寬馬赫數(shù)運(yùn)行沖壓發(fā)動機(jī)的熱力性能優(yōu)化分析.pdf

1、寬馬赫數(shù)運(yùn)行是未來超燃沖壓發(fā)動機(jī)發(fā)展的必然需求。超燃沖壓發(fā)動機(jī)在低馬赫數(shù)下受到不起動邊界的限制，在飛行馬赫數(shù)較高時又受到燃燒室的材料的最大可承受溫度和氣體高溫解離的限制；在低馬赫數(shù)加速階段要求沖壓發(fā)動機(jī)具有足夠大的推力，在巡航階段需要提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因此研究如何使得沖壓發(fā)動機(jī)能夠在寬馬赫數(shù)范圍內(nèi)高效運(yùn)行十分必要。
　　針對超燃沖壓發(fā)動機(jī)寬馬赫數(shù)運(yùn)行的需求，研究了寬馬赫數(shù)運(yùn)行的沖壓發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)適用邊界，對超燃沖壓發(fā)動機(jī)施加

2、熱堵塞邊界和溫限邊界的約束，獲得了用進(jìn)氣道的壓縮溫升比和燃燒室的加熱比所表征的超燃沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道和燃燒室配合的最大工作邊界，而亞燃沖壓發(fā)動機(jī)僅受到溫度邊界的限制。在這兩種約束下超燃沖壓發(fā)動機(jī)具有最大的循環(huán)有效功，且存在于最大的運(yùn)行邊界上：在馬赫數(shù)較低時，主要受到熱堵塞邊界的約束，此時超燃沖壓發(fā)動機(jī)的循環(huán)有效功較小，而進(jìn)氣道壓縮至接近滯止?fàn)顟B(tài)的亞燃沖壓發(fā)動機(jī)的性能較好些；隨著馬赫數(shù)的增加，超燃沖壓發(fā)動機(jī)同時受到兩種邊界的約束，馬赫數(shù)再

3、增大時，發(fā)動機(jī)只受到溫限邊界的約束，此時由于溫限邊界的存在導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)的最大循環(huán)有效功有限，為保證燃燒室安全運(yùn)行，難以增加燃油當(dāng)量比獲得更大的循環(huán)有效功，此時需要借助等靜溫加熱過程將壓縮和燃燒過程的溫升解耦。最佳的工作模式為低馬赫數(shù)時采用亞燃，馬赫數(shù)達(dá)到一定程度后，采用超燃，且超燃狀態(tài)下為進(jìn)一步增大發(fā)動機(jī)的循環(huán)有效功和推力，需要借助等馬赫數(shù)和等靜溫等過程相配合。
　　對采用支板-凹腔穩(wěn)燃的固定幾何沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究，發(fā)

4、現(xiàn)飛行馬赫數(shù)和燃油分對沖壓發(fā)動機(jī)的運(yùn)行邊界影響很大。支板位置越靠近隔離段入口，即燃燒的起始位置越靠前，沖壓發(fā)動機(jī)越容易出現(xiàn)不起動現(xiàn)象。來流馬赫數(shù)越低，越容易出現(xiàn)不起動現(xiàn)象，燃燒室所能容納的加熱量有限，燃油當(dāng)量比較小，燃油應(yīng)當(dāng)向燃燒室下游分配。對采用“等-擴(kuò)-等”構(gòu)型的沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行了性能評估，建立了沖壓發(fā)動機(jī)的集總參數(shù)的性能評估模型，發(fā)現(xiàn)對于固定幾何的沖壓發(fā)動機(jī)，在設(shè)計點(diǎn)工作時，可在大的燃油當(dāng)量比范圍內(nèi)工作，飛行馬赫數(shù)較小時，受約束于不

5、起動邊界，沖壓發(fā)動機(jī)的最大燃油當(dāng)量比隨著馬赫數(shù)的降低而減小。沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室的擴(kuò)張比越大，燃燒室所能容納的熱量越多，沖壓發(fā)動機(jī)所能正常工作的范圍越大，但是相同的燃油當(dāng)量比和馬赫數(shù)下，燃燒室的擴(kuò)張比越小，沖壓發(fā)動機(jī)的性能越好。欲保證沖壓發(fā)動機(jī)能夠在寬馬赫數(shù)范圍內(nèi)高性能工作，要求沖壓發(fā)動機(jī)的擴(kuò)張比可調(diào)，沖壓發(fā)動機(jī)的擴(kuò)張比時刻保持能夠正常工作的最小擴(kuò)張比。
　　對于寬馬赫數(shù)運(yùn)行的沖壓發(fā)動機(jī)，等動壓飛行時，需要解決低馬赫數(shù)下的推力低谷以

6、及保證在低馬赫數(shù)段加速過程具有足夠的有效推力和高馬赫數(shù)巡航時的經(jīng)濟(jì)性問題。可以通過增大低馬赫數(shù)下隔離段以及燃燒室的面積的方式，來增大沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道和尾噴管的通流能力，增大空氣流量以補(bǔ)足推力。為保證加速性能，需要提高沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒效率并在加速過程中不斷減小沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室的擴(kuò)張比，并增大尾噴管的膨脹比，保證發(fā)動機(jī)的推力最大。巡航階段需要根據(jù)飛行阻力調(diào)整逐漸減小燃油當(dāng)量比和油氣比，在保證推力足夠的情況下，通過控制系統(tǒng)將燃油當(dāng)量比和油