论文摘要
燃料供应系统是超燃冲压发动机系统不可或缺的重要组成部分,燃料的供应与控制技术的研究对于发展超燃冲压发动机系统综合设计与集成技术至关重要,对于推动超燃冲压发动机的工程化进程具有十分重要的意义。本文针对长时间工作的煤油再生冷却超燃冲压发动机,对其燃料供应系统进行了方案设计及性能研究。发展了煤油再生冷却超燃冲压发动机燃料供应系统方案的设计方法,给出了燃料供应系统方案的设计流程,建立了燃料贮箱及其增压系统和涡轮泵装置的设计模型,分析了超燃冲压发动机燃料供应系统的特殊性,对比分析了燃料供应系统不同增压方式优缺点,开展了泵压式系统循环方式设计并分析不同循环方式的特点,设计了乙烯辅助起动的泵压式系统膨胀循环方案,分析了膨胀循环方案的起动和稳态工作过程。研究结果表明:相对于挤压式系统,泵压式系统更适合于长时间工作的发动机;推力室抽气循环不适用于超燃冲压发动机,补燃循环和燃气发生器循环对发动机设计及其空间布置提出了更高要求,增加了系统复杂性;膨胀循环耦合了发动机热防护与燃料供应系统,具有结构简单、质量小,涡轮温度低,可靠性高等优势;切换点的选择对于系统能否起动成功具有重要的影响,膨胀循环能否闭合很大程度上取决于涡轮泵功率的匹配平衡。提出了超临界煤油热物理性质的分析方法,分别定义了基于摩尔数和质量的热裂解转化率,建立了超临界煤油的热裂解反应模型,即基于温度控制的单步集总反应模型,分析了超临界煤油的热裂解特性,建立了超临界裂解态煤油平均摩尔质量的计算方法,建立了超临界煤油的热物性模型,计算了超临界压力下裂解态煤油和非裂解态煤油的热物性参数,对超临界压力下的裂解态煤油的热物性进行了非线性拟合,依据状态方程建立了超临界裂解态煤油密度的计算方法,得到了超临界裂解态煤油密度随压力和温度变化的解析表达式。建立了超临界裂解态煤油涡轮性能分析模型,分析了煤油泵的功率特性,获得了煤油泵的功率需求,分析了超临界裂解态涡轮的性能特性,进行了涡轮泵性能试验研究,评估了不同工质状态下涡轮泵的做功能力,基于试验数据分析了涡轮的流量系数、涡轮泵功率与效率特性、泵的相似性规律和煤油状态对涡轮性能的影响。研究发现:泵功率需求在涡轮输出功率范围以内,通过合理控制涡轮入口压力和温度,采用超临界裂解态煤油驱动的涡轮能够满足泵的功率需求;泵压头比与转速比平方具有很好的相似性;泵流量转速相似律与泵节流具有相关性,在泵后节流相同时,流量比与转速比具有较好的相似性;泵的功率转速相似律受涡轮节流和泵节流双重干扰;800K以下的热煤油裂解率极低,气体常数较小,膨胀做功能力不足。提出了燃料供应系统热力循环特性的分析方法,构建了燃料供应系统以煤油为工质的热力循环过程,建立了燃料供应系统热力循环过程中的再生冷却回热模型、压力损失模型以及碳氢燃料吸热模型,进行了膨胀循环系统的平衡参数、涡轮泵功率匹配特性以及循环性能参数分析。结果表明:冷却通道流量受到发动冷却需求和涡轮做功需求两方面限制;泵的增压性能由泵的转速决定,裂解态煤油涡轮的性能主要由膨胀比和冷却通道出口温度决定;涡轮泵流量比要小于1;提高膨胀比有助于提高热功转换效率,增大裂解率有助于提高燃料的膨胀做功能力。
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