两相脉冲爆震涡轮发动机原理性试验

为验证脉冲爆震涡轮发动机（PDTE）的可行性,建立了PDTE原理性试验系统,主要由脉冲爆震燃烧室、离心压气机和向心涡轮等组成.以汽油为燃料,空气为氧化剂,开展了PDTE原理性试验研究.试验结果表明:爆震燃烧室、压气机与涡轮三者能够协调工作,发动机能够在自吸气模式下长时间稳定连续工作,发动机工作频率最高达18Hz.研究中所采用的气动阀对爆震反传压力波具有很好的衰减作用,低频下衰减效果更为明显,发动机工作在6Hz时压力波峰值可衰减93.8%,在18Hz时衰减幅度降为78.4%.反传压力的降低有利于爆震燃烧室与压气机之间的匹配工作,同时可缩短反传距离,有助于提高发动机工作频率.      

脉冲爆震涡轮发动机研究进展

介绍了脉冲爆震涡轮发动机的基本概念、主要结构形式以及基本特点.详细介绍了国内外研究状况及课题组的最新研究进展,对脉冲爆震涡轮发动机需要突破的关键技术、主要研究内容以及发展途径进行了探讨.研究表明:相比于传统的涡轮喷气发动机,脉冲爆震涡轮发动机的耗油率能降低5%~15%;在相同的燃烧室入口条件下,与等压燃烧驱动涡轮相比,用脉冲爆震燃烧驱动涡轮时的涡轮的单位输出功率要高;实现了由脉冲爆震燃烧室驱动涡轮,涡轮带动压气机给脉冲爆震燃烧室供气的自吸气模式,表明用脉冲爆震燃烧室代替传统等压燃烧室是完全可行的.     

脉冲爆震涡轮发动机性能计算

建立了一种基于爆震波ZND理论和循环分析的PDTE性能计算模型-ZND循环分析模型(模型-1)。将该模型及目前已有的推力壁模型(模型-2)分别与基于实验的PDC特性图模型(模型-3)进行对比,计算了模型PDTE的设计点性能,结果表明:模型-1计算得到的PDTE单位推力(FS)及单位燃油消耗率(sfc)的计算误差较模型-2分别减小了1.75%和4.04%,准确性有所提高。与需要大量实验数据的模型-3相比较,模型-1更简便,可用于PDTE性能的快速评估。应用模型-1计算了飞行状态改变时PDTE性能增益的变化趋势。     

脉冲爆震燃烧室与涡轮相互作用的试验

采用汽油和空气作为燃料和氧化剂,进行了脉冲爆震燃烧室(PDC)与涡轮相互作用的原理性模型试验装置的试验.试验结果表明:PDC工作平稳,在发动机爆震工作时压气机出口空气质量流量比用于PDC产生爆震的空气质量流量大100kg/h左右;在PDC出口前已形成充分发展的爆震波,压力波经过涡轮膨胀后峰值压力和波速明显降低;且充填系数越大,各位置处的平均峰值压力越高,压力波经过涡轮后的衰减越小;涡轮在经受累计40多分钟共12 000多次脉冲爆震波或压力波的冲击后仍然完好无损.     

混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统设计、集成与调试

设计、集成了由涡轮增压器、脉冲爆震燃烧室、燃油供给单元、润滑单元和测控单元构成的混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统。初步实验研究表明该系统运行可靠。当脉冲爆震燃烧室与涡轮组合工作时,可在一定频率范围内稳定工作;爆震室头部及管壁沿程压力相对于爆震室独立工作时有所提高;压气机出口空气流量远大于爆震室进口空气流量,证明利用压气机给爆震室供气是可行的。在5Hz爆震频率下,涡轮被爆震产物冲击20min后,叶片没有任何烧蚀和裂纹出现。     

脉冲爆震涡轮发动机共同工作特性

为了研究脉冲爆震涡轮发动机（pulse detonation turbine engine,PDTE）共同工作特性和整机性能,建立了其共同工作分析模型。一方面,利用该模型对PDTE原理样机的性能进行了评估并与试验结果进行对比,计算结果表明,模型计算误差不大于11.2%,随着工作频率的提高,PDTE原理样机推力可进一步提升,但共同工作线朝压气机喘振边界靠近。另一方面,以某涡喷发动机为原型,对利用脉冲爆震燃烧室（pulse detonation combustor,PDC）替换主燃烧室后的整机性能进行了研究。计算结果显示:保持PDTE的迎风面积和涡轮前温度与原涡喷相同,PDTE的最佳压气机增压比从原发动机的5.5减小到2.25,当PDTE工作频率达41.5Hz时,流量与原涡喷相同,此时推力比原涡喷提升20.2%,耗油率降低14.0%。      

吸气式脉冲爆震发动机原理性试验研究

设计了内径分别为60、70mm的两组吸气式两相脉冲爆震发动机,在略高于常压状态下成功进行了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的吸气式两相脉冲爆震发动机原理性试验。进气道内采用无阀的进气结构,试验中在爆震管内部安装Shchelkin螺旋来促进爆震波的生成,所测量的爆震波接近充分发展的C—J爆震波。内径60、70mm的发动机最高工作频率分别为15、20Hz。进气道内压强变化幅度在0．1MPa左右,说明所设计的进气道与爆震管匹配良好,这将为脉冲爆震发动机用于工程实际提供技术储备。     

脉冲爆震涡轮发动机增推装置性能试验

以液态汽油为燃料,通过在双管脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)原理样机的涡轮出口加装不同喷管和引射器等增推装置,利用试验研究了不同增推装置对自吸气工作模式下(工作频率10~20 Hz)发动机工作状态及推进性能的影响。结果表明:虽然加装3种尾喷管之后涡轮转速、压气机增压比及压气机流量都有不同程度的下降,但发动机都获得了不同程度的推力增益;相比于工作频率20 Hz时无喷管发动机推力114.95 N,发动机加装尾喷管后最大推力可达143.3 N,实现增推24.7%,最大单位推力为749.87 N·s/kg;加装引射器后可以进一步增推,发动机最大推力达到200.67 N,实现增推39.8%,同时这种增推效果随着工作频率的升高而逐渐增大。     

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。     

脉冲爆震涡轮发动机转子系统优化设计

为研制某脉冲爆震涡轮发动机样机,根据总体设计要求设计了相应的空心轴转子-轴承结构系统。基于有限元法建立 了该转子系统的理论分析模型,采用数值积分方法开展了考虑脉冲爆震非定常周期气动载荷作用的转子系统动力学特性计算。 将在临界转速处转子的振动幅值最小化作为优化目标,以转子系统各阶临界转速与发动机慢车转速及工作转速之间的裕度作为 约束条件,结合转子强度的相关要求,基于NSGA-II多目标优化算法对转子系统的支承位置、刚度及转子结构的几何参数进行了 优化设计。结果表明：优化后的转子-轴承系统满足总体设计要求,临界转速与工作转速之间的裕度超过20%,且保证了前3阶临 界转速对应的振动幅值最小化。研究方法和结果可为脉冲爆震涡轮发动机转子系统结构设计和优化提供参考。     

多循环脉冲爆震发动机爆震室内部压力分布实验研究

利用基于多循环吸气式脉冲爆震发动机的实验获得了沿爆震室轴向9个位置的实时压力数据,经过对数据进行时域和频域的分析处理后,利用MATLAB软件的GRIDDATA函数拟合出了6个工作频率下某个循环时爆震室内压力随轴向位置及时间变化的三维图形。通过对拟合后的数据从不同角度进行分析,发现采用爆燃向爆震转捩（DDT）方式起爆会在爆震波形成前生成一个局部爆轰区、爆震波形成后平均速度维持在1000m/s左右,且峰值压力升高、随机性增大。该实验的研究结果为爆震室的结构强度研究提供了依据。     

螺旋式脉冲爆震发动机实验研究

目前以碳氢燃料与空气可爆混合物的直管爆震室存在较长的爆燃向爆震转变（Deflagration to Detonation Transition,简称＂DDT＂）距离,从而导致发动机整机长度过长等问题。为解决此问题,采用8种螺旋构型的爆震管替代现有国内外普遍研究的直管构型的爆震管进行了一系列实验。首先对不同螺旋结构的爆震管进行冷态流阻特性实验,得出了螺旋结构参数和流阻的关系;再结合冷态实验结果,选取4种螺旋结构进行了热态爆震实验。实验结果表明,所有螺旋结构均可获得充分发展的爆震波;螺旋爆震管缓燃向爆震转变时间随螺旋中轴线曲率半径增加而减小;相对于长2.0m的直管爆震管,螺旋爆震管DDT时间缩短了0.415～0.589ms,DDT距离沿螺旋线方向缩短了0.35m,爆震管轴向长度缩短了0.78～1.28m。     

汽油/空气两相脉冲爆震发动机触发爆震的研究

有效的触发爆震波是脉冲爆震发动机正常工作的关键所在。为了在多循环两相脉冲爆震发动机的缓燃到爆震转变过程中,有效的控制激波反射,成功的触发爆震。通过在爆震室内合理的排放障碍物来促进激波与火焰的相互作用,组织激波反射,适时的触发爆震,从而有效地缩短促发爆震的距离,并最终获得充分发展的爆震波。试验发现爆震管内同样的障碍物在不同的位置起到的作用不同。在直径58 mm,长度1275 mm的汽油/空气PDE爆震管内成功触发频率为50 Hz的爆震。      

脉冲爆震燃烧室与冲击式涡轮匹配机理及效率的数值研究

针对脉冲爆震燃烧室（PDC）与涡轮共同工作时,涡轮入口为强非稳态气流的特点,结合涡轮损失机理,确定适合脉冲爆震来流的涡轮类型并开展气动设计工作,运用数值方法计算所设计涡轮的效率和探究PDC与涡轮相互作用的机理。研究结果表明:部分进气、小反力度的冲击式涡轮更适合脉冲爆震来流;在喷嘴收缩段、动叶叶片前缘以及动叶压力面生成向上游传播的反射激波,造成能量损失;在设计点,涡轮效率约为75%。上述研究结果可以为脉冲爆震涡轮发动机的涡轮设计提供一定的参考。