吸气预冷发动机热力循环及预冷器传热特性研究

发布时间：2020-08-19 18:25

【摘要】：协同吸气式火箭发动机(SABRE)作为目前非常具有研究价值的吸气预冷组合发动机,其系统结构复杂,部件之间耦合性强。空气预冷器是SABRE发动机的核心部件,其功能是在较短的时间内实现空气与低温氦气的高效换热,如何实现大温差、高效紧凑、轻质,是预冷吸气发动机的核心设计技术。本文针对SABRE发动机热力循环系统,对SABRE发动机热力循环建模,研究了SABRE型发动机动力系统性能的主要影响因素及其影响规律,对于SABRE发动机热力循环系统具有重要的理论与实际意义。本文通过数值模拟的方法,研究了超临界氦气在单直管内的流动换热特性以及在管路连接组件的流量分配和流阻特性;针对SABRE发动机预冷器,通过数值模拟研究了管排数、管间距、空气流速、温度等因素对预冷器流动换热特性的影响。通过研究发现:预冷后空气温度每上升10K,SABRE-3发动机单位推力和比冲增大约1%;氦气流量从75kg/s增加到115kg/s,SABRE-3发动机单位推力下降约15%,比冲下降了45%;增大SABRE-4预冷器空气侧总压恢复系数虽然会略微降低发动机推力以及比冲,但降低了空气压气机的出口空气温度;增大氦一路流量,略微降低发动机效率以及单位推力,但大大降低氢气的消耗量,提高了发动机的比冲。增大预冷器的管间距会提高预冷器空气侧平均换热系数,减小空气总压损失,但会降低空气的预冷效果;增大管排数虽然会降低空气侧平均换热系数,但可以降低预冷后空气温度,增强预冷效果;增大氦气/空气热容量比,能够同时增大空气侧和氦气侧平均换热系数,降低空气出口温度;空气入射角度对于空气侧、氦气侧换热几乎没有影响,但对空气侧总压恢复系数有较大影响。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V430
【图文】：

吸气预冷发动机热力循环及预冷器传热特性研究1982 年，英国提出了可重复使用、水平起降的单级入轨运载器 HOTOL 项目，其中动力名为 RB545[3][21]。该发动机通过液氢直接冷却空气并液化，作为液氢的氧化剂，来减少中携带的氧化剂，但该方案存在很多无法解决的工程问题，比如液氢直接冷却空气会“氢脆”问题，直接冷却空气需要的液氢流量过大等，在 RB545 的研究基础上，REL89 年提出了 SABRE 发动机的概念，在 SABRE 发动机中“热源”空气和“冷源”液氢有氦气的布雷顿循环[18]，改善了金属在高温高压下的氢脆问题，动力系统的安全性和大增加。如图 1.1 为 SABRE 发展历程与未来计划[19]。

置有氦气的布雷顿循环[18]，改善了金属在高温高压下的氢脆问题，动力系统的安全性和可行大大增加。如图 1.1 为 SABRE 发展历程与未来计划[19]。图 1.1 SABRE 发展历程与未来计划SABRE 发动机在 Ma0-5.5 为吸气模式，通过吸入大气中的氧气并预冷后作为氢气的氧化，当 Ma 大于 5.5，为火箭模式，关闭进气道，通过自身携带的液氧作为氧化剂[22]。SABRE动机与常见的航空航天发动机性能对比如图 1.2、1.3 所示，SABRE 发动机将涡喷发动机、冲发动机、火箭发动机有机耦合在一起，推重比优于传统的吸气类航空发动机，比冲大于传统火箭发动机，具有宽速域、大空域、模态转化次数少及系统集成度高等优点。

置有氦气的布雷顿循环[18]，改善了金属在高温高压下的氢脆问题，动力系统的安全性和可行大大增加。如图 1.1 为 SABRE 发展历程与未来计划[19]。图 1.1 SABRE 发展历程与未来计划SABRE 发动机在 Ma0-5.5 为吸气模式，通过吸入大气中的氧气并预冷后作为氢气的氧化，当 Ma 大于 5.5，为火箭模式，关闭进气道，通过自身携带的液氧作为氧化剂[22]。SABRE动机与常见的航空航天发动机性能对比如图 1.2、1.3 所示，SABRE 发动机将涡喷发动机、冲发动机、火箭发动机有机耦合在一起，推重比优于传统的吸气类航空发动机，比冲大于传统火箭发动机，具有宽速域、大空域、模态转化次数少及系统集成度高等优点。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 曾祥川;;预冷器清洗除蜡方法探索和应用[J];石油技师;2014年00期

2 吴觉明;氟里昂预冷器的采用及效果[J];深冷技术;1986年03期

3 张文慧;吕彦力;龚毅;;冷藏陈列柜空气预冷器设计[J];郑州轻工业学院学报;2006年04期

4 陈彬;;民用飞机预冷器设计点选取分析[J];科技视界;2017年08期

5 王粤江;重庆召开“空气预冷器应用现场会”[J];深冷技术;1990年06期

6 黄昕;马晓波;;微通道预冷器振动与换热特性研究[J];节能技术;2019年01期

7 高程;张丹;张玉明;雒定明;魏泳涛;;预冷器在水压试验中管板严重变形原因[J];计算机辅助工程;2018年02期

8 张文慧;龚毅;吕彦力;;环境温湿度对冷藏陈列柜空气预冷器性能的影响[J];制冷学报;2008年06期

9 杨新垒;聂万胜;刘晓慧;;SABRE吸气模式热力循环及预冷器性能分析[J];战术导弹技术;2018年01期

10 魏鑫;金峰;刘天依;吉洪湖;;SABRE空气预冷器流动与换热数值研究[J];火箭推进;2019年05期

相关会议论文 前4条

1 高程;;预冷器在水压试验中管板严重变形原因探究[A];第十一届南方计算力学学术会议（SCCM-11）摘要集[C];2017年

2 屈元;黄翔;狄育慧;贺进宝;李刚;;复合式蒸发冷却空调机组中冷却塔供冷型预冷器的计算机辅助设计[A];第十届全国冷（热）水机组与热泵技术研讨会论文集[C];2002年

3 刘杨;臧润清;;预冷型蒸发式冷凝器的设计与性能分析[A];全国冷冻、冷藏企业管理及节能、减排新技术研讨会论文集[C];2010年

4 周兵;梁新刚;;基于煤油热沉的进气预冷涡轮风扇发动机热力性能分析[A];中国航天第三专业信息网第三十八届技术交流会暨第二届空天动力联合会议论文集——吸气式与组合推进技术[C];2017年

相关重要报纸文章 前1条

1 本报记者 易鹤 通讯员 储昭节;科元塑胶：用二百万的“饵”钓一个亿的“鱼”[N];宁波日报;2015年

相关博士学位论文 前2条

1 张建强;组合发动机预冷器微小管道内低温工质流动传热机理研究[D];国防科技大学;2018年

2 赵磊;基于热力学与排队理论的加氢站高压供氢系统优化[D];浙江大学;2015年

相关硕士学位论文 前5条

1 魏鑫;吸气预冷发动机热力循环及预冷器传热特性研究[D];南京航空航天大学;2019年

2 李雅清;冷冻脱硅氧烷系统仿真及实验研究[D];南京师范大学;2013年

3 苏许辉;压缩空气冷冻干燥机系统的优化研究[D];浙江大学;2005年

4 邓瑾智;动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷系统研究[D];南京航空航天大学;2009年

5 任晓峰;溴化锂水溶液预冷却吸收过程的研究[D];天津商业大学;2008年

本文编号：2797428