超燃冲压发动机燃料供应系统方案研究

论文摘要

超燃冲压发动机是高超声速飞行器的理想动力装置,是高超声速飞行器的核心部件,其相关技术的研究也取得了显著的进展,但在超燃冲压发动机燃料供应系统方面的研究比较滞后。本文针对长时间工作的采用碳氢燃料进行再生冷却的超燃冲压发动机,进行了从其供应系统的方案设计到所设计方案的特性分析的完整研究。针对长时间工作的超燃冲压发动机,提出了燃料供应系统的总体设计方法,建立了燃料供应系统的详细设计模型,完成了燃料供应系统方案的设计。研究发现:对于任意一种循环方案,其都存在一个最优的涡轮入口压力使得起动过程用气量最小,而起动过程用气量随涡轮入口温度升高而减小,但随着涡轮入口温度的升高其对用气量减少的效果逐渐减弱;各个循环方案在各自最优的涡轮入口压力下,采用氦气起动的循环方案在起动过程中所需用气量、气瓶质量和体积都最小,且优势明显。介绍了燃料供应系统静特性分析的通用方法以及平衡计算的常用算法、建立了供应系统的静特性分析的数学模型、计算了系统的发动机参数、分析了单个干扰因素对发动机性能参数的影响。得出以下结论:发动机燃烧效率对发动机性能影响最大,涡轮泵效率、燃料从燃料泵出口到燃烧室喷前的流阻系数、燃烧室喷前至燃烧室段的流阻系数以及燃料密度对发动机性能参数影响较大,涡轮落压比对发动机性能影响较小,燃料泵入口压力对发动机性能的影响最小。提出了超燃冲压发动机燃料供应系统起动过程的研究方法,建立了涡轮泵动力学特性分析模型,燃烧室热力计算的准一维模型及简化模型,以及再生冷却传热模型。提出了考虑流动速度对换热过程影响的冷却剂升温过程的计算方法。针对以氦气起动的燃料供应系统循环方案,进行了起动过程的仿真。结果表明:发动机达到热平衡的时间要比涡轮泵组件达到平衡的时间短;冷却剂进入冷却流道进行冷却的时间对发动机达到平衡状态的时间影响不大,而对燃烧室壁面能达到的最高温度和冷却流道出口燃料的温度影响很大;在一定范围内增加冷却流道的高宽比可以增强发动机的冷却效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 超燃冲压发动机燃料供应系统研究背景
• 1.1.2 超燃冲压发动机燃料供应系统研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超燃冲压发动机研究进展
• 1.2.2 再生冷却热防护技术研究进展
• 1.2.3 超燃冲压发动机燃料供应系统研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 燃料供应系统总体方案设计
• 2.1 燃料供应系统总体设计方法
• 2.2 燃料供应系统设计模型
• 2.2.1 增压计算方法
• 2.2.2 燃料贮箱和高压气瓶设计
• 2.2.3 涡轮泵组件设计
• 2.2.4 燃料供应系统质量计算模型
• 2.3 基于膨胀循环的燃料供应系统方案设计
• 2.3.1 燃料供应系统循环方案概念设计
• 2.3.2 各循环方案性能对比分析
• 2.4 小结
• 第三章 燃料供应系统静特性研究
• 3.1 燃料供应系统静特性分析通用方法
• 3.1.1 压力平衡计算
• 3.1.2 流量平衡计算
• 3.1.3 功率平衡计算
• 3.1.4 系统平衡的计算方法
• 3.2 燃料供应系统静特性数学模型
• 3.3 干扰因素对发动机性能参数的影响分析
• 3.4 小结
• 第四章 燃料供应系统动态特性研究
• 4.1 燃料供应系统起动过程分析方法
• 4.2 涡轮泵动力学特性分析模型
• 4.3 燃烧室热力分析模型
• 4.3.1 流动控制方程
• 4.3.2 化学反应动力学
• 4.3.3 燃烧室热力计算简化模型
• 4.4 再生冷却换热过程分析模型
• 4.4.1 燃烧室向燃烧室内壁的传热模型
• 4.4.2 燃烧室壁向冷却剂的传热模型
• 4.4.3 冷却肋片对换热的影响
• 4.4.4 燃烧室内壁面的升温过程
• 4.5 冷却流道内冷却剂升温过程的计算方法
• 4.6 燃料供应系统动特性分析
• 4.7 小结
• 第五章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果