预冷发动机热力循环及调节规律研究

发布时间：2017-09-29 06:09

  本文关键词：预冷发动机热力循环及调节规律研究

  更多相关文章： 预冷 航空发动机 热力循环 动态建模 调节规律

【摘要】：预冷发动机是高超声速飞机最有效的推进系统之一,有望作为单级入轨航天飞机或两级入轨航天飞机助推级的推进系统。预冷发动机通过预冷器或冷质注入等形式,在发动机的发展历史上首次将传热过程加入到发动机的主动力循环之中。这些改变在获得发动机性能收益的同时也增加了循环的复杂性,并增添了发动机的安全工作边界和关键的被控变量。这些增量使得现有基于涡轮喷气式发动机热力循环和调节规律方面的研究工作可能不再完全适用于预冷发动机。以此为背景,本文开展了预冷发动机的热力循环及调节规律的研究。首先,以了解研究对象为目的,研究了预冷发动机的理想热力循环构型。本文选取了预冷空气涡轮火箭发动机作为主要的研究对象,对其理想循环功和理想循环热效率进行了推导,并和布雷顿循环做了对比。研究表明,预冷空气涡轮火箭发动机与布雷顿循环稍有不同,发动机理想热力循环的控制体由空气和燃料共同构成,且增添了循环冷却比这一影响循环性能的因素。其次,通过对预冷发动机实际热力循环性能的理论分析和推导,明确了预冷发动机的5个循环自变量分别为风扇压比、油气比、预冷器热载荷、总热载荷和总换热总压恢复系数。明确了其中燃烧室换热器换热量对发动机性能影响不大,并对发动机自变量的取值给出了多目标约束优化的策略来优化发动机循环自变量组,使得达到发动机性能的最大化。通过对其他循环参变量的敏感度分析,提出了应重点提高风扇的效率来改善发动机性能。定义了“预冷深度”的概念,分析了发动机的安全工作边界组成,明确了工作过程中触碰安全边界的先后顺序。对于预冷空气涡轮火箭发动机在高马赫数下涡轮功不足的情况,对其改型发动机,即预冷涡轮喷气式发动机做了性能计算和对比分析。最后,构建了慢车状态以上预冷空气涡轮火箭发动机的含动态变工况模型,研究了该发动机的动态工作特性,并在此基础之上研究了适用于该发动机的调节规律。通过对该发动机转子和预冷器的动态建模,明确了预冷器的时间常数相比于转子而言可以忽略,该发动机可近似为一阶系统。分析了该发动机相比于传统发动机而言所面临的控制新问题,推导了以预冷空气涡轮火箭发动机为例的预冷发动机的共同工作方程,明确了该发动机与传统发动机相比增加了一个自由度。针对预冷发动机飞行包线宽广的特点,提出了应采用基于相对换算参数的组合调节规律。对于组合调节规律中涉及被调节量和阶段分界点选取的依据,给出了以发动机最大工作状态调节规律为例的稳态调节规律。
【关键词】：预冷 航空发动机 热力循环 动态建模 调节规律
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V23
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题研究的背景和意义11-14
• 1.1.1 课题的背景11-12
• 1.1.2 课题研究的意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-23
• 1.2.1 预冷发动机的研究现状14-21
• 1.2.2 预冷发动机热力循环的研究现状21-22
• 1.2.3 预冷发动机调节规律的研究现状22-23
• 1.2.4 研究现状小结23
• 1.3 本文的主要研究内容23-26
• 第2章 预冷发动机的理想热力循环分析26-37
• 2.1 引言26-27
• 2.2 多种预冷发动机的特点对比及本文研究对象的选取27-29
• 2.3 预冷发动机的理想热力循环构型及分析29-35
• 2.3.1 理想循环构型及模型29-31
• 2.3.2 理想循环性能分析31-35
• 2.4 预冷发动机理想热力循环的特殊性35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 预冷发动机的实际热力循环性能分析37-58
• 3.1 引言37
• 3.2 预冷发动机的实际循环模型37-41
• 3.3 预冷发动机的实际循环性能分析41-52
• 3.3.1 设计点和飞行轨迹41-42
• 3.3.2 安全边界分析42-43
• 3.3.3 预冷过程对发动机性能的影响43-48
• 3.3.4 预冷深度的定义48-49
• 3.3.5 基于预冷深度的安全边界描述49-52
• 3.3.6 燃料种类对预冷深度的影响52
• 3.4 预冷发动机和非预冷发动机的性能对比分析52-54
• 3.5 一种改进的预冷循环发动机性能分析54-56
• 3.6 本章小结56-58
• 第4章 预冷发动机的部件级数学模型58-79
• 4.1 引言58-59
• 4.2 换算参数表示的发动机部件级模型59-74
• 4.2.1 稳态模型59-66
• 4.2.2 动态模型66-71
• 4.2.3 发动机部件间关系71
• 4.2.4 离散化处理及传递函数71-74
• 4.3 发动机模型的非线性方程组及求解方法74-76
• 4.3.1 发动机模型的非线性方程组75
• 4.3.2 牛顿拉夫逊法75-76
• 4.4 面向对象的发动机程序设计及实现思路76-77
• 4.5 本章小结77-79
• 第5章 预冷发动机的调节规律研究79-91
• 5.1 引言79
• 5.2 预冷发动机的控制问题79-85
• 5.2.1 发动机的动态特性及主导时间常数80-84
• 5.2.2 控制问题分析84-85
• 5.3 发动机的共同工作方程85-88
• 5.4 组合调节规律88-90
• 5.4.1 被调节量与阶段分界点88
• 5.4.2 稳态调节规律88-90
• 5.5 本章小结90-91
• 结论91-94
• 参考文献94-98
• 附录98-102
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文102-104
• 致谢104

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 吕灿仁;;低沸点介质热力循环的利用[J];电力技术;1978年02期

2 段婷婷;郭晓丹;;氢氧燃烧热力循环系统的特性分析[J];中国电力教育;2007年S3期

3 顾雏军;;G热力循环的，

本文编号：940392