燃气发生器压力闭环波动描述函数分析方法研究

针对固体火箭冲压发动机用流量可调燃气发生器压力低频波动问题,建立燃气发生器动态数学模型,分析压力闭环控制系统的开环频率特性。采用描述函数法分析伺服机构滞环非线性与压力波动之间的关系,通过计算滞环非线性描述函数负倒数特性与开环频率特性交点获得压力波动频率与幅值。理论计算结果与试验结果相符,通过改进控制器校正开环频率特性避免与滞环非线性描述函数负倒数相交解决压力波动问题,实验数据显示压力波动可以减小到2%以内。     

航空发动机主燃烧室高温测试技术

依据航空发动机主燃烧室结构及RR等国外发动机公司的研制经验,阐述了航空发动机主燃烧室试验器应当采用的合理布局。结合各类主燃烧室试验器的结构,以测量燃烧室出口温度场为目的,介绍了4种可用于燃烧室试验器温度场测量的技术,同时给出了1种燃气分析燃烧温度通用计算方法。对4种高温测试技术在不同类型燃烧试验器上的应用特点进行了比较。指出燃气分析方法测量燃烧室出口温度场具有可测量高温、数据精度高、高压环境性能可靠、在使用寿命周期内成本低的优势,是目前温度场测试的首选。     

进气角与注水规律对燃气-蒸汽弹射的影响

为了研究弯管进气角和注水规律对燃气-蒸汽弹射过程中流场和内弹道的影响,采用Mixture多相流模型,Renormalization group (RNG) k-ε湍流模型和动网格技术,建立了燃气-蒸汽弹射数值模型.通过与文献数据的对比,验证了数值方法的可靠性,分析了注水规律与弯管进气角度对燃气-蒸汽弹射过程流场和内弹道的影响.研究结果表明:当弯管进气角为60°时,燃气-蒸汽介质的能量能得到最大利用,发射筒内的温度分布较均匀;另外在同样的注水量下,缓慢注水导弹出筒时间相对较短,但波动较大;快速注水导弹运动平稳,但出筒时间较长.结果可为导弹燃气-蒸汽弹射动力系统的设计提供参考.      

燃气发生器燃烧室实验研究

燃气发生器可以有效解决低马赫数、低总温条件下液态煤油在超声速燃烧室中点火与稳定燃烧的困难。为给低马赫数条件下燃气发生器设计和强迫点火方式提供参考,在来流马赫数6、总温1650K条件下,开展了不同燃烧室结构、煤油的添加及分布、燃烧组织方式对点火和燃烧的影响实验研究。研究结果表明,随着出口喉道的减小,冷热工况燃烧室壁面压力增大,同时隔离段内受扰动最前点位置向上游移动。燃烧室出口面积与隔离段出口面积之比Q_S为0.50时,进气道在冷工况能够正常运行,热工况时煤油开始燃烧造成进气道喘振;Q_S为0.78和1.12时,进气道在冷热工况均可正常运行;Q_S为0.78,两个喷注位置组合下,煤油当量油气比达到11时能够成功点火并稳定燃烧,进气道正常启动,燃气发生器能够产生高温富油燃气。低驱动压、大喷孔的离心喷嘴喷注煤油更容易燃烧且燃烧效果更好。高富油条件下,以可添加煤油最大煤油量为分界,增加或减少煤油喷注量,可以作为小范围控制生成燃气温度的一种方式。     

模糊PI控制算法在燃气发生器上的应用

为了解决燃气发生器喉部时变性和自由容积时变性使得控制系统对燃气发生器压力控制较为困难的问题,采用钨渗铜制成锥阀进行了点火实验,对燃气发生器工作过程中喉部时变性进行了研究,采用模糊PI控制算法与模糊积分算法和PI算法进行压力控制仿真对比,研究了模糊PI控制算法对容积时变的燃气发生器压强控制的有效性。结果表明:由钨渗铜制成的锥阀较好地解决了喉部时变性,当燃气发生器自由容积变化15倍时,模糊PI算法响应速度是PI算法的5.57倍,超调量是PI算法的0.27倍,三种算法中,模糊PI算法响应速度最快、压力产生的超调量最小,因而模糊PI算法可以较好地解决自由容积时变性带来的控制超调和响应慢的问题。     

分开排气涡扇发动机的热力循环分析

基于燃气发生器的概念分析了分开排气涡扇发动机的效率划分。在此基础上,通过理论推导证明了分开排气涡扇发动机的最佳外涵风扇增压比的存在判据,及其单位推力、效率和耗油率极值的等价性。给出的判据可以作为实际分排涡扇发动机设计中的最佳外涵风扇增压比的选择依据。针对两型大涵道比分开排气涡扇发动机热力循环分析的结果表明:当外内涵排气速度的比值与风扇、低压涡轮效率的乘积相等时,发动机的总效率和单位推力最大,耗油率最低,从而证明了本文给出的效率划分和最佳外涵风扇增压比判据是合理的。      

RP-3航空煤油替代燃料简化机理及其验证

选定正癸烷作为RP-3航空煤油单组分替代燃料,建立了一种包含36组分62步基元反应的简化机理.并设计了本生灯预混预蒸发试验系统对RP-3航空煤油的火焰进行了试验研究.同时,采用两种已被验证的煤油简化机理（分别为23步和38步）及62步简化机理对本生灯预混预蒸发燃烧火焰进行数值模拟,并将计算结果和试验数据相对比.结果表明：在轴向,温度和CO₂体积分数呈先上升后下降的趋势,并且温度在距喷口轴向距离为0.020m时达到最大值;而O₂体积分数呈现下降后上升的趋势,并且距喷口轴向距离为0.025m时达到最小值.与38步简化机理和23步简化机理所获得的数据相比,在各工况下,62步简化机理计算所获得的火焰温度分布和O₂体积分数分布与试验数据能很好地吻合;同时,62步简化机理计算的CO₂体积分数分布与试验数据变化规律基本一致,而23步和38步机理的计算结果只能保持和试验数据变化趋势的一致性.因此,选定的正癸烷可作为RP-3航空煤油的单组分替代燃料,并且所获得的62步简化机理能在较大范围内反映RP-3航空煤油的燃烧性能.     

蒸汽吸入对稳定性影响中修正关联方法的研究

为了在蒸汽吸入的条件下更加准确地模拟压气机的失速边界,基于一种改进的多子压气机模型发展了一个二维稳定性分析模型。该模型通过求解带有源项的可压缩二维Euler方程组,实现对压气机的模拟。叶片对气流的作用力和做功源项是根据压气机输入的总压比和效率计算得到,并采用总压比、效率与叶片进口气动参数之间修正的关联方法。利用该模型计算压气机在吸入蒸汽下的失速边界,并与输入的稳态特性计算的失速边界结果对比来研究失速边界的变化情况。结果表明:在总温畸变一定的情况下,吸入的蒸汽量越多压气机失速边界的流量就越大。计算结果显示这个修正的关联方法实现了气体性质对压气机特性线影响的改进。     

数值解法在燃烧室出口燃气温度计算中的应用

为了求解燃气温度,利用双变量迭代法和赫夫法求解根据物质守恒、化学平衡、压力和能量守恒方程建立的非线性方程组,通过算例验证了2种数值解法求解化学平衡成分和温度的计算结果基本一致,在燃烧室出口温度场试验中,2种数值解法都能很好地满足测试需求,但双变量迭代法的计算收敛更快。试验结果表明:燃气分析的温度计算结果与热电偶的测温结果沿着燃烧室周向变化的趋势基本一致,燃气分析计算的温度基本大于热电偶测试结果。