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。     

TBCC内涵流动模拟试验模型设计及研究

涡轮基组合循环发动机因其性能优越性,已引起世界各研究机构的广泛关注.为了模拟TBCC的试验条件,提供符合核心机条件的高温燃气是必要手段.本文设计了一个结构简单易于控制的TBCC核心射流试验模拟模型,并对此模型进行了实验研究.结果表明,所设计模型点火工作可靠,燃烧效率高,可以产生0.236～0.342kg/s的750 ～ 1050K的高温燃气,模型出口马赫数、温度和氧气的体积分数分布均匀,可以满足TBCC超级燃烧室试验进口条件要求.     

TBCC进气道研究现状及其关键技术

介绍了TBCC发动机的组合方案及相对应的进气道方案,通过对国外TBCC进气道技术发展和应用现状的详细分析,阐述了不同布局方式的TBCC进气道的优劣点,总结了发展TBCC进气道所面临的主要挑战及所需解决的关键技术,提出了TBCC进气道技术当前有待突破的首要问题,意在为发展TBCC进气道技术提供基本思路和参考。     

旋流喷射器流动与燃烧特性研究

为了给低旋流喷射器(LSI)推广应用提供理论依据,自行设计具有两种旋流叶片角LSI。应用数值模拟方法确定不同LSI旋流数,旋流数范围为0.417~0.881。利用粒子成像测速(PIV)测试系统,对流通气流LSI在方形通道内展向平面和铅垂截面二维速度分布进行测试。对开放空间内低旋流喷嘴,流通甲烷气体和空气预混合燃烧特性进行实验研究。研究结果表明:当叶片角θ=37°,旋流数S≤0.576时,旋流诱导中心区域和周围空气旋转,形成具有中心区域和周围空气低速区域、中心低速区域分布特点的扩散流动。当叶片角θ=37°,甲烷和空气当量比φ=0.7,S≤0.576时,流通LSI气流产生与展向截面流场分布相似的中部凸起呈"W"型脱体蓝色火焰。随着旋流数S增加,在0.576≤S≤0.588范围内,火焰与喷口间的距离缩短,火焰转变为"扫帚"型火焰。当S=0.623时,形成高旋流贴体火焰。增大旋流叶片角,流场的扩张角增加,环形旋流区和中心直流区轴向速度沿中心轴衰减更快。     

高超声速飞行与TBCC方案简介

介绍了TBCC(燃气涡轮发动机为基础的联合(组合)循环)方案,以及以TBCC发动机为动力装置的高超声速攻击机方案。     

并联式TBCC发动机进排气系统气动特性研究

针对一并联式涡轮基组合循环(TBCC)发动机进排气系统的气动方案,对其从涡轮向冲压模态转换过程中的典型工作点上的流场进行了数值模拟。结果显示:模态转换中涡轮发动机进气道的流量系数逐渐下降,反压承受能力逐渐减弱,冲压发动机进气道的流量系数逐渐增加。模态转换中,涡轮发动机喷管在不同落压比(NPR=20⁸0)下均无明显流动分离现象;冲压发动机喷管分离区逐渐减小,且随着落压比的增加分离程度逐渐减弱。     

涡轮燃烧技术在涡扇航空发动机上的应用分析

分析了采用涡轮燃烧技术后的涡扇航空发动机的性能。分析结果表明:采用了涡轮燃烧技术以后,航空发动机的效率、推重比都得到了较大的提高。同时分析了采用涡轮燃烧的两种技术方案:一种是在静叶片间安装喷嘴,属于多级燃烧技术;一种是将整个涡轮作为一个大燃烧室,类似于高温空气燃烧技术。     

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。     

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

串联式TBCC进气道模态转换模拟器设计及其特性分析

为了实现涡轮基组合循环（TBCC）推进系统平稳模态转换过程的模拟,在前期风洞试验研究的基础上对串联式TBCC进气道模态转换模拟器进行重新设计。采用线性化及非对称的思路对该模拟器进行设计并对其特性展开数值仿真研究。结果表明：该模拟器不仅需要模拟发动机工况改变引起的背压变化,而且能通过流通截面面积线性变化,实现两个通道的流量分配。该装置的特点是能保证模态转换过程中每一点的涡轮/冲压通道的总堵塞比不变,使本文所研究的进气道在总堵塞比保持为65%时进行模态转换,结尾激波基本维持在喉道等直段内且进气道出口马赫数基本维持在0.30,流量系数基本为0.45,涡轮/冲压通道流量呈线性变化,与预期目标一致。     

基于蒸发式值班稳焰的涡轮基组合燃烧室燃烧性能研究

对涡轮基组合循环发动机(Turbine based combined cycle,TBCC)组合燃烧室进行了试验研究。研究首先设计了组合燃烧室模型及相关的试验系统,并在此基础上开展了不同工作模式下,进口速度系数、温度和油气比对燃烧室燃烧性能影响的试验研究。研究结果表明:随着外涵进口速度系数(λ=0.25~0.40)的增加,点火总油气比、贫油熄火总油气比均增加,燃烧效率提高;随着外涵进口温度(343~473K)的增加,点火总油气比和贫油熄火总油气比减小,燃烧效率提高;随内涵进口速度系数的增加,燃烧效率提高。试验中获得最小点火总油气比为0.0045,最小贫油熄火总油气比为0.002。     

一种TBCC 可调喷管流动特性的实验研究

针对一种喉道面积与出口面积独立可调的串联布局TBCC喷管,进行了内外部流动特性的实验研究,并将所得到的结果与仿真结果进行了对比。结果表明,该可调喷管能够在宽广的落压比和通流流量范围内正常工作,在起飞状态、过渡状态、巡航状态下,其流动结构建立正常,推力系数较高,分别为0.90,0.96和0.97。并且在各典型状态下,实验、仿真获得的流动结构、沿程静压分布曲线均具有较好的一致性。     

某型涡扇发动机尾喷管流动特性研究

针对某型双涵道分开排气涡扇发动机尾喷管模型的流动特性进行了数值计算研究和试验验证。利用NASA典型尾喷管模型的推力系数对比研究结果验证了数值方法的可行性,采用验证后的数值方法获得了不同飞行条件下和发动机工作状态下某型发动机尾喷管模型内、外涵道的流量系数和推力系数数据及其变化规律,并将数值计算结果与该型发动机在相同工况下的地面台架试验数据进行对比。结果表明:在试验工况全范围内,发动机进口空气流量的计算值与试验值的最大偏差为1.8%,总推力的计算值与试验值的最大偏差不超过±0.5%。     

中心支板式RBCC发动机引射模态流动与燃烧研究

为了深入认识引射模态工作机理,针对中心支板式RBCC发动机,在飞行马赫数2、不同内置火箭流量时的工作情况进行了全流道一体化的数值模拟,并对其内流场特征、火箭射流/引射空气掺混发展特征以及复合型释热规律和火焰结构等开展了详细分析。研究发现:RBCC发动机引射模态下的流动掺混燃烧过程是一个复杂且高度耦合的过程。在即时预混燃烧(SMC)模式下,燃烧过程主要在内置火箭射流与来流空气之间形成的剪切层内进行;流道上游剪切层厚度较薄,温度和组分浓度梯度较大,掺混速率快;高释热区集中分布在流道上游,可分为超声速释热区和亚声速释热区;流道内的燃烧反应以扩散燃烧为主,随着掺混过程的进行逐渐向预混燃烧过渡。提高火箭流量,流道内温度升高,反应持续距离增加,但掺混效率降低。     

串联式涡轮冲压发动机加力/冲压燃烧室设计及流场计算

以串联式TBCC加力/冲压燃烧室为研究对象,提出包含一体化整流支板、加力内锥及长短交错的径向火焰稳定器组成的TBCC加力/冲压燃烧室方案。针对TBCC发动机加力/冲压燃烧室进行了数值模拟,获得该燃烧室在不同模态下的流场特性。计算结果显示,在涡轮工作状态和涡轮/冲压共同工作状态下,TBCC发动机加力/冲压燃烧室的总压恢复系数均在95%左右;在冲压工作状态下,其总压恢复系数在86%左右。可以满足在不同模态下加力/冲压燃烧室对总压恢复系数的要求。     

2种涡轮燃烧形式的涡扇发动机性能研究

为了研究不同涡轮燃烧形式对大涵道比涡扇发动机的性能影响,在传统发动机数学模型的基础上,分别加入各型涡轮燃烧结构的热力学计算模型,分析比较了在不同工作过程参数下,4种带涡轮燃烧结构发动机与传统发动机的性能（单位推力和单位燃油消耗率）随风扇增压比、高压压气机增压比、高压涡轮进口总温和涵道比的变化关系。结果表明：涡轮级间燃烧室（ITB）与涡轮叶间燃烧室(TIB)各有特点,但都能够明显提高传统分别排气涡扇发动机的性能,其中高压涡轮叶间燃烧室（HTIB）效果尤为突出     

来流条件对微燃烧室中庚烷燃烧特性的影响

为了通过改变来流条件提高微燃烧器中火焰的稳定性,使用液体正庚烷作为燃料,在内径为4mm的微燃烧室中,对不同庚烷流量和氧气浓度下庚烷液滴的燃烧特性进行了实验研究。结果表明,固定当量比为0.9,庚烷流量由10μL/min增大到30μL/min时,点火时间缩短,液滴滴落并形成液膜,液膜对点火以及稳定火焰有利。固定来流速度为0.33m/s时,加入氧气后,火焰出现瞬时喷射现象,但火焰不会熄灭。增加氧气浓度可以缩短点火时间,增强火焰稳定性。随着氧气浓度的增大,火焰长度总体上先增大后减小。燃烧声振呈现出低频特性,氧气浓度为0.46时声振最为强烈。     

涡轮基组合循环冲压燃烧室点火特性试验研究

为了考察并联式涡轮基组合循环发动机在模态转换点进气道开启比例对冲压燃烧室点火性能的影响,设计管式蒸发式二元稳定器,测取模态转换点不同速度系数(进气道开启比例)时点火边界和稳定燃烧边界,并试验研究了安装相同类型稳定器的全环冲压燃烧室点火特性,通过计算稳定器稳定性系数和最小点火能量,分析冲压燃烧室在低压、低温、高速条件下的点火性能。研究结果表明:在模态转换点冲压燃烧室进气道开启比例对蒸发式稳定器点火性能影响较大,但选择合适的进气道开启比例蒸发式稳定器可以组织燃烧,冲压燃烧室在模态转换点可以成功起动。燃烧室内气流速度的增加导致稳定性系数减小和最小点火能量增加,使稳定器组织燃烧变得困难。     

并联TBCC排气系统流场结构数值模拟及实验研究

为探索并联TBCC排气系统在宽马赫数飞行范围内的性能变化规律,针对某TBCC排气系统构型开展了飞行包线内的数值模拟分析。为验证数值模拟方法的可靠性,对该实验模型完成了典型工作点静特性风洞实验,获得了相应的流场结构和壁面压力分布规律,并将实验结果与数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:并联TBCC排气系统双通道气流在涡轮下壁面出口处发生严重干扰导致出口流场复杂。优化设计TBCC排气喷管,有利于降低气流干扰对整个排气系统流场结构和推力性能的影响;飞行包线内,排气系统总的推力系数均高于0.9。气流大面积分离导致冲压发动机低马赫数时性能较低,但其对排气系统整体的推力性能影响很小;数值模拟得到的壁面沿程压力分布、流场波系结构等均与实验结果非常吻合,因此,数值计算结果用来评价TBCC排气系统性能的可靠性得到实验验证。