旋转爆震燃烧室工作特性及其与涡轮匹配性研究

发布时间：2020-04-16 04:29

【摘要】：旋转爆震燃烧室(Rotating Detonation Combustor,简称RDC)替代传统燃气涡轮发动机的燃烧室,实现发动机从等压循环向爆震循环的转变,可大幅度提高发动机的推力性能和燃料的利用率。基于此,关于RDC应用于燃气涡轮发动机进而实现工程化应用的相关课题受到了科研机构的广泛关注。本文主要通过数值模拟和实验研究了旋转爆震燃烧室出口流场特性以及其与涡轮的匹配特性。主要进行了以下工作:(1)利用二维欧拉方程数值研究了基于H2/Air燃烧的旋转爆震燃烧室出口流场特性。对比分析了燃烧室在不同波头数、不同燃烧室轴向长度和周向长度以及不同喷注总压和外界反压等条件下的出口总压和总温特性。通过研究燃烧室出口总压脉动均值、畸变指数以及出口温度分布系数,进而分析了燃烧室出口流场的不均匀性。研究表明:三波模态下燃烧室出口平均总压脉动均值较双波和单波模态下小,流场均匀程度较高;当量比对燃烧室出口温度分布系数有很大影响,随着当量比的增大,出口温度分布系数先增大后减小;此外,波头数越多,出口温度分布系数越小,其出口温度场越均匀。当量比对燃烧室增压比有一定影响,但影响不大,增压比与波头数呈反相关。燃烧室尺寸对发动机出口流场的不均匀性有很大影响,随着燃烧室轴向长度的增大或周向尺寸的减小,其出口总压脉动均值、畸变指数和出口温度分布系数均会减小,出口流场均匀性提高。压力条件对燃烧室出口流场特性有一定影响,随着喷注总压的增加,出口总压脉动均值、畸变指数以及温度分布系数均逐渐增大,流场的均匀性变差;外界反压对出口流场的均匀性影响相对较小。(2)基于旋转爆震燃烧室与导向器和涡轮的组合开展了旋转爆震波起爆实验,实验成功起爆了旋转爆震燃烧室,并且对比分析了加导向器与未加导向器下的实验结果。实验研究表明:两种工况条件下,旋转爆震波的传播速度随当量比的增大,均呈先增大后减小的趋势;但加导向器后,爆震波传播速度的相对偏差先减小后增大,其稳定传播的范围相对于未加导向器而言较窄。此外,在导向器前后,存在与燃烧室内爆震波频率一致的振荡压力,经过导向器后的振荡压力幅值减弱了64%,该振荡压力直接进入导向器后的涡轮,其对涡轮的影响相对于不加导向器而言要小。导向器叶片对燃烧室出口的振荡压力存在反射作用,进而影响爆震燃烧室的压力,其反射激波的路径与爆震波传播的方向有关。通过进一步开展旋转爆震燃烧室和涡轮组合的有关实验,验证了旋转爆震燃烧室和涡轮组合方案的可行性,研究发现:涡轮对燃烧室内气流速度有一定的影响,加装涡轮后燃烧室的气流速度会变大,这会影响发动机的起爆特性。涡轮对燃烧室压力也有一定影响;涡轮叶片对爆震波存在激波反射,不同当量比下的激波反射强度不同,随着当量比的增大,爆震波的速度和压力均呈现增大的趋势,叶片反射的激波强度也会有所增大。
【图文】：

爆震燃烧,涡扇,涡轮

、转爆震发动机（Ｒｏｔａｔｉｎｇ邋Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ邋Ｅｎｇｉｎｅ，简称ＲＤＥ）正是以这种爆震燃烧推的一种新概念发动机，它利用爆震波在环形燃烧室内的一端连续旋转传播，爆另一端开口处高速排出并产生连续推力。正因为ＲＤＥ没有传统燃气涡轮发动机子组件，故其具有结构相对简单且研制成本低的特点；此外还具有大比冲、高宽工作范围等众多性能优势，这对于开发新型高效航空航天发动机很有吸引力［１］。逡逑目前，关于ＲＤＥ的大多数研宄工作主要集中在用爆震燃烧室直接产生推进推力应航空、航天以及兵器等推进领域。一个具有创新的想法是将爆震模式的燃烧和涡轮喷气发动机结合形成爆震组合发动机。旋转爆震涡轮发动机作为其中一种创动机已逐渐受到国内外学者们的关注，它以ＲＤＥ的发展为基础，将爆震燃烧能压、燃烧效率高、结构简单等优点同传统燃气涡轮发动机机械功率提取方便的起来，以提高现有发动机的推进性能。由于ＲＤＥ进排气过程基本属于稳态过程冲爆震发动机（Ｐｕｌｓｅ邋Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ邋Ｅｎｇｉｎｅ，简称ＰＤＥ）相比，，ＲＤＥ的进出口压力脉；其产生的旋转爆震波对压气机和涡轮造成冲击作用比脉冲爆震波引起的冲击Ｍ，因而ＲＤＥ更适合与涡轮进行组合，在降低成本的条件下实现动力装置高性性的突破。图Ｕ为旋转爆震燃烧室与涡轮（涡扇）组合动力装置。逡逑

苏联,实验结果,喷注

体燃料能实现ＲＤＥ的起爆，而对于液体燃料而言，起爆则相对困难，但增加其活性可提逡逑高液体燃料的起爆成功率［９］。随后研宄了预混气喷注方式、喷注总压、质量流率、当量逡逑比、推进剂喷注压降等因素对ＲＤＥ的影响。图１．２为苏联ＬＩＨ的实验结果。逡逑－邋逦逦逦逡逑（ａ）邋Ｈ２／Ａｉｒ爆震波结构逦（ｂ）圆盘形试验装置实验结果逡逑图１．２苏联ＬＩＨ的实验结果逡逑２逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.2

【参考文献】