寬?cǎi)R赫數(shù)運(yùn)行沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力性能優(yōu)化分析.pdf

1、寬?cǎi)R赫數(shù)運(yùn)行是未來超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然需求。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在低馬赫數(shù)下受到不起動(dòng)邊界的限制，在飛行馬赫數(shù)較高時(shí)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(dòng)機(jī)具有足夠大的推力，在巡航階段需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，因此研究如何使得沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)高效運(yùn)行十分必要。
　　針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)寬?cǎi)R赫數(shù)運(yùn)行的需求，研究了寬?cǎi)R赫數(shù)運(yùn)行的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)適用邊界，對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，主要受到熱堵塞邊界的約束，此時(shí)超燃沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的性能較好些；隨著馬赫數(shù)的增加，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)受到兩種邊界的約束，馬赫數(shù)再

3、增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)只受到溫限邊界的約束，此時(shí)由于溫限邊界的存在導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)采用支板-凹腔穩(wěn)燃的固定幾何沖壓發(fā)動(dòng)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(duì)沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)越容易出現(xiàn)不起動(dòng)現(xiàn)象。來流馬赫數(shù)越低，越容易出現(xiàn)不起動(dòng)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(duì)采用“等-擴(kuò)-等”構(gòu)型的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能評(píng)估，建立了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的集總參數(shù)的性能評(píng)估模型，發(fā)現(xiàn)對(duì)于固定幾何的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作時(shí)，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(shí)，受約束于不

5、起動(dòng)邊界，沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的性能越好。欲保證沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)高性能工作，要求沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的擴(kuò)張比可調(diào)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的擴(kuò)張比時(shí)刻保持能夠正常工作的最小擴(kuò)張比。
　　對(duì)于寬?cǎi)R赫數(shù)運(yùn)行的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，等動(dòng)壓飛行時(shí)，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(shí)的經(jīng)濟(jì)性問題?？梢酝ㄟ^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(dòng)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(dòng)機(jī)的燃燒效率并在加速過程中不斷減小沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)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