微涡喷发动机离心甩油盘环形折流燃烧室的设计与实验研究

微涡喷发动机是低成本的结构简单的燃气涡轮动力装置,特别适合于推动巡航导弹、(雷达)假目标、轻型直升机、无人侦察机和航空靶机。离心甩油盘环形折流燃烧室由于具有燃油雾化质量好,轴向长度短,高空性能好等优点,很适合作为微涡喷发动机动力装置的燃烧室。本文主要研究了离心甩油盘环形折流燃烧室的气动热力学参数和几何参数的设计,并通过实验研究验证参数设计的合理性。      

气液2相离心甩油盘设计

为了进一步减少微型涡喷发动机零件数目,降低成本,设计了1种气液2相离心甩油盘.在甩油盘设计过程中借鉴了气液2相泵的设计方法,设计了1组叶片用来提高甩油盘的加压能力,并在供油管路中供入空气用来防止气蚀.对所设计的甩油盘进行了数值校核和部件及整机试验验证.数值计算结果表明:甩油盘的性能和强度均满足使用要求.甩油盘部件和发动机整机试验表明:甩油盘雾化效果良好,具有宽转速范围的快速点火及起动能力,可满足设计要求.     

离心甩油盘径向喷雾破碎机理实验研究

本文发展了离心甩油盘高速旋转雾化的光学测试实验台,采用高速数字成像、高速阴影成像等可视化方法研究了在不同转速（8～20kr/min）和燃油流量（4～15g/s）下航空煤油的喷雾形态及燃油破碎过程,分析了喷雾特性变化规律,并采用激光粒度分析仪测量了不同工况下的燃油雾化粒径及其分布规律。实验结果表明,甩油盘雾化过程中,科氏力推动液膜聚积在与甩油盘旋转方向相反的喷口一侧,且甩油盘喷孔出口处的液体呈薄片状。随着燃油的进一步破碎雾化,实验中观察到三种不同的破碎形态：韧带破碎、袋状破碎和剪切破碎,跟转速和燃油流量有关,研究基于气动韦伯数和液气动量比给出了破碎模式图。研究表明甩油盘转速是影响雾化特性的主要因素,甩油盘转速越高,燃油粒径越小;离散度在气动韦伯数和液气动量比的综合作用下呈现不同的变化趋势。     

一种离心甩油盘雾化性能的试验

在离心甩油盘性能试验器上对一种离心甩油盘雾化性能进行了较详细的试验研究,用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了不同转速下甩油盘的燃油雾化粒度索太尔平均直径(SMD)、雾化锥角等性能参数.试验结果表明:在试验转速范围内,随甩油盘转速增大,甩油盘雾化锥角α逐渐减少; 随甩油盘转速增大,雾化粒度SMD值逐渐减少,当甩油盘转速大于25000r/min时,燃油的SMD值基本保持不变; 在同一甩油盘转速下,燃油的SMD值随离甩油盘喷油孔距离的增大而增大.      

基于脉冲数字全息的甩油盘雾化特性

设计搭建离心式甩油盘雾化场测量系统,提出多孔板式抽吸罩防止油雾外溢,仿真计算甩油盘雾化实验器流场,采用脉冲数字全息技术测量了不同转速下甩油盘雾化场雾滴的空间分布,粒径分布及雾化锥角,结果表明:多孔板式抽吸罩抽吸气流径向流速均匀,在甩油盘附近形成的流场速度比雾滴运动速度低一个数量级,对雾化场影响较小;实验甩油盘雾化场雾滴的峰值粒径为20 μm,占比20%~30%,随着转速的升高,雾化粒径索特尔平均直径(SMD)减小,且雾化场沿轴向集中,雾化锥角减小。在同一转速下随着距离喷嘴出口高度的增加,雾化粒径SMD增大,且随着转速的升高,增大的幅度减小。     

叶型甩油盘雾化特性研究

为提高甩油盘雾化质量,采用试验研究方法,对一种叶型甩油盘三个出口的液雾特性分别进行了研究,并与圆出孔甩油盘进行对比。研究表明,转速增加,液雾SMD (索太尔平均直径)减小,浓度变大;流量增加,液雾浓度变大,圆出孔甩油盘液雾SMD变大,叶型甩油盘液雾SMD变化不规律。甩油盘液雾SMD与浓度整体上呈反比,SMD大的地方浓度小,SMD小的地方浓度大。液雾SMD随径向距离增加先减小后增大,转速大于12kr/min后,SMD最小点距出口径向距离约20mm。相同流量、转速下,圆出孔甩油盘液雾SMD更小,但叶型甩油盘液雾均匀性更好,轴向分布范围更广。在叶型甩油盘出口后开槽可以显著减小液雾SMD,锯齿型出口可以增加液雾浓度及减小低转速下液雾SMD。     

涡扇发动机燃烧室三维冷态流场的计算

论述了某型号涡扇发动机带甩油盘燃烧室从建模到流场计算的整个过程，对半折流式环形燃烧室进行了冷态流场三维流动数值模拟，运用先进的数值计算软件，模拟甩油盘旋转甩油的过程，数值计算得到了燃烧室的速度场、总压恢复系数的分布以及燃油分布情况。为燃烧室的热态流场计算和燃烧室的设计、反设计及改型奠定了基础。     

轴承腔甩油盘结构优化设计

根据轴承腔中采用环下供油方式冷却跑道的特点,设计出两种不同结构方案的甩油盘。分别建立其气液两相流的流体域数值分析模型,采用CFX软件对跑道下表面的流场进行计算,得到滑油的质量流量和体积分数。运用ANSYS Workbench的多参数响应面优化设计方法,以滑油有效冷却流量为目标函数,得到甩油盘各个结构参数在限定范围内的极值及对应的结构参数值,并将优化后的结构参数构造的数值分析模型输入CFX软件中,对其计算结果进行检验,证明了优化设计的可靠性。通过对比两个甩油盘方案的优化结构,选出了更优的结构方案,可为工程设计提供参考。     

甩油盘系统内部流场数值模拟

为获取内部流场对雾化性能的影响规律,对实际应用的甩油盘系统,包括分油环、甩油盘进行了数值模拟研究。结果表明,分油环中,流量越大,分流均匀性越差;合适的出口直径可以提升分油环分流均匀性;出口数量越多,分流均匀性越差,数量增加到一定程度时,分流均匀性又会转好;不同位置的出口流量不同,最大流量偏差约2%;出口直径不一致时,分流均匀性最差。在甩油盘研究中,引入了出口液体等效直径的概念来量化研究内部流场对雾化的影响。研究得到,转速增加,甩油盘内部液膜变薄,液雾SMD减小,均匀性变好,穿透深度变小;流量增加,液雾SMD变大,穿透深度增加;出入口之间轴向距离引起出口液体速度及液体等效直径的变化小于5%,可以忽略其影响;在出孔直径小于1.7mm时,增大出孔直径,可以改善雾化;出孔倾斜角主要影响液雾的轴向分布;增加出孔数量,可以减小液雾SMD。     

微小型甩油盘式燃烧室若干关键技术研究

微小燃烧室设计技术是微型涡轮发动机核心技术之一。研制成功了一款微小型叶片式甩油盘燃烧室,对研制过程进行分析,突破的关键设计技术有:火焰筒容积应足够大,保证停留时间不低于5ms,容热强度在经验范围内;合理设计甩油盘,保证全工况雾化质量良好;构造多涡小涡的主燃区流场结构,控制射流强度和深度;合理分配流量,主燃区稍富油,其后采取小气量逐渐进气方式给气。     

“燃油非稳态流量校准装置”初探

非稳态流量计量是一个国内外都没有解决的难题。其中很重要的原因是缺乏可信的非稳态流量校准装置，因而无法得知流量计的动态特性。本文以飞机发动机燃油系统的涡轮流量计为例，阐述了有关非稳态流量校准装置的基本理论和实施方案     

基于通流程序的低速模拟气动设计及数值验证

为了验证多级轴流压气机出口级性能,开展四级重复级低速模拟气动设计,并坚持以二维设计为主,三维数值验证为辅。利用相同的设计系统,建立了高低速压气机之间相似的二维流场和叶表无量速度分布。随后,低速与高速压气机三维数值计算结果对比表明,压升系数特性吻合,流场相似,且叶表无量纲速度由设计点到失速点保持一致的变化趋势,进一步验证了二维设计的可行性;利用相同的系统设计高、低速压气机,有利于形成高速-低速-高速的良性循环,有利于完善基于通流程序的设计体系,积累设计经验。     

航空活塞发动机燃烧煤油冷起动油量控制研究

为了解决航空活塞发动机燃烧煤油时冷起动油量控制的问题,根据油膜理论,建立冷起动油膜补偿模型,并推导出适于在微控制器上实现的离散控制算法.利用Matlab/Simulink对基于油膜补偿器的冷 起动油量控制模型进行仿真,结果表明该模型能够保证起动瞬间有足够数量燃油进入气缸.进行原型机改烧煤油试验,在不改动发动机供油和点火系统的情况下,通过冷起动油量控制,煤油发动机冷起动性能得到改善.      

无人机油箱地面洗涤惰化性能

提出了无人机油箱地面洗涤惰化技术理论和方法,利用CFD方法研究了采用地面洗涤惰化技术降低油箱气相空间氧体积分数并使无人机油箱在地面和飞行条件下仍然保持惰化状态的可行性.利用vol-ume of fluid(VOF)两相流模型和自定义传质方程计算了不同油箱初始氧体积分数和载油率下气相空间氧体积分数的变化情况,结果表明:在...     

液体冲压发动机控制系统半实物仿真

运用小偏离线性化理论和Willoh方法，建立了液体冲压发动机和弹体动态数学模型。动态数学模型在微型计算上一体化运行，形成液体冲压发动机／弹体一体化实时数字仿真器。实时数字仿真器通过输入输出接口与液体冲压发动机的实际控制系统进行联接，组成液体冲压发动机、弹性和发动机控制系统半实物仿真系统。对冲压发动机飞行马赫数和控制 系统供油量的半实物仿真结果表明，系统能满足研制工作的需要。     

基于FAA适航要求的飞机燃油箱防爆技术研究

燃油箱爆炸是航空安全的主要威胁之一。通过研究FAA对于燃油箱防爆适航条款的要求,分析了燃油箱内可能出现的点火源分类和防止出现点火源的方法以及降低燃油箱可燃性的方法。针对FAA推荐的燃油箱防爆最重要的方法之一的惰化系统进行描述,重点阐述了惰化系统的构架和原理,并对惰化系统各子系统的功能进行了论述。     

Regression rate estimation for standard-flow hybrid rocket engines

The present effort is towards predicting with some accuracy hybrid rocket engine fuel regression rates under standard flow conditions. A convective heat feedback modelling approach is applied in tying the mass-flux-dependent heat flux directed into the regressing fuel surface, to the subsequent solid fuel grain regression rate. Factors such as transpiration, hydraulic port diameter, and effective fuel surface roughness are incorporated into the phenomenological surface regression rate model. A number of comparisons between the model's predicted results and corresponding experimental data are made, in illustrating the efficacy of the present approach for a classical head-end-injection engine. Where substantial differences between theory and experiment exist, this might be due to one of several identifiable factors related to non-standard flow, such as the presence of radiant heating, swirl or flow impingement in or at the boundaries of the experimental core flow.     

国产五种不同性质喷气燃料的高空点火性能研究

在高空模拟实验器上,进行了具有不同性质的几种国产喷气燃料的高空点火性能研究.喷气燃料的试验是在一个航空发动机的预燃室点火器内进行.试验的燃料主要有:大庆油,大港油,南京油,孤岛油(即所谓的大比重油)和一种混合油.试验结果表明,燃油的密度愈低(其粘性也愈低,饱和蒸汽压愈高),其高空点火性能愈好.大比重油的高空点火性能相当不良,但用少量优质大庆油掺混(约百分之十)后可得到显著改善.使用小流量数喷嘴可显著改善大比重油的贫油点火性能,但点火的压力-速度边界和富油点火边界缩小了.试验结果还表明,液雾火花点火的流行的理论模型是可行的.     

涡扇发动机燃油综合控制半实物仿真试验系统

建立了某涡扇发动机气动热力学模型和该型发动机综合电子调节器、主燃油泵调节器的实验室工作环境。发动机数学模型运行在计算机上,通过VXI总线技术,将其与控制器和执行机构实物连接,组建了某涡扇发动机燃油综合控制半实物仿真试验系统。对该半实物仿真试验系统进行试验,结果表明:该半实物仿真试验系统能有效地对该型发动机燃油进行静态和动态控制,为开展发动机的全权限数字电子控制(FADEC)系统研究和先进控制理论在发动机控制中的应用研究奠定了试验基础。     

Evaluation of active hybrid fuel cell/battery power sources

Hybrid fuel cell/battery power sources have potentially widespread uses in applications wherein the power demand is impulsive rather than constant. Interposing a dc/dc converter between a fuel cell and a battery can create two configurations of actively controlled hybrid fuel cell/battery power sources. Those two configurations are compared using both theory and experiment with special attention to the peak power enhancement, and power losses in the converter. Both of the defined configurations were built, using a 35 W polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, an 8-cell lithium-ion battery pack, and a high-efficiency power converter. Both two configurations yielded a peak power output of 135 W, about 4 times as high as the fuel cell alone could supply, with only a slight (13%) increase of weight. The converter losses were quantitatively analyzed. Which of the two configurations yields a smaller loss depends on the load power demand characteristics including peak power and load duty ratio. The study results provide guidance for the design of hybrid sources according to the particular load power requirements.