷诺数自模区,即环境压力的变化对试验换算性能的影响可以忽略。从而,可以利用海拔高度3 km以下的地面试验来确定研究发动机在标准大气海平面静止空气条件下的性能。      

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。