高空长航时无人机用涡扇发动机关键技术分析

针对目前高空长航时无人机(HALE UAV)在信息化战争中应用越来越广泛、地位越来越重要的现状,介绍了高空长航时无人机对动力的需求,总结了国外高空长航时无人机用涡扇发动机的发展现状,分析了其技术特点,提出了我国发展高空长航时无人机动力需突破的关键技术.     

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议。计算结果表明:来流马赫数为0.38的情况下,由于非定常气动干扰导致的整个共轴对转螺旋桨的拉力系数和功率系数的脉动幅值为1.5%左右,推进效率的脉动幅值在0.1%左右。一个旋转周期内,前后桨均出现了12次周期波动,后桨由于能够吸收一部分前桨产生的切向滑流能量,推进效率比前桨更高一些,而且能够提高整个桨的效率。另外通过压力系数以及轴向速度的径向分布情况看,70%左右的桨半径位置上非定常气动干扰强度相对较大。      

基于整机试车的涡轮叶片高低循环复合疲劳试验技术

针对航空发动机涡轮叶片同时承受高循环载荷和低循环载荷的特征,以小推力涡喷发动机为研究对象,搭建了基于引电器的涡轮叶片动应力测量系统,利用数值模拟和试验测试结合的方法,实现了高度为30mm的涡轮叶片在40000r/min转速、950℃环境温度条件下的动应力测量,并以此为基础发展了整机高低循环复合疲劳试验方法,开展了高压涡轮叶片高低复合疲劳整机试验。研究结果表明,该型发动机转速在34920r/min时,叶片高循环振动应力达到112.7MPa,带来了涡轮叶片的高循环疲劳损伤且是引起涡轮叶片产生裂纹的主要因素,低循环疲劳载荷是导致裂纹扩展的主要因素,两者综合作用会显著影响涡轮叶片寿命。      

矩形通道内扰流柱形状对流动和换热特性影响的研究

利用试验和数值模拟两种方法对装有圆形、椭圆形和水滴形三种叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热过程进行了研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面温度场的基本特征,并对其强化换热特性和压力损失特性进行了对比分析。结果表明:装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失分别为前两者的51%和95%,而恒热流壁面的平均对流换热系数相对于前两者而言分别降低了20%和7.9%,压力损失降低的幅度明显高于强化换热的减弱。综合性能评估表明,水滴形扰流柱是一种具有较好综合性能、替代常规圆形扰流柱的理想结构。     

高转速小尺寸涡轮叶片动应力测量方法与应用

根据小推力发动机涡轮叶片动应力测量试验要求,提出了一种基于引电器的高温环境旋转件动应力测量系统方案,以实现高温度条件下高转速、小尺寸涡轮叶片的动应力测量。详细阐述了测量系统组成及关键技术,并利用该系统完成了高压涡轮叶片的动应力测量,试验过程中,测试系统工作稳定,信号频率跟随性良好。试验结果表明,该型发动机转速在34920r/min时叶片振动应力达到112.7MPa,会带来涡轮叶片的高循环疲劳损伤。     

双外涵混合排气变循环发动机性能建模与仿真

为满足设计初期阶段变循环发动机性能评估需求,建立了一种不依赖于部件特性曲线的双外涵混合排气变循环发动机总体性能仿真模型,编制了相应的总体性能仿真程序,模拟研究了变流路和变几何调节对双外涵混合排气变循环发动机节流状态及最大状态性能的影响。研究表明,构型改变对发动机耗油率影响较小,对推力影响较大。可调高压涡轮导向器对发动机推力及耗油率的性能增益较小。可调后涵道引射器既可以提高发动机在各种工况下的参数匹配能力,又可以改变发动机的涵道比。综合考虑结构设计复杂度与性能收益,可调尾喷管与可调后涵道引射器的组合方案是相对最佳的变几何方案。     

不同形状扰流柱矩形通道内流动特性研究

 对内置有相同截面面积的圆形、椭圆形和水滴形等不同形状扰流柱叉排阵列的矩形通道流动过程进行了试验和三维数值模拟,获得了通道内流场的基本特征,分析了扰流柱形状和扰流柱间距对通道压力损失性能的影响。研究结果表明：在相同的扰流柱间距下,装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失约为圆形扰流柱的50~60%;随着扰流柱阵列间距的减小,通道压力损失增加,改变横向间距引起的扰流柱阵列通道压力损失的改变要比改变流向间距更为显著。     

单外涵变循环发动机变几何特性仿真

为了研究单外涵变循环发动机变几何性能收益,建立了一种单外涵变循环发动机总体性能仿真模型,并通过算例验证了仿真模型的计算精度。根据不同飞行状态的发动机控制规律和最优控制目标,模拟生成3种变几何方案最佳变几何参数以及最佳节流特性和高度-速度特性。结果表明：在设定的控制规律下,相对发动机常规变几何方案（方案1）,尾喷管、混合器与低压涡轮导向器可调的变几何方案（方案3）使发动机地面节流状态耗油率降低1.7%～3.0%,超声速巡航推力增大14%～29%,亚声速巡航耗油率降低0.9%～3.1%,在3种变几何方案中性能收益最大;尾喷管与混合器可调的变几何方案（方案2）使发动机地面节流状态耗油率降低1.2%～2.2%,超声速巡航推力增大3%～17%,亚声速巡航耗油率降低0.9%～1.2%,在3种变几何方案中性能收益居中。发动机变几何方案的选择应综合考虑结构复杂度、可靠性、质量等方面的代价与基于特定任务需求的总体性能收益的平衡。     

收缩通道内水滴形扰流柱群的换热和压力损失特性

对装有三种不同截面的水滴形扰流柱叉排阵列的收缩通道内的流动和换热进行了三维数值模拟,获得了收缩通道扰流柱排内旋涡强度分布的基本特征,并根据流场分析了扰流柱形状对柱群压力损失性能和换热性能的影响,并与具有相同流动空间的矩形通道内的流动换热特性进行了比较.计算结果表明:在所研究的Re数变化范围内,收缩通道的端壁Nu_avr要高于矩形通道的,随着Re的升高,二者之间的差距有变大的趋势;收缩通道和矩形通道的压力损失系数差别很大,相同Re数下,收缩通道的压力损失系数约是矩形通道的34.5倍.      

水平起降Ma4高速飞机用涡轮冲压组合发动机研制关键技术难点解析及对策研究

水平起降Ma4高速飞机是目前研究的热点,涡轮冲压组合发动机是其可行动力形式之一,但历经50多年发展,Ma3.5以上涡轮冲压组合动力目前仍然停留在地面试验阶段,为了探明限制涡轮冲压组合发动机从技术研究转入工程研制的关键因素,本文设计了一个配装两台涡轮-亚燃冲压组合发动机、最高飞行速度为Ma4左右的水平起降高速飞机模型,设定了飞行任务剖面,计算出了整个飞行过程中飞机对发动机的推力需求,并对比现有航空发动机技术能力,分析出了阻碍涡轮冲压组合发动机向工程应用迈进的三大核心要素:飞机高空高速爬升阶段发动机存在一个巨大的"推力缺口",现有发动机推重比不够高导致飞机有效载荷和航程受到极大限制,发动机长时间高Ma数飞行导致可靠性和寿命低。据此针对性提出了技术研究措施建议。