国外TBCC关键技术及试验设备

<正>涡轮基组合循环(TBCC)发动机是涡轮发动机、亚燃/超燃冲压发动机组合的推进装置,能够实现变循环工作过程,使飞行器在不同飞行条件(亚声速、超声速、高超声速)下都能得到良好的推进性能,可作为超声速、高超声速巡航导弹和高速侦察机、远程高速攻击机的动力系统,以及轨道飞行器第一级理想动力系统,在安全性、经济性、可靠性、可行性方面具有独特的优势,拥有良好的应用前景。     

甲烷-液氧超临界压力非预混湍流燃烧的数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法和火焰面-反应进度变量湍流燃烧模型,在准确考虑热物性变化和详细化学反应机理的基础上,建立了适用于超临界压力非预混湍流燃烧的数值模型,开展了甲烷-液氧(LOx)超临界压力同轴喷射非预混湍流燃烧过程的数值模拟研究,着重探讨了推进剂混合比分别为1和3情况下超临界工作压力(6~15 MPa)对甲烷-液氧非预混湍流燃烧过程的影响。结果表明:不同混合比情况下压力对火焰温度和结构的影响会有显著的不同。在推进剂混合比为1时,随着压力的升高,火焰变得更长,且火焰温度升高;而在推进剂混合比为3时,随着压力的升高,火焰长度则会变短。在超临界压力下,火焰沿径向有突然的扩张现象(特别是在6 MPa压力下)。这主要与液氧物性在拟临界温度附近的突变所造成的拟沸腾现象有关,也会受到液氧喷射动量变化的影响。     

预循环应力对材料断裂力学性能“锻炼”效应的影响

对服役多年的高速列车用7N01铝合金材料进行疲劳裂纹扩展速率试验,其对数坐标系中的疲劳裂纹扩展速率da/d N与应力强度因子ΔK的关系呈折线形式。与未服役材料对比,在裂纹扩展初期阶段,裂纹扩展速率降低。选取两种原始铝合金材料进行107次预循环应力作用后的疲劳裂纹扩展速率试验,研究低于疲劳极限的预循环应力对材料断裂力学性能的影响。结果表明:经预循环应力作用的材料,其da/d N与ΔK的关系曲线在裂纹扩展初期(对应于低应力强度因子阶段)均出现折转现象。对试验数据的回归分析表明:预循环应力的作用使得材料的断裂力学性能有所提高,预循环应力对材料产生"锻炼"效应。     

TBCC发动机进气机匣流道评估与优化

对涡轮基组合循环(TBCC)发动机进气机匣进行全三维流场计算,评估进气机匣流道的流场和性能,发现进气机匣流道中气流损失过大,总压恢复系数不满足指标要求,需进行优化。然后根据流场分析结果和流道截面积变化,使用三次样条插值方法对进气机匣流道进行优化,使流道截面积变化更为平缓。对修改设计后的流道再进行全三维流场计算分析,反复迭代使得最终的进气机匣流道和支板的总压恢复系数大幅提高,并满足指标要求。     

进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型

为了预估变循环发动机气动稳定性对周向进气畸变的响应,建立了进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型.采用带源项的二维非定常欧拉方程描述变循环发动机内部的流动,根据部件特性计算源项,采用时间推进法求解方程组.利用该模型分析了周向进气畸变沿某变循环发动机流路的传递和该发动机的临界畸变指数,计算结果表明:该模型实现了对进气畸变影响变循环发动机气动稳定性的仿真;进气畸变经过核心机驱动风扇级后有显著的衰减;核心机驱动风扇级对进气畸变非常敏感,易发生失稳,是变循环发动机抗畸变的薄弱点.      

涡轮叶片-榫头-轮盘的蠕变与低循环疲劳寿命预测

为获得小型涡扇发动机的涡轮转子结构的预期寿命,通过对涡轮叶片-榫头-轮盘结构进行一体化建模,利用经典寿命预测方法对其蠕变持久寿命与低循环寿命进行了预测。首先,分析了各部位温度分布和应力-应变分布,确定寿命关键点,利用Larson-Miller方程计算叶片的蠕变持久寿命,然后采用Manson Coffin方程计算整个结构的低循环疲劳寿命。计算结果表明,由于载荷剖面下的工作温度较低,叶片的蠕变损伤极小,而由于榫头/榫槽部位存在应力集中,其低循环疲劳预期寿命仅有102次循环。     

基于损伤力学的GH4169合金低循环裂纹萌生寿命预测

为了更准确地预估高温材料的低循环疲劳裂纹萌生寿命,将低循环疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了损伤累积模型.结合360 ℃、650 ℃下GH4169合金的低循环疲劳寿命数据拟合出模型的具体表达式,进而开展了对低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测试验.结果表明:该方法针对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内,且能很好的反映变幅加载对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的影响.     

考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测

建立了民用航空发动机单晶涡轮叶片考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命预测方法,该方法在热弹性蠕变有限元计算基础上,综合单轴等应变松弛模型及多轴应力修正因子预测全寿命周期内的应力松弛历程,应力下限取为一次应力.利用综合时间硬化隐式蠕变方程描述蠕变变形,结合损伤雨流计数法及Morrow方程计算疲劳损伤,基于Robinson法则的分段损伤线性累积方法计算全寿命周期内的蠕变损伤,总损伤达到临界损伤时获得蠕变疲劳寿命.通过对公开的单晶材料蠕变疲劳数据的分析,临界损伤定为0.5.结果显示,考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命是不考虑应力松弛的45.6倍.为保证可靠性而兼顾经济性,叶片寿命预测时,可先有限元循环加载n个循环,再利用所提出的方法预测2n个循环内的应力松弛历程.      

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性,基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算,湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较,热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理,讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因;提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施;提出了换热恶化预测关联式,为主动再生冷却技术提供参考。      

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明：高转速条件下（500r/min以上）,浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2～4倍。