超燃冲压发动机燃烧室主动冷却设计研究

超燃冲压发动机燃烧室主动冷却模型制造和热考核试验的费用高昂、周期长,为了降低试验风险,采用三维计算和经济的验证试验相结合的方法开展了超燃冲压发动机燃烧室主动冷却设计。冷却结构基本参数设计和侧壁冷却流动设计是确定设计方案的两大基础,前者采用三维传热计算结合冷却面板传热验证试验完成,后者采用超临界燃料流动三维并行计算结合水流动验证试验完成。在此基础上,经过多轮的结构设计与三维传热及强度计算评估迭代,确定了最终的燃烧室主动冷却结构。设计的主动冷却燃烧室在来流马赫数2.5,总温1700K条件下成功通过200s热考核试验,表明所采用的设计方法、验证试验和计算工具是有效和可信的。     

超燃冲压发动机典型部件热防护

通过在电弧加热器上的试验考核,对进气道唇口前缘、注油支杆等发动机典型被动热防护部件的材料选择和热结构设计进行了研究.发展了主动冷却燃烧室热结构计算评估方法,将经过试验验证的热分析程序应用于燃烧室主动冷却结构的材料配置研究.材料C1和C2的进气道唇口前缘经过60s试验后情况良好;材料Z1的注油支杆经历50s试验后情况良好;将主动冷却燃烧室热分析计算程序应用于冷却面板试验,温度测量值与计算值最大相差55K,表明计算与试验符合较好,计算程序可为主动冷却燃烧室结构材料配置的设计研究提供可信的参考数据.研究所获得的经验和技术可应用于全流道超燃冲压发动机的设计与验证.      

超燃冲压发动机燃烧室新型热结构的优化设计

为了探寻超燃冲压发动机工程设计的方法,解决超燃冲压发动机燃烧室严峻的热防护问题,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的复合结构形式的主动冷却结构方案;建立了超燃冲压发动机燃烧室热结构设计模型和燃烧室惰性质量估算模型;基于遗传算法,以热结构各层厚度、槽宽、肋宽和肋高为待优化参数,进行了单目标和多目标优化设计。以燃烧室惰性质量最小为目标进行优化设计后,惰性质量减少了21.7%,得到最小惰性质量下的热结构尺寸;以惰性质量最小、冷却液流量系数最低为目标进行优化设计后,得到了Pareto最优前沿及对应的热结构尺寸。     

冲压发动机燃烧室再生冷却数值模拟研究

本文针对采用大庆3号航空煤油为冷却剂的冲压发动机燃烧室冷却面板进行了流动和传热的数值模拟研究,分析比较了在相同热流密度加热条件下,冷却面板中不同冷却剂流量、不同通道尺寸对再生冷却效果的影响。并对带有分、汇流室的冷却面板冷却效果的影响进行了研究。其模拟结果可为高超声速飞行条件下的冲压发动机再生冷却热防护设计提供参考。     

高温升燃烧室喷油杆热防护试验研究

为研究高温升燃烧室喷油杆热防护问题,建立高温升燃烧室喷油杆热防护试验系统,设计加工三个不同尺寸隔热屏,探讨了进气温度、进气速度、供油压力、喷油杆布置方式和隔热屏方案等气动和结构参数影响喷油杆壁面温度、换热特性及油道出口燃油温度的变化规律。研究表明:当进气温度为903K,进气速度为36m/s,压力为0.22MPa时,不安装隔热屏的喷油杆出口燃油温度达到的最高温度为435K,随着供油压力增大,燃油出口温度逐渐降低,但最低温度也超过375K。三种方案隔热屏均能够起到对喷油杆的热防护,能够降低喷油杆壁面温度和油道出口燃油温度,考虑热防护效果和结构重量等综合因素,方案二隔热屏效果最佳,燃油出口最高温度不超过388K。     

富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴性能仿真分析

为研究富氢/富氧燃气同轴双剪切气-气喷嘴设计参数对燃烧性能和燃烧室热载的影响,采用正交试验设计方法对这些参数进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室流场,并以燃烧长度、燃烧室壁面和喷注面板处平均燃气温度为指标评价燃烧性能和热载.结果表明:燃氧速度比对燃烧性能和燃烧室热载影响最显著,中心氢流量比例对燃烧室热载影响非常显著,氧压降比对喷注面板处燃气平均温度的影响也很显著,而喷嘴出口壁厚对喷嘴性能影响不明显.燃氧速度比和氧压降比的交互作用对喷嘴性能有一定影响,而其他设计参数之间的交互作用对喷嘴性能影响非常小.最短燃烧室长度为117.9mm,最低壁面燃气温度及面板燃气温度分别为1637.7K和806.6K.      

超音速燃烧室碳氢燃料点火实验研究

模拟飞行Ma =3 5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件 ,采用氢为先锋火焰 ,在氢氧燃烧加热脉冲风洞上 ,对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究 ,实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布 ,并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明 ,在燃烧室进口温度较低 (小于 90 0K)的条件下 ,在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难 ,采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

整体式液体冲压发动机

整体式冲压发动机是将固体助推火箭与巡航用液体燃料冲压发动机组合成为一个整体的新型动力装置,它是超声速、小体积、中远程导弹动力系统的最佳选择.整体式冲压发动机的出现将冲压发动机的应用推向一个新阶段,引起世界各国的广泛重视.近几年我国在整体式冲压发动机很多关键技术的研究上有所突破.液体冲压发动机和助推火箭共用一个燃烧室,使燃烧室中无法安装专门的机械式火焰稳定器和空气冷却衬筒,这为解决燃烧室的点火起动问题、振动问题及热防护问题带来了很大的困难.试验表明:冲压发动机的点火起动问题有多种解决方案,其中火焰稳定性准则的满足是点火起动的重要条件;燃烧室的进口流场,燃油浓度分布等对振动有很大的影响;计算表明,冲压发动机在飞行状态时,流经燃烧室壳体外表面的高速气流的冷却作用可大大降低燃烧室壳体的温度,在相同的冷却效果下,可降低对热防护层的要求.     

全环涡轮级间燃烧室性能试验

以涡轮级间燃烧室(ITB)应用于涡轴发动机为研究平台,根据ITB的应用环境,采用凹腔驻涡燃烧室作为涡轮级间燃烧室,设计加工了全环凹腔驻涡燃烧室试验件,并进行了性能试验研究.试验结果表明:该燃烧室的贫油点火边界余气系数为10.2,降低驻涡凹腔体内外压差有利于点火;与常规燃烧室相比,燃烧室的燃烧效率偏低,但燃烧效率随进口温度的升高逐步加大;燃烧室的总压恢复系数较小,进口温度对燃烧室的总压恢复系数影响不大;燃烧室出口温度场分布较好,出口温度分布系数(OTDF)随进口温度的升高而减小;随着进口温度的提高,火焰筒壁温会局部偏高,火焰筒的冷却设计需优化改进.      

Experimental Investigation of Hydrocarbon-fuel Ignition in Scramjet Combustor

模拟飞行Ma=3．5的超燃冲压发动机的燃烧室进口条件，采用氢为先锋火焰，在氢氧燃烧加热脉冲风洞上，对超燃燃烧室煤油燃料的点火和火焰稳定进行了实验研究，实现了煤油的点火和火焰稳定。实验测量了燃烧室壁面压力分布，并拍摄了燃烧火焰紫外光图像。实验表明，在燃烧室进口温度较低(小于900K)的条件下，在超燃燃烧室中实现煤油自燃十分困难，采用氢为先锋火焰实现煤油的点火是较为有效的途径之一。     

A power and thermal management system for long endurance hypersonic vehicle

Due to the pneumatic heating and combustion effect, the scramjet engine of hypersonic vehicle faces high temperature challenge. It is necessary to comprehensively consider its thermal management and power generation together. A new Power and Thermal Management System (PTMS) combined with Supercritical Carbon Dioxide (SCO₂) closed Brayton cycle and fuel vapor turbine is proposed and discussed in this paper. The new PTMS can meet the cooling requirement of hypersonic vehicle at Mach number 6–7, and avoid the coking and scrapping in the scramjet cooling channels. Compared with the PTMS only based on fuel vapor turbine, the new PTMS utilizes the waste heat of scramjet to generate more electricity. In addition, it can reduce the use of fuel sink for cooling, and the additional weight penalty can be compensated for long endurance hypersonic flight.     

超临界压力下航空煤油流动与传热特性试验

本文针对超燃冲压发动机再生冷却系统运行条件,实验研究了大庆RP-3煤油在超临界压力下的流动和传热特性,目的在于研究煤油在各种工况下的流动参数变化以及对流传热规律。煤油通过二级煤油加热/输运系统加热,试验的煤油压力约2.6M～5.0MPa,油温约300～800K。相应的壁面热流密度为10～300kW/m2。通过油温与壁温的同步测量,结合非定常传热分析,获得了超临界压力下、亚/超临界温度范围内煤油的流动和传热物理参量的变化曲线。     

双模态冲压发动机燃烧性能初步研究

通过数值模拟和地面试验研究了当量比和注油分布对双模态冲压发动机燃烧性能的影响,结果表明：在隔离段入口马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1MPa的来流条件下,总当量比为0.6时,燃烧模态为双模态亚燃,热力喉道位置位于凹槽出口处;总当量比大于0.6时,发动机燃烧模态为亚燃,热力喉道位置相同,流场结构稳定.通过选取压力参考点的方法,发展了发动机推力快速分析方法,误差较小.     

低速高温燃气流热模拟试验方法和设备

对比分析了两种气流状态参数和两种加热情况下典型前缘部件表面热流密度的相似性,论证了利用亚声速高温燃气流加热方式进行近地空间高超声速飞行工况气动热模拟试验的可行性.针对高超声速飞行器典型钝头锥结构提出“小喷口低速高温燃气流+石英灯”组合热试验方案.通过采用新型高效双腔蒸发管型燃气发生器、新型带保温夹层和耐高温陶瓷内衬的水冷不锈钢高温管道结构,同时引入电加热器预热及燃烧室两路供油方案,使所建低速高温燃气流热试验设备产生燃气流温度达到2100K,φ250mm喷口处平均径向温度分布梯度约3K/mm,具有线性温度控制功能且稳态控制温差约46K,满足24km、马赫数为6典型高超声速飞行器工况驻点区域高温/大热流密度气动热试验要求.      

菱形排列发散小孔火焰筒冷却结构数值模拟

针对先进燃烧室火焰筒壁面保护问题,对火焰筒菱形排列发散小孔进行数值研究,提出一套处理菱形排列发散小孔网格的方法。为了研究火焰筒壁面的温度分布,采用流固耦合的方法,并采用标准k-ε模型、非预混PDF模型对燃烧室性能进行计算。计算结果表明：发散小孔菱形排列在冷却效果上优于顺排排列,在总油气比为0.046的情况下,工况一最高壁温806K,温度梯度20.7K/cm,工况二最高壁温780K,温度梯度34.4K/cm,冷却结构满足了先进燃烧室在高油气比下对燃烧室壁温方面的要求。     

超燃冲压发动机进气道表面热结构设计与分析

基于超燃冲压发动机进气道表面的热环境,考虑采用结构防热来实现进气道表面的有效热防护.对进气道表面进行了隔热网结构和瓦楞结构两种方案的热结构设计,并分别对两种方案设计的热防护效果进行了仿真计算.结果表明,在设计工作时间内两种热结构设计都满足工作在材料许用温度范围内的要求,可以实现有效热防护.并在计算结果基础上,对两种方案结构进行了分析比较,指出了瓦楞结构的防热效果更佳.      

飞行器热防护与利用一体化系统实验与模拟

通过设计一种基于主动冷却的点阵桁架结构,在降低飞行器质量的同时,实现有效的热防护效果,并在该结构中加入半导体温差发电装置,将产生的气动热转化为电能,可用于飞行器小型用电设备供电.对该热防护与利用一体化系统进行了实验研究.在不同工况下,温差发电功率远大于主动冷却系统的泵功消耗,可实现主动冷却系统的自驱动.通过添加管内表面...     

再生冷却超燃冲压发动机整机稳态热分析

为了对再生冷却超燃冲压发动机进行热分析,结合三维燃气流场计算软件平台、国内航空煤油物性计算程序,发展了三维热分析计算程序.在Ma=4.9和5.86两种工作状态下,对再生冷却超燃发动机整机进行了三维热分析,得到了发动机局部高温区位置,并研究了冷却剂流量分配对发动机冷却的影响.      

网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。