串联式TBCC超级燃烧室燃烧组织及性能研究

发布时间：2017-10-10 00:01

  本文关键词：串联式TBCC超级燃烧室燃烧组织及性能研究

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【摘要】：涡轮基组合循环发动机(Turbine-based combined cycle,简称TBCC)作为一种吸气式发动机,以其宽广的飞行包线、可重复使用和能够实现常规起落等性能优势受到国内外广泛关注,被认为是现阶段最有希望的高超声速飞行器动力装置。为了满足宽广工作范围内TBCC推进性能的要求,需要解决针对TBCC涡扇和冲压两个模态共用的超级燃烧室燃烧组织技术,了解超级燃烧室的性能。本文采用试验和数值模拟相结合的方法,开展TBCC超级燃烧室燃烧组织技术和性能研究.主要研究成果包括:1、针对超级燃烧室不同工作模态下的流动特征,以实现低阻高效燃烧组织为目标,基于内涵支持外涵的混合燃烧思想,确定了超级燃烧室设计方案。独立搭建了超级燃烧室性能试验平台,为超级燃烧室部件和整体性能的试验研究提供基础。2、系统开展了兼顾双模态大速比来流条件下的掺混技术研究,设计了基于导流舌片和带波峰前置导流结构的方形波瓣混合器的强化掺混结构,开展了方形波瓣混合器结构和导流片形式对超级燃烧室掺混特性的影响研究。研究结果表明,采用固定流道中的离散状导流舌片和带波峰前置导流方形波瓣混合器相结合的强化掺混方案,在利用流向涡强化内外涵气流间传热传质的同时,能够抑制波瓣混合器内部和中心锥附件的流动分离,在速度比VR=0.4~6的条件下都有良好的掺混性能。3、开展了在T=450K~650K、Ma=0.1~0.4来流条件下拓宽超级燃烧室贫油点熄火边界的技术研究。在薄膜蒸发式稳定器和蒸发管式稳定器贫油点熄火极限研究基础上,提出了一种月牙形蒸发管稳定器。研究结果表明,月牙形蒸发管稳定器能在蒸发管长度方向上形成尺度稳定的低速回流区,且该回流区结构不受来流Ma数影响,其点熄火性能明显优于传统蒸发式稳定器,尤其在T=450K、Ma=0.4的工况下,贫油点火当量比和贫油熄火当量比分别是圆形蒸发管的31%和47%。4、开展了在整个飞行包线内油气分布变化对燃烧性能的影响研究,确定了与超级燃烧室大范围变化流场相匹配的喷油方案。研究结果表明,喷嘴在轴向和周向交错排布,形成连续的“帘”状油气分布,能够改善燃油分布状况,形成高质量的混气,有利于燃烧性能的提高。为了在涡扇和冲压的不同工作模态下获得最佳燃烧性能,主油路的喷油杆轴向位置应进行调节,以匹配不同工作模态下的流场结构。5、在以上关键技术研究的基础上,确定了由基于方形波瓣混合器的混合室、月牙形蒸发管式环形值班槽+径向V型槽组成的火焰稳定器以及能够满足整个飞行包线要求的供油方案所组成的超级燃烧室方案.研究结果表明,所提出的方案实现了典型工作模态下的低阻高效燃烧的研究目标,具有燃烧室流场分布合理、出口温度分布合理和燃烧效率高的特点。本文的研究成果为串联式涡扇/冲压组合发动机的超级燃烧室设计提供技术支持。
【关键词】：涡轮基组合循环发动机 超级燃烧室 掺混特性 点熄火极限 燃烧性能
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 注释表15-17
• 缩略词17-18
• 第一章 绪论18-42
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 超级燃烧室工作特点19-23
• 1.2.1 串联式TBCC的工作模态20-21
• 1.2.2 超级燃烧室工作特点21-23
• 1.3 国内外研究现状23-38
• 1.3.1 TBCC推进研究现状23-25
• 1.3.2 相关燃烧组织方式研究现状25-30
• 1.3.3 高速气流中钝体回流区火焰稳定技术研究30-35
• 1.3.4 内、外涵波瓣混合器掺混技术研究35-38
• 1.4 超级燃烧室燃烧组织面临的技术难点38-40
• 1.5 本文研究内容40-42
• 第二章 超级燃烧室基本方案42-59
• 2.1 混合燃烧的燃烧组织设计思想42-43
• 2.2 混合室结构43-44
• 2.3 火焰稳定器结构44-47
• 2.3.1 最佳堵塞比和稳定器槽宽确定44-46
• 2.3.2 火焰稳定器布局及堵塞比校核46-47
• 2.4 燃油喷射方式和喷嘴布局47-57
• 2.4.1 供油要求及设计点选取47-49
• 2.4.2 直射式喷嘴流量与供油压差关系49-51
• 2.4.3 分区供油任务及喷嘴数目确定51-53
• 2.4.4 喷嘴布局与火焰稳定器间的匹配53-57
• 2.5 燃烧组织基本方案57-58
• 2.6 本章小结58-59
• 第三章 内外涵流动试验条件模拟59-66
• 3.1 燃气加热器模型件及试验系统59-61
• 3.1.1 燃气加热器模型件结构59-60
• 3.1.2 试验系统60-61
• 3.1.3 试验工况及试验方法61
• 3.2 试验结果及分析61-65
• 3.2.1 燃气加热器模型件工作可靠性及加热范围试验测定61-63
• 3.2.2 燃气加热器模型件出口射流参数分布63-65
• 3.3 内外涵流动条件模拟65
• 3.4 本章小结65-66
• 第四章 兼顾双模态工作低阻高效掺混技术研究66-94
• 4.1 物理模型及数值方法66-69
• 4.1.1 物理模型66-67
• 4.1.2 算法和边界条件67-68
• 4.1.3 混合特性参数68-69
• 4.2 数值计算方法的试验验证69-75
• 4.2.1 试验系统和试验模型件69-72
• 4.2.2 网格划分及网格独立性验证72-73
• 4.2.3 混合模型件①的试验验证73
• 4.2.4 混合模型件②的试验验证73-75
• 4.3 方形波瓣混合器与常规混合器对比75-77
• 4.4 方形波瓣混合器结构参数对掺混性能的影响研究77-80
• 4.4.1 出口高度对混合性能影响研究77-78
• 4.4.2 扩张角对混合性能影响研究78-79
• 4.4.3 波长比 λbp/λcp对混合性能影响研究79-80
• 4.5 兼顾双模态工作的宽大速度比下混合技术措施80-83
• 4.5.1 波峰前置导流作用数值模拟81-82
• 4.5.2 导流片作用研究82-83
• 4.6 导流片布局形式对混合性能影响优化83-89
• 4.6.1 导流舌片与导流环的流场对比84-87
• 4.6.2 三种混合方案混合性能对比87-89
• 4.7 优化混合方案的掺混性能数值研究89-92
• 4.7.1 不同速度比下的流动特征及流向涡形成90-91
• 4.7.2 不同速度比下的混合特性91-92
• 4.8 本章小结92-94
• 第五章 拓宽贫油点熄火边界技术研究94-117
• 5.1 火焰稳定器稳焰机理94-97
• 5.2 试验系统及试验件97-102
• 5.2.1 试验系统97-98
• 5.2.2 试验件设计98-101
• 5.2.3 试验工况101
• 5.2.4 试验方法和数据处理101-102
• 5.3 薄膜蒸发值班稳定器试验结果及讨论102-107
• 5.3.1 燃油喷射方式对稳定性影响定性分析102-104
• 5.3.2 薄膜蒸发稳定器贫油点熄火特性试验104-105
• 5.3.3 燃油喷射方式对贫油点熄火特性影响105-107
• 5.4 薄膜蒸发稳定器和蒸发管式稳定器性能对比107-109
• 5.5 提高蒸发管式稳定器贫油点熄火性能试验研究109-115
• 5.5.1 蒸发管后流动分析109-111
• 5.5.2 两种蒸发管式稳定器贫油点熄火极限性能试验111-113
• 5.5.3 两种蒸发管式稳定器贫油点熄火极限性能对比113-115
• 5.6 本章小结115-117
• 第六章 超级燃烧室性能研究117-146
• 6.1 研究模型、试验系统和试验工况117-124
• 6.1.1 超级燃烧室研究模型117-118
• 6.1.2 试验系统118-120
• 6.1.3 试验工况及方法120-122
• 6.1.4 试验研究模型122-124
• 6.2 喷嘴与火焰稳定器匹配技术研究124-129
• 6.2.1 喷油杆c供油量对冲压模态出口温度的影响124-126
• 6.2.2 喷油杆c喷射方式对冲压模态出口温度影响126
• 6.2.3 喷油杆a喷射方式对冲压模态出口温度的影响126-127
• 6.2.4 火焰稳定器结构对出口温度的影响127-129
• 6.3 超级燃烧室性能试验研究129-144
• 6.3.1 超级燃烧室试验模型129-131
• 6.3.2 燃烧室流场数值模拟131-133
• 6.3.3 燃烧室贫油点熄火性能133-135
• 6.3.4 燃烧室出口温度及燃烧效率135-144
• 6.4 本章小结144-146
• 第七章 总结与展望146-150
• 7.1 主要研究成果146-148
• 7.2 本文的创新点148
• 7.3 未来研究工作展望148-150
• 参考文献150-162
• 附录A8中心锥型面设计162-164
• 附录B8直射式喷嘴的穿透深度164-166
• 致谢166-167
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文167

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