级间旋转爆震涡轴发动机热力过程及性能分析

针对一种级间旋转爆震涡轴发动机概念建立了集总参数模型,研究了发动机内部温度、压力、流量分配及涡轮效率等参数随爆震燃烧特性的变化规律.研究结果表明:级间旋转爆震燃烧室的引入可实现对燃气的二次增温增压,能够较为明显地提升涡轴发动机单位功率,但同时也将改变发动机主流与冷却气流的流量分配比例,使得涡轮流量系数和级载荷系数变化、...     

暂冲式激波聚焦及起爆爆震的实验与数值模拟研究

开展了三维暂冲式激波聚焦及起爆爆震的冷态与热态实验,并采用WENO算法和块结构网格自适应加密算法进行了高精度数值模拟.在环形喷口宽度d=5.4mm,驱动压力pres=0.55MPa,初始压力pinit=0.091MPa的条件下,第1次激波聚焦所致的峰值压力达2.17MPa,是初始压力的23.8倍.以当量比1.0的C2 H2/Air混合气为工质,在驱动压力为1.51MPa,环形喷口宽度d=11.4mm的工况下成功起爆了爆震波.测得火焰传播速度与激波传播速度之间的耦合偏差为2.7%,爆震波速为1587.3m/s.数值模拟清晰地捕捉到了激波聚焦及起爆爆震过程中的流场演化细节.发现环形激波沿三维凹面腔径向入射,首先在对称轴上聚心碰撞,形成沿对称轴对称分布的马赫干,并作为入射激波向凹面腔底部推进.同时,原入射激波也向凹面腔底部运动.因此,环形激波沿三维凹面腔径向入射聚焦的完成是以原入射激波和新形成的马赫干在凹面腔底部碰撞为标志的.     

脉冲爆震环境下涡轮性能及气热负荷的时序演变规律

针对脉冲爆震发动机涡轮部件对剧烈时变来流条件和爆震波的非定常响应问题,对脉冲爆震发动机典型工况下某单级 涡轮开展了3维非定常数值仿真,详细讨论了脉冲爆震环境对涡轮流通能力、作功能力、流动损失、温度分布及受力等关键气热特 征的影响。结果表明：爆震波在导叶上游的传播和反射会显著影响涡轮的瞬态流通特征,导致涡轮进口流动在正向和逆向间反复 变化;爆震波压缩作功使进口温度大幅升高,而导叶反射波则会使流体温度进一步升高,甚至超过来流温度的峰值;转静子叶片轴 向间隙内呈现复杂的爆震波干涉与反射结构,在此影响下所研究的涡轮转子来流攻角变化范围超过100°,从而引起涡轮流通能 力、流动结构及损失的剧烈时序变化;在爆震波的冲击下,涡轮导叶排瞬态轴向力超过涡轮稳态设计点的120倍,周向负荷超过稳 态设计点的40倍,涡轮动叶轴向力和周向负荷则可达到稳态设计点的6~7倍,给涡轮结构强度造成极大的影响;爆震波和反射波 对工质的压缩作功可使导叶表面流体的最高瞬态温度达到导叶表面流体周期平均温度的3.5倍以上,动叶的也可达到2.8倍以上, 使叶片冷却的难度增大,且可能引发严重的烧蚀问题。     

鼓包诱导斜爆震波的数值研究

为实现低马赫数条件下斜爆震波的快速起爆,以及提高斜爆震波对来流扰动的抗干扰能力,提出了通过在诱导区内设置一个小鼓包来控制斜爆震波起爆的方案,并通过数值求解二维多组分欧拉方程研究了楔面和鼓包诱导的斜爆震波。结果表明：通过在诱导区内设置鼓包可实现斜爆震波的提前起爆;且在较宽马赫数范围内,其起爆位置相对固定。鼓包诱导的斜爆震波主要有强耦合和弱耦合两种起爆形式,起爆形式与鼓包和斜激波的相对位置有关。此外,来流扰动会使楔面诱导的斜爆震波剧烈振荡,不利于斜爆震发动机的稳定工作;鼓包的存在对来流扰动所引发的斜爆震波振荡具有一定的抑制作用。     

爆震管内波与火焰相互作用机理的试验

为了解波与火焰相互作用的机理,在60 mm×60 mm×2000 mm方爆震管内,用乙炔(C₂H₂)和空气混合物进行了单爆震性能研究.利用压力传感器与离子探针同时测得爆震管内的压力和火焰传播速度.根据波和火焰触发的不同时刻来分析爆震管内波与火焰相互作用的过程.结果表明:光滑爆震管内没有产生爆震波,压力波始终在火焰前面;加入阻塞比为0.4的扰流器后,爆震管内产生了爆震波.在扰流器内部,爆震波比较复杂,弱压缩波在火焰前面,但火焰在激波前面;在扰流器出口位置以后,激波在火焰前面.      

旋转爆震发动机液态燃料预爆器设计及爆震燃烧特性研究

为了解决液态燃料旋转爆震发动机点火起爆困难和结构紧凑等问题,进行了以液态航空煤油为燃料的预爆器设计,包括离心/预膜复合燃油雾化喷嘴、点火/传焰凹腔、三枝管预爆室等结构。以液态航空煤油/氧气为工作介质,进行了离心/预膜复合燃油雾化喷嘴雾化特性和预爆器爆震燃烧特性试验研究,获得了离心/预膜复合燃油雾化喷嘴雾化粒径变化规律,以及预爆器内爆震波压力、传播速度等变化规律。研究表明:离心/预膜复合燃油雾化喷嘴的雾化效果随气流流量和油压增加而改善,预爆器接近出口位置(PCB5处)爆震波峰值压力可超过3.80MPa,爆震波传播速度可达1800m/s;随着当量比增加,预爆器内过驱爆震位置提前,有利于缩短预爆器的长度。     

吸气式无阀脉冲爆震发动机试验研究

为了获得大气层内的高速巡航能力,需要发展包括吸气式脉冲爆震发动机在内的多种新概念动力装置.设计制造了完整的吸气式无阀脉冲爆震模型机,包括亚声速进气道,混合室,点火室,爆震室和喷管.采用起爆性较差的汽油和空气为推进剂,以低于50mJ的点火能量研究了模型机(除去喷管)的多循环单级起爆和爆燃向爆震转变过程(DDT),并尝试减小DDT轴向距离的方法.设计一种环缝结构来加强汽油、空气的掺混,和减小推力壁端敞口对模型机起爆的不利影响.试验表明模型机易于起爆, DDT距离在1.3m(距离点火器)左右,采用高能点火装置之后,DDT距离减为1.09m.模型机与一端封闭一端敞开的脉冲爆震火箭发动机相比,由于两端敞口,各测压点压力时域变化更加复杂,有两次上升和下降过程.     

扇形脉冲爆震燃烧室起爆过程数值模拟

为了探究不同障碍物结构对扇形脉冲爆震燃烧室起爆过程的影响,对采用3种典型孔板障碍物的扇形脉冲爆震燃烧 室,截取其中间截面进行了起爆过程的数值模拟,研究了障碍物型式、障碍物堵塞比及障碍物间距对扇形脉冲爆震燃烧室爆燃转 爆震（DDT）距离的影响规律。结果表明：障碍物堵塞比对扇形脉冲爆震燃烧室DDT距离的影响最大,且在堵塞比为0.35~0.70时, 堵塞比越高DDT距离越短;在3种型式的障碍物中,在低堵塞比下,截面为前掠三角形的障碍物缩短DDT距离的效果最好,在高堵 塞比下,截面为后掠三角形的障碍物缩短DDT距离的效果最好;在3种障碍物间距中,当间距分别等于1倍和1.2倍的爆震室当量 直径时,扇形脉冲爆震燃烧室的DDT距离相差不大,且均短于障碍物间距等于0.8倍爆震室当量直径时的DDT距离。     

喷管对旋转爆震发动机性能影响的实验

为了研究喷管对旋转爆震发动机（RDE）性能的影响,设计了RDE推力测试台,RDE环形燃烧室的内径和外径分别为70mm和80mm,长度为40mm,以氢气和空气分别作为燃料和氧化剂,采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,使用高能火花塞点火,并用压电式压力传感器测量推力,实验研究在燃烧室出口安装收敛喷管、扩张喷管以及拉瓦尔喷管对发动机工作性能的影响.结果表明,入口总质量流量小于0.126kg/s时,在发动机稳定工作的工况范围内,收敛喷管对发动机推进性能的提高最为明显.爆震波的传播速度及RDE的推进性能随着入口质量流量的增大而逐渐提高,而当量比则存在一个最佳值,使爆震波的传播速度及RDE的推力达到最大.基于混合物的比冲最高能够达到95.21s.      

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%。