基于冷热电综合利用的冲压及组合发动机热管理方法研究

发布时间：2020-10-13 10:41

　　 本课题主要针对紧凑型并联式组合发动机冲压模态进行热管理相关研究,研究的主要内容包括紧凑型一体化组合发动机热管理需求分析、组合发动机热管理多方案性能对比分析、强三维空间分布特征下发动机燃烧室及其附件耦合热管理特性分析及优化、发动机冷电及热电综合利用热管理方案研究。首先对紧凑型一体化组合发动机热管理的特殊性进行分析,得出对于紧凑式组合发动机来讲其热管理的主要对象不仅包含发动机燃烧室壁面,还包括发动机舱内的大量附件,并且燃烧室壁面的热管理效果对舱内附件的热管理效果有较大影响。因此,结合紧凑式一体化发动机的运行特点以及热管理的特殊需求进行了宽工况多模态下发动机可用冷源分析,同时,为了评估不同类型热管理方案的效果,分别建立了耦合再生冷却及气膜冷却结构的发动机燃烧室壁面热结构一维计算模型。其次结合紧凑式一体化组合发动机的实际情况分别对燃油再生冷却热管理方案及气膜冷却热管理方案进行了性能评估及方案综合评价,通过多方案对比发现针对紧凑型一体化组合发动机的热管理需求需求,气膜冷却热管理方案由于对燃烧室壁面温度和舱内附件的环境温度的控制性能较差,并不适合对紧凑式一体化发的动机进行热管理,而再生冷却热管理方案由于对发动机壁面以及发动机舱内附件环境温度控制性能良好,且具向有更高马赫数利用的潜力,因此更加适合应用于紧凑型一体化组合发动机。但同时通过研究也发现再生冷却热管理方案存在对燃料流量依赖性大的问题,在发动机高马赫数巡航状态下需要利用的冷却流量大于燃烧流量。之后为了进一步对紧凑式一体化发动机再生冷却热管理方案进行热管理性能研究,考虑到发动机尤其是发动机舱内附件具有很强的三维空间参数分布特征,建立了强三维空间分布特征下发动机再生冷却热管理方案耦合分析模型,通过对计算模型的解耦将其分为强三维空间分布下发动机燃烧室再生冷却数值模拟和强三维空间分布特征下发动机舱内热环境数值模拟两个部分,并以燃烧室壁面温度分布作为两个过程的接口。通过进行上述分析后发现,再生冷却热管理方案在所研究的发动机的设计上限马赫数即Ma4的运行工况下可以很好的完成对发动机壁面及发动机舱内附件的热管理,并且在更高的飞行马赫数下依然可以对发动机进行较好的热管理,同时,针对部分由于处在特殊位置而工作温度较高的部件设计了相关的主动冷却结构,并且通过三维数值模拟对设计的主动冷却结构进行了性能评估。最后针对再生冷却热管理方案对燃料流量依赖性大的问题,本课题结合冷电及热电的综合利用提供了基于解决方案。即通过制冷储冷手段提前对冲压模态燃烧室内的燃油进行制冷降温,使其具有重新回收完成再生冷却后多余燃油的可能性。方案针对电制冷循环需要对环境进行排热,而飞行器与外界环境间存在热障的问题,创新性的提出了将循环中的热量排入涡轮模态下即将被燃烧的燃油中,即达到了对低马赫数下燃料热沉的充分利用,也达到扩充高马赫数下可用冷源的目的。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V23;V43
【部分图文】：

图 1-1 推进系统的运行范围[20]飞行器运行的更高更快，热管理和热防护是其必须面上图是不同的运行马赫数时不同种类发动机的比冲。来说非吸气式的比冲小于吸气式。由于来流空气的总长而成指数型增长，因此在飞行速度较低时一般采用结构作为推动，而在飞行马赫数较高时则采用冲压发]。一般在 Ma3 至 Ma5 采用亚燃冲压，大于 Ma5 时考素一般采用超燃冲压。随着高速飞行器越来越被各国冲压及其组合发动机的研究也逐渐成为相关领域研究而在相关的种种研究中热管理一直具有很高的优先级动机设计任务的优先级排布。

图 1-1 推进系统的运行范围[20]行器运行的更高更快，热管理和热防护是其必须面图是不同的运行马赫数时不同种类发动机的比冲。说非吸气式的比冲小于吸气式。由于来流空气的总而成指数型增长，因此在飞行速度较低时一般采用构作为推动，而在飞行马赫数较高时则采用冲压发。一般在 Ma3 至 Ma5 采用亚燃冲压，大于 Ma5 时考一般采用超燃冲压。随着高速飞行器越来越被各国压及其组合发动机的研究也逐渐成为相关领域研究在相关的种种研究中热管理一直具有很高的优先级机设计任务的优先级排布。

究现状组合发动机热管理研究现状的热防护技术根据热防护原理可分为被动热种。其中被动热防护主要包括陶瓷基复合材进气道中的应用[27]，以及高硅/酚醛材料在涡的应用。主动热防护主要包括在燃烧室壁面冷却[29][30]，在涡轮叶片上采用气膜冷却[31]员提出了三个针对串联式 TBCC 的热管理系关键部件及技术难点，且对三个方案进行了下图所示是一个空气/燃料热管理系统。其中于冷却涡轮、轴承，以及冲压燃烧室壁面等空气涡轮产生电能。该方案中空气/燃料换高的换热效率、低压力损失、小体积和重量损失也比较大，并且系统整体质量较大。
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本文编号：2839058