带增压压气机的小型脉冲爆震涡轴发动机性能分析

为了解决小型涡轴发动机采用脉冲爆震燃烧室代替主燃烧室时,由于脉冲爆震燃烧室的增压作用,无法从压气机出口引气对燃气涡轮冷却、封严的问题,提出了一种带增压压气机的脉冲爆震涡轴发动机(PDTSE)构型,并建立了相应的性能分析方法。对常规涡轴发动机与带增压压气机的PDTSE性能进行对比研究,计算结果表明：与常规涡轴发动机相比,带增压压气机PDTSE性能具有较大优势;在整个设计域内,综合考虑性能指标和设计难度,在循环最优处,带增压压气机的PDTSE相比普通涡轴的热循环效率高14.5%,耗油率低9.7%,单位功率高27%。     

小型弹用涡轮发动机发展综述

小型涡轮喷气和涡轮风扇发动机可为高亚音速、中远程导弹提供理想的巡航动力,是各军事强国竞争的焦点。弹用涡轮发动机具有成本低、寿命短、尺寸小、转速高、增压比低、容积热强度大、起动和点火方式多样等特点,已被广泛应用于巡航、反舰和空地等多种战略与战术导弹。从国内外主要产品及其技术参数、性能与结构基本特点、应用现状、发展趋势等方面,对20世纪70年代以来100~700daN推力范围内弹用涡轮发动机的发展情况进行梳理和分析。指出更低成本、更少油耗和更优结构将是未来导弹推进系统继续追求的目标;螺桨风扇发动机高速性好、耗油率低,脉冲爆震涡轮发动机循环效率高、结构简单,是未来先进弹用涡轮发动机重要的发展方向。     

乙烯和汽油多循环脉冲爆震发动机起爆特性比较

为了研究脉冲爆震发动机(PDE)结构对其工作性能的影响,在内径为40mm、长为1050mm的气动阀式脉冲爆震发动机样机上,进行了气态乙烯/空气和液态汽油/空气的多循环起爆特性试验研究.研究结果表明:在25,30Hz和40Hz下都能在乙烯/空气中成功触发爆震波,40Hz下产生C-J(Chapman-Jouguet)爆震波,传播速度为1724m/s(低于C-J爆震波速度理论值1832.45m/s的5.6%),峰值压力为3.01MPa(高于C-J爆震波压力理论值2.79MPa的7.88%).在相同结构下,汽油/空气未能完成由缓燃向爆震转变的过程.通过对比两种燃料下的试验结果发现:相对于气态燃料,液态燃料受其蒸发过程的影响,在爆震管内的火焰加速缓慢,需要更多的强化燃烧装置来加速火焰,带来的总压损失也更大.因此,对于液态燃料改善雾化和蒸发,提高可爆混气的质量是其实现低阻起爆的关键.      

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.     

脉冲爆震发动机旋转阀技术研究

为解决脉冲爆震发动机高频稳定连续燃烧推进剂间歇式供应难题,开展了旋转阀技术研究.通过采用伺服电机驱动二阶凸轮特殊结构设计,将电机轴的旋转运动转换为控制阀芯的直线开关运动,并放大电机旋转频率特性,实现最大200 Hz的高频控制.突破了高频响应、长寿命驱动和氧气安全性保障关键技术,完成旋转阀鉴定试验和脉冲爆震发动机地面点火试车考核.研究结果表明,与传统电磁阀相比,旋转阀能够有效提高响应频率,实现了爆震波的稳定连续输出,满足工程应用要求.     

脉冲爆震发动机部分填充效应理论分析

为了研究脉冲爆震发动机的部分填充效应,建立了不依赖于实验数据的通用理论分析模型。将该理论模型得到的计算结果与实验数据进行对比,误差在15%以内。并应用该模型进行了一些算例计算,计算结果表明:部分填充能显著增加比冲,理论比冲最高能接近600s;比冲增益随填充系数的减小而增大,最后趋于某一上限值,计算中,该上限值最高达到4;采用氧气作氧化剂时不仅比采用空气作氧化剂时的比冲更高,而且比冲增益也更大;不可燃气体密度越大,部分填充产生的比冲增益越大;背压降低,部分填充产生的比冲增益也随之减小。     

基于混合燃料的旋转爆震发动机燃烧室冷态流场研究

为研究基于混合气体燃料的旋转爆震发动机燃烧室内流场特性,对混合气体燃料(H2+C2H4+C2H2)与空气在燃烧室内掺混的冷态流场进行了三维数值仿真研究。根据数值仿真结果,系统地描述了燃烧室内混合气体的流动特性,对比分析了不同喷注结构(燃料喷注深度、空气喷注环缝宽度)及不同的气体质量流率等因素对三维冷态流场及掺混的影响,并用掺混不均匀度定量评价了混合气体燃料与空气掺混的程度。研究结果表明,在文中给定的计算参数条件下,随着空气环缝宽度的增大,掺混效果能够得到一定提升;随着燃料喷注深度的增大,掺混效果有所下降;随着空气及燃料的质量流率的增大,燃烧室头部掺混效果略有下降,在中部掺混效果得到提升。     

基于特征线理论的旋转爆震流场结构特征研究

特征线理论及其计算方法是气体动力学的经典理论与方法,应用于旋转爆震流场分析具有简单高效的特点。将坐标系建立在爆震波上,对旋转爆震流场进行简化,采用特征线理论并结合流场计算单元过程,建立旋转爆震流场计算模型。研究了当量比和喷注参数对氢气/空气、甲烷/空气以及辛烷/空气3种不同预混气的旋转爆震流场结构特征的影响。结果表明:爆震波高度和倾斜角度受混气当量比和喷注总温影响明显;燃料由小分子氢燃料变为大分子碳氢燃料时,爆震波高度和倾斜角度逐渐减小;混气当量比和喷注总温主要通过影响爆震波传播速度、高度和倾斜角度而影响爆震波后宏观流场特征趋势。     

无阀模式下液态燃料高频爆震燃烧组织方法

无阀工作模式摆脱了机械阀门作动频率的限制,已被证实可用于脉冲爆震燃烧的高频间歇式供给,但实现的最高爆震频率不高于150 Hz。为进一步探索基于液态燃料的高频爆震燃烧组织方法,以及该工作模式实现更高频率爆震燃烧的可行性,针对无隔离和有隔离两种工作方式,实验研究了以汽油为燃料的高频爆震燃烧稳定工作的可行性,并探索了填充压力、氧气体积分数和喷注条件对高频爆震波产生和传播特性的影响。结果表明,采用汽油在无阀无隔离和无阀有隔离工作方式下均可实现高频爆震燃烧,实现的最高频率分别为300 Hz和210 Hz;无隔离工作方式下,氧气体积分数为40%和50%时对应的稳定爆震当量比范围分别为0.90～1.49和0.74～1.82;有隔离工作方式下,稳定爆震当量比范围为0.95～1.61;无阀有隔离模式可有效降低连续缓燃的发生,高频爆震稳定工作时对应的等效氧气体积分数上限为58%。无阀模式下,实现高频爆震燃烧的关键在于形成有效的隔离区,贫氧或贫油混合物可替代传统的惰性介质作为隔离气体。