亚燃冲压发动机燃烧室结构设计与试验研究

论文摘要

燃烧室设计主要围绕两个关键问题:燃烧和热防护。论文以试验和数值模拟为主要手段,对亚燃冲压发动机的低压点火问题、燃烧室性能和热防护结构的设计进行了研究。论文首先对低压条件下燃烧室的点火问题进行了研究;总结了影响点火特性的主要因素;在直连式高空试验系统上研究了火焰稳定器的构型和尺寸对点火性能的影响。结果表明:燃烧室低压点火时,需要较大的点火能量;燃烧室压力越高和模拟来流流量越大,越有益于点火和稳定燃烧;点火特性与燃烧室内气体平均流速和局部流速密切相关;火焰稳定器构型及尺寸对点火特性有着至关重要的影响。在基本解决了亚燃冲压发动机低压点火问题后,论文对燃烧室的性能进行了试验研究。研究结果表明:低压条件下的燃烧效率较常压下要低;煤油燃烧放热越完全,燃烧室压力越高,燃气流速则越低,总压损失也越小;贫油条件下,燃料当量比越高燃烧效率越高。根据研究结论,进一步确定了无防热燃烧室的主要结构参数,并通过试验验证了该设计下的燃烧室具有较优的性能。接着论文从研究现状、工作时间、应用成本、防热效果及对发动机性能的影响等方面对比分析了多种热防护方案的优缺点。选择高温合金作为预燃室和火焰筒的筒体材料,环缝型气膜冷却作为燃烧室的热防护方式。论文进一步对燃烧室气膜冷却结构进行了详细设计,并通过数值模拟的方法验证该设计的合理性和有效性。最后,在直连式地面试验系统上,开展了亚燃冲压发动机燃烧室热防护结构考核试验。在总温969K空气来流条件下的300s考核试验过程中,发动机工作正常,燃烧室无局部过热现象,整个系统无任何损伤,证明该气膜冷却结构能够对冲压发动机燃烧室进行有效的热防护。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冲压发动机火焰稳定技术的研究现状
• 1.2.2 冲压发动机燃烧室热防护技术的研究现状
• 1.3 本文研究思路与内容
• 第二章 试验系统与数值计算方法
• 2.1 试验系统介绍
• 2.1.1 空气加热器
• 2.1.2 模型发动机
• 2.1.3 燃气引射系统
• 2.1.4 管路供应系统
• 2.1.5 测控系统
• 2.1.6 点火系统
• 2.2 试验系统调试
• 2.2.1 燃气发生器调试
• 2.2.2 空气加热器调试
• 2.3 控制方程组
• 2.3.1 NS方程组
• 2.3.2 气相控制方程组
• 2.3.3 液相控制方程组
• 2.4 基本物理模型
• 2.4.1 湍流模型
• 2.4.2 热传导模型
• 2.4.3 热对流模型
• 2.4.4 热辐射模型
• 2.5 数值计算方法
• 2.5.1 微分方程离散化
• 2.5.2 网格生成
• 2.5.3 定解条件
• 2.6 本章小结
• 第三章 亚燃冲压发动机火焰稳定器设计与点火性能试验研究
• 3.1 火焰稳定器设计
• 3.1.1 突扩构型
• 3.1.2 边区凹腔
• 3.1.3 中心锥
• 3.1.4 中心凹腔
• 3.1.5 V型槽
• 3.2 发动机点火试验方案
• 3.2.1 试验对象
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 燃烧室点火特性试验研究
• 3.3.1 点火过程分析
• 3.3.2 点火性能研究试验现象
• 3.3.3 点火方式对点火性能的影响
• 3.3.4 来流条件对点火性能的影响
• 3.3.5 尾喷管喉部大小对点火性能的影响
• 3.3.6 火焰稳定器构型及尺寸对点火性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 亚燃冲压发动机无防热燃烧室性能研究与结构尺寸确定
• 4.1 燃烧室性能评价指标
• 4.1.1 发动机推力
• 4.1.2 总压损失
• 4.1.3 燃烧效率
• 4.1.4 一种新型的评价指标
• 4.2 无防热燃烧室性能研究
• 4.2.1 入口来流条件对燃烧室性能的影响
• 4.2.2 贫油条件下当量比对燃烧室性能的影响
• 4.2.3 燃烧室长度对燃烧室性能的影响
• 4.2.4 凹腔结构对燃烧室性能的影响
• 4.3 无防热燃烧室结构尺寸确定
• 4.4 本章小结
• 第五章 亚燃冲压发动机燃烧室热防护方案研究与结构设计
• 5.1 热防护方案概述
• 5.1.1 被动热防护方案
• 5.1.2 主动热防护方案
• 5.2 热防护方案对比选择
• 5.3 气膜冷却系统的几个指标
• 5.3.1 冷却效率
• 5.3.2 火焰筒最高温度
• 5.3.3 最大相对温差
• 5.3.4 冷气利用率
• 5.4 热防护结构设计
• 5.4.1 设计条件及要求
• 5.4.2 热防护结构设计
• 5.4.3 冷却气取气结构设计
• 5.5 亚燃冲压发动机燃烧室热防护结构数值仿真研究
• 5.5.1 计算网格及初边值处理
• 5.5.2 数值仿真结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 亚燃冲压发动机燃烧室热防护结构考核试验
• 6.1 热防护结构考核试验发动机模型
• 6.1.1 试验用发动机
• 6.1.2 来流条件
• 6.2 温度测量与修正
• 6.2.1 温度测量
• 6.2.2 测量值修正方法
• 6.3 热防护结构考核试验结果与分析
• 6.3.1 预燃室热考核试验及结果分析
• 6.3.2 发动机燃烧室热考核试验及结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果