射流预冷涡轮发动机技术研究及发展

国内外已开展大量射流预冷涡轮发动机技术研究和验证,并已证实射流预冷涡轮发动机的技术可行性,采用射流预冷技术后可有效扩展现有涡轮发动机工作范围并提升性能,射流预冷发动机将极大地支撑后续高速/高超声速飞行器动力技术的研究和发展。本文对国内外射流预冷涡轮发动机技术的研究情况进行了综述,在此基础上,提出需深入研究的问题,并对射流预冷涡轮发动机发展前景进行分析。     

航空涡轮发动机射流预冷技术研究

利用雾化蒸发的高效冷却技术,可以将高温进气降低到发动机材料允许的工作温度。针对射流预冷涡轮基冲压组合循环发动机,对比分析了国内外已有射流预冷技术的进展,详细介绍了射流预冷发动机的理论和试验验证情况,总结了射流预冷对航空涡轮发动机性能的影响,针对射流装置和喷水/液氧降温效果进行研究和验证。国内外已有研究表明,依靠射流预冷技术不会对发动机性能产生太大的不利影响,具有技术成型快、成本低,有效地扩展飞行包线,不受飞行高度和马赫数限制等优势。射流预冷技术可以解决涡轮发动机与冲压发动机在模态转换过程的"推力鸿沟"问题,具有潜在的技术优势,值得引起关注并开展进一步的深入研究。     

射流预冷装置温降与流阻特性试验研究

为了满足基于某型传统涡轮发动机射流预冷技术验证的需求,以射流预冷装置的温降和流阻特性研究为基础,设计了1种高效蒸发、低流阻的射流预冷装置,搭建了国内首套基于全尺寸的地面模拟试验系统,通过试验验证的方法研究了喷入介质的流量变化和进气温度变化对温降和流阻特性的影响,验证了射流预冷技术的有效性。结果表明:发动机入口来流温度不变时,射流预冷装置的温降特性主要取决于喷入介质的流量变化;随着来流温度的升高,射流预冷装置的介质蒸发率提高,来流降温量也会随之增大;通过调节喷射介质的流量,可将发动机风扇前气流温度维持在80~120℃;流阻特性主要取决于射流预冷装置自身,而介质喷射对流阻特性几乎不产生影响;射流预冷装置的总压损失小于4%,且随着来流温度的升高,总压损失有所减小。     

适应飞机需求的进气预冷技术路线分析

为了综合评价高超飞机用高Ma的涡轮发动机及其组合动力的预冷技术方案,从工程应用角度以飞机动力需求为牵引,开展了射流预冷、超临界氦强预冷和燃油强预冷技术方案的对比分析。针对3种预冷技术方案的原理、技术优势、存在的问题,以及适应飞机需求的标志性技术指标开展分析和评估,从跨速域时性能、技术难度及风险、付出的成本代价和周期,以及发展前景等方面开展了综合分析。结果表明：从满足产品需求的角度出发,与超临界氦强预冷和燃油强预冷技术方案相比,射流预冷技术装置结构简单、可靠性高、总压损失小、可与进气道高度集成、供水量适度,以及涡轮发动机本身提供的功率足以驱动射流预冷系统无需额外能源,是目前涡轮发动机扩包线的较优方案。     

高马赫数射流预冷试验装置设计及试验验证

为加速中国射流预冷技术的研究,设计了1套基于高马赫数的射流预冷试验装置。对试验装置需满足的功能流程和设计需求进行了识别,明确了试验装置的组成;对试验段和水系统的结构进行了详细设计,提出了直杆型和圆环型2种不同喷杆布局的射流段,并对使用2种射流段时试验段的流场均匀性进行了分析,认为直杆型射流段的温度场和压力场分布更加均匀;选取几种典型的试验工况,对所设计的试验装置进行了温降特性、总压恢复系数以及流场均匀性等试验验证。结果表明:试验装置总体运行良好,结构设计合理,能够完成全工况下的射流预冷试验,其温降特性、总压恢复系数和流场均匀性符合试验预期,研究成果对中国航空领域射流预冷发动机的研制具有指导意义。     

射流预冷对涡扇发动机控制计划的影响及验证

射流预冷(MIPCC)会导致发动机共同工作线会发生改变,进而影响发动机的工作特性.通过分析射流预冷对双转子涡扇发动机部件和整机的影响,特别是射流预冷对高低压转子转差的影响,掌握了射流预冷对控制计划的影响特性,在此基础上完善了相关控制计划,并通过试验验证了控制计划的有效性,结果表明:发动机低压转子转速控制静差由2.6％减...     

射流装置降温性能评估及敏感性分析

为了研究射流预冷喷射装置方案的降温性能及敏感性,以涡轮基组合循环发动机(TBCC)射流预冷技术为研究对象,提出由低流阻翼型结构的喷杆和雾化喷嘴组成的射流预冷喷射装置方案。利用FLUENT软件对射流预冷喷射装置方案进行了数值模拟,获得该装置在不同喷嘴布局下的流场特性,以流场均匀性、阻塞比、压力损失、温降等性能指标评选最优方案。经过初步分析,蒸发距离、气体来流温度、液滴粒径和喷射流量会对蒸发过程产生影响,因此采用DOE结合数值模拟计算,对各影响因素对降温量和蒸发量进行敏感性评估。分析结果表明:喷射后的温降情况受射流流量、气体来流温度和蒸发距离的影响明显,分别约为65%、20.4%和1.3%;受液滴粒径的影响不明显,约为0.21%。在后期的试验过程中,应充分考虑喷射流量、气体来流温度和蒸发距离对温降的影响。     

喷水射流预冷对加力燃烧室特性影响分析

为了探究采用射流预冷技术之后加力燃烧室性能，开展了不同喷嘴布置方案、喷水量和来流温度对预冷效果的影响研究。对射流预冷发动机工作过程进行了简化，建立了加力燃烧室进口前段射流预冷喷水特性计算的数学模型。同时搭建了小型试验台，通过与试验结果的比对验证了该模型的准确性，并利用该模型对射流预冷效果进行了仿真预测。结果表明：提高喷嘴数量与布置均匀性能够小幅度改善预冷效果；当来流温度不变时，射流预冷喷射腔室出口处的液态水蒸发量随着喷水量的增加而提高，但蒸发率却处于下降的趋势；当喷水量达到2%时，加力燃烧室燃烧效率对比不喷水工况会有一定的提升；喷水量达到4%以后，加力燃烧室出口温度及燃烧效率随着喷水量的提高而降低；喷水量大于8%以后，恶化了加力燃烧室（V型火焰稳定器）贫油熄火极限与燃烧效率；喷水量达到最大10%时，油气比需从原来设计工况的0.052上升到0.064才能保持稳定点火且对比不喷水时工况，加力燃烧室出口温度由1860K下降到1373K，燃烧效率由80.2%下降到69.2%。     

射流预冷不同因素对涡扇发动机性能的影响

为了研究射流预冷下涡扇发动机的性能以及稳定性表现，分别考虑射流预冷导致的进气道掺混换热、截面工质热物理性质的修正以及部件特性修正这三种因素，对涡扇发动机的稳态性能进行了数值模拟。计算结果表明：射流预冷下发动机推力的大幅增长来自于进气流量的增加，其中掺混换热是引起进气流量增加的直接因素，而工质热物理性质和部件特性的变化则导致发动机的推力下降，高水气比下，受进气流量增加的影响，射流预冷仍能大范围的提高发动机的推力水平。进气道掺混换热使得风扇更为逼近喘振点，而随着水气比的增加，风扇和高压压气机的稳定性均有所回升。     

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

涡轮与冲压组合动力高温进气预冷特性

针对涡轮基冲压组合循环发动机中高温进气影响涡轮发动机性能的问题,开展实际某高空模拟试验进气预冷段的数值分析.基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程,探索射流冷却对不同高空高马赫数进气条件时预冷段内温度和压力的沿程变化规律.结果表明,射流冷却对流场具有明显地温降效果.带有射流装置的预冷段内流动损失是以由黏性...     

全尺寸进气道射流预冷数值研究与性能评估

针对高马赫数高温条件下飞机进气道射流预冷问题,本文建立了真实飞机全尺寸进气道-射流预冷装置一体化数值计算模型,通过控制变量法分析了进气流量、进气温度及射流流量对射流预冷装置性能的影响规律,发现进气流量与降温量呈负相关,与蒸发效率和温场均匀性呈正相关;进气温度与降温量、蒸发效率及温场均匀性均呈正相关;射流流量与降温量呈正相关,与蒸发效率及温场均匀性呈负相关。研究结果表明,在相同进气状态下,此飞机进气道的特殊构型会导致降温量和蒸发效率曲线在蒸发距离为2500mm处存在拐点。在此基础上,进一步提出了一种基于试验设计法（Design of experiment,DOE）评估进气道出口总温的评估方法,与试验结果对比发现该方法可将误差控制在5%以内。因此,采用该方法进行进气道出口总温预估是有效的。     

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

射流预冷技术可以有效降低进气温度并提高航空发动机的性能。为探究该技术在高空环境下对流场问题的影响,采用径向均匀射流方案,模拟高空条件,结合水滴的蒸发过程以及气液两相的耦合作用对预冷段射流喷水的情形进行数值计算。结果表明,径向喷射方案能够有效降低进气温度,在各个工况中,温降系数约为8%~26.7%;在高温工况中提高喷水量可以有效提高温降效果,工况6的喷水量和工作温度都是最大的,温降系数和蒸发效率分别达到了最高值的26.7%和73.9%;预冷段的压降损失和出口流场均匀度取决于来流马赫数和喷水量,高马赫数和较大的喷水量都会加剧压损与流场的紊乱程度,由于工况6的高射流量和气流马赫数,其在喷水装置处的压降系数达到了最大值的5.8%。     

国外并联式涡轮基组合循环发动机技术发展途径浅析

为借鉴国外并联式涡轮基组合循环(TBCC)发动机技术研究经验,从飞行器使用需求出发,分析了并联式TBCC发动机面临的技术挑战,并从高速涡轮基技术、冲压发动机技术和组合技术三个方面,梳理了美国典型并联式TBCC发动机的研发计划。在此基础上,分析并提出了并联式TBCC发动机技术发展途径:拓展涡轮基工作马赫数上限和冲压发动机工作马赫数下限以实现并联式TBCC发动机模态转换,采用射流预冷技术扩展现有涡轮工作包线是短期内实现性较好的技术验证途径,开发高速涡轮发动机技术是未来发展的必然趋势。     

高速来流发动机射流预冷及压气机湿压缩特性一体化分析方法

为了研究高空高速来流条件下发动机射流预冷及压气机湿压缩特性,本文针对发动机进气道部分和压气机部分的气液两相流动过程分别建立相应的计算模型,发展了一体化分析方法。对于进气道喷水后的气液两相流动,采用基于微元段思想的气动效应-蒸发冷却修正两步法建立一维计算模型;对于压气机湿压缩过程,采用基于CFD技术的欧拉-拉格朗日方法对气液两相流动进行建模。利用所建立的一体化分析方法,考虑真实高空高速来流条件,同时保证发动机在喷水前后具有等换算转速调节规律,对发动机射流预冷及压气机湿压缩特性进行分析,结果表明：射流预冷能够显著降低高马赫数来流下的压气机进气温度,使得相同最高物理转速下压气机换算转速提高,使压气机具有更好的气动性能;若液滴在进入压气机前蒸发完全,混入工质中的过量水蒸气会降低压气机的无量纲转速,使得同换算转速下压气机压比较不喷水时降低;小粒径液滴更快的蒸发作用有助于对高温气流的快速降温,当液滴粒径3μm和喷湿量为10%时,压气机进气温度较喷水前降低247.13K,同换算转速下物理转速仅为不喷水时的76%。     

水气比对射流预冷喷射特性影响的数值研究

为了研究水气比对以液态水为喷射工质的射流预冷喷射特性的影响,选取了适合的计算和求解方法,建立了研究射流预冷喷水特性计算的数学模型。采用该模型对喷射腔室中的三维两相流场进行了数值计算,并通过与已有的试验结果进行了对比,最大相对误差不超过3%,验证了模型的正确性。最后对水气比对于喷射特性的影响进行了数值模拟,并计算得到了完全蒸发距离,其中水气比0.03时的完全蒸发距离为10倍喷水腔室内径,结果表明,随着水气比的增加,出口截面的液态水蒸发量上升,蒸发率和截面平均总温下降,完全蒸发距离增加。     

高超声速强预冷航空发动机技术研究进展

高超声速强预冷航空发动机技术是1项具有巨大潜在技术优势的革命性动力技术,已成为高超声速动力的研究热点。 调研了国外具有代表性的强预冷发动机技术发展脉络及现状,并对不同发动机方案的典型技术特征进行了分析与总结;详细介绍 了中国在强预冷航空发动机热力循环设计分析、紧凑强预冷器设计制造和试验、超临界氦叶轮机设计、宽域进排气系统优化设计 及高效燃烧等技术方面的最新研究进展。国内外已有研究表明：高超声速强预冷航空发动机原理先进、综合性能优异,多项核心 技术已取得重大突破,无“卡脖子”难题;中国可进一步开展强预冷航空发动机核心系统和整机集成验证,提升强预冷航空发动机 技术成熟度,为水平起降重复使用高超声速飞行器研制提供有力支撑。     

涡轮冲压组合发动机供水泵设计与试验

为满足涡轮冲压组合发动机工作模态转换中涡轮级冷却要求,需采用射流预冷系统。高压力大流量离心式供水泵的设计与试验方法是涡轮冲压组合发动机射流预冷系统的关键技术之一。通过理论计算得到供水泵关键零件的尺寸,采用流场仿真方法得出供水泵性能,利用试验验证供水泵的流量压力特性。仿真结果与试验结果对比表明,设计的高压大流量离心式供水泵满足设计要求。     

微滴沉积制造金属射流断裂状态的影响因素研究(英文)

针对微滴沉积制造中金属射流断裂随机性变化、射流长度等参数难以控制和预测的现存问题,采用试验研究与理论分析相结合的方法,对金属射流断裂过程中的射流形态、射流长度及其影响因素氧浓度、激振频率等进行了研究,揭示了射流长度分布为对数正态分布的统计规律。结果表明:通过调节喷射气压和输入最优激振频率,可以提高金属射流断裂的形态精度和尺寸精度,使射流长度和形态误差达到最小值,可为后续制造过程提供稳定的均匀微滴流。     

射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能模拟

为扩展吸气式涡轮火箭发动机工作范围,提高发动机性能,在常规涡轮火箭发动机基础上加入射流预冷系统并修改热力模型,建立了射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能计算模型。在给定航迹和控制规律下分析了不同压气机进口限制温度对喷水量、净推力和比冲的影响。仿真结果显示加入射流预冷器可以极大的扩展涡轮火箭发动机的工作范围,在高马赫数下可以极大的提高涡轮火箭发动机的净推力。