TBCC推进系统总体性能建模与工作特性分析

论文摘要

涡轮基组合循环（Turbine-Based-Combined-Cycle,TBCC）发动机具有较优越的弹道性能,是一种可应用于高超声速飞行器的吸气式动力方案,在军民用航空航天领域具有广泛的应用前景。建立TBCC发动机总体性能模型在高超声速飞行器方案选型、推进系统总体设计,发动机整机及相关部件工作特性分析等研究中都具有非常重要的作用。本文利用拟一维流路分析方法,初步构建了TBCC总体性能的分析框架,并基于发动机部件特性建立了TBCC总体性能计算模型,利用C语言开发了相应的计算软件。完成了组合发动机各典型工作模态下的稳态性能计算,分析了组合发动机沿飞行轨迹线的性能参数变化规律。通过本文工作,给出了涡轮发动机工作特性曲线,所得结论与航空发动机经典理论相符。通过对进气道与发动机的匹配工作以及喷管与飞行器后体共同工作的分析,本文建立了并联式组合发动机进排气系统的数学模型。分析了进气道和喷管在不同模态下的工作性能及其变化规律,初步讨论了进排气部件共同工作中的相互影响。以进气道出口气动参数为对比目标,将进气道计算结果与CFD结果进行了对比,本文给出的计算结果基本符合进气道工作的物理规律,除设计工作点总压恢复系数这一指标外,其它参数误差基本不超过10%。根据计算结果,分析了冲压发动机燃烧室工作压力变化对发动机总体性能的影响,初步讨论了燃烧室压力脉动对发动机工作的危害,给出了燃烧室压力脉动的设计允许范围。最后,本文对组合发动机过渡工作态的总体性能进行了探索研究。以发动机流量分配比例变化为条件,分析了组合发动机过渡工作段性能参数的变化规律,确定了涡轮发动机的关车位置。阐述了接力工作点发动机性能衰减的主要原因,提出了改善发动机工作稳定性的初步方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的引出
• 1.2 研究背景及现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 TBCC 总体分析框架的建立
• 2.1 并联式 TBCC 系统的工作原理简介
• 2.2 TBCC 组合推进系统背景任务的选择
• 2.3 组合发动机总体性能分析框架
• 2.4 本章小结
• 第三章 TBCC 组合发动机建模原理分析及部件级模型的建立
• 3.1 航空发动机数学模型分类
• 3.2 涡轮发动机部件级模型的建立
• 3.2.1 涡轮发动机部件级模型原理
• 3.2.2 涡轮发动机沿流程的各部件气动热力计算
• 3.2.3 涡轮发动机部件气动热力计算的补充说明
• 3.3 冲压发动机气动热力计算
• 3.4 TBCC 推进系统各工作模态下的稳态模型
• 3.4.1 涡轮发动机部件的稳态模型
• 3.4.2 冲压发动机的稳态模型
• 3.4.3 过渡工作状态的稳态模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 TBCC 推进系统进排气系统建模分析
• 4.1 组合推进系统进气道的建模与工作特性分析
• 4.1.1 进气道的物理模型及工作原理分析
• 4.1.2 进气道的气动热力计算
• 4.1.3 组合发动机进气道的工作特性分析
• 4.2 进气道的数值模拟及流场分析
• 4.2.1 不同工况下进气道的流场结构分析
• 4.2.2 进气道数值模拟结果综合分析
• 4.2.3 进气道反压特性分析
• 4.2.4 过渡工作态进气道的流场特性
• 4.3 推进系统喷管的建模及工作分析
• 4.3.1 喷管的物理模型及工作状态分析
• 4.3.2 喷管的气动性能参数及工作特性分析
• 4.4 组合推进系统进排气部件的匹配工作分析
• 4.4.1 喷管节流特性对进气道工作的影响
• 4.4.2 进气道节流特性对喷管工作的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 TBCC 组合发动机总体性能分析
• 5.1 冲压发动机工作分析
• 5.1.1 冲压发动机的工作性能参数
• 5.1.2 影响发动机工作性能的主要因素
• 5.2 涡轮发动机工作分析
• 5.2.1 涡轮发动机工作性能参数
• 5.2.2 涡轮发动机特性分析
• 5.3 组合发动机过渡工作模态的性能分析
• 5.3.1 发动机过渡模态的工作原理
• 5.3.2 过渡工作模态的推力特性
• 5.3.3 过渡工作段改善发动机推力特性的途径
• 5.3.4 过渡工作段发动机的油耗特性
• 5.3.5 过渡工作段接力工作点的工作特性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的文章