并聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)方案研究

李力

摘要：并聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)由小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，共用進(jìn)排氣裝置組成。本論文主要研究并聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理以及模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)方案，通過高空模擬對(duì)其原理及方案進(jìn)行驗(yàn)證。

Abstract： The principle prototype of a parallel turbo ramjet combined engine is composed of a small turbofan engine and a ramjet in parallel， sharing intake and exhaust devices. This thesis mainly studies the working principle of the parallel turbo ramjet combined engine and the modal conversion test scheme， and verifies its principle and scheme through high-altitude simulation.

關(guān)鍵詞：并聯(lián)式渦輪沖壓組合動(dòng)力;模態(tài)轉(zhuǎn)換;試驗(yàn)方案

Key words： parallel turbine stamping combined power;modal conversion;test plan

中圖分類號(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0003-03

1? 基本概念及原理

渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)是通過將渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來(lái)使用的變循環(huán)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的關(guān)系和流程分為串聯(lián)布局和并聯(lián)布局。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)按其工作模態(tài)分為亞燃、超燃和雙燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用超音速進(jìn)氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，推進(jìn)速度可達(dá)6倍音速;超燃沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma4～4.5左右開始投入運(yùn)行，飛行速度高達(dá)Ma5～16，理論上可以達(dá)到Ma25左右;而在雙燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了亞燃和超燃兩種工作模態(tài)有機(jī)結(jié)合，其運(yùn)行限速約為Ma3，最大飛行速度約為Ma6.5。

串聯(lián)式TBCC迎風(fēng)面積小，推重比高，但由于其需要在很寬的工作范圍內(nèi)保證高總壓恢復(fù)系數(shù)，并且在沖壓模式下渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)仍需穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)難度大;并聯(lián)式TBCC迎風(fēng)面積較大，雖然推重比較低，但研制難度較小、周期短。

1.1 串聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

串聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛和加速期間，組合發(fā)動(dòng)機(jī)以渦輪模態(tài)工作，沖壓環(huán)形通道的閥門將沖壓通道關(guān)閉，以防止渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)過沖壓通道回流到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口。當(dāng)飛行器加速達(dá)到?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)減速至慢車狀態(tài)或停止工作，沖壓環(huán)形通道打開，進(jìn)氣道捕獲的空氣經(jīng)環(huán)形通道進(jìn)入沖壓燃燒室，組合發(fā)動(dòng)機(jī)以沖壓模態(tài)工作。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)不同飛行速度選擇發(fā)動(dòng)機(jī)處于慢車狀態(tài)、風(fēng)車狀態(tài)或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、出口閥門使發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

1.2 并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

并聯(lián)式渦輪沖壓組合動(dòng)力在起飛狀態(tài)由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)，將飛行器爬升加速到渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在此過程中，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不進(jìn)行點(diǎn)火工作，沖壓流道保持打開狀態(tài)，以減少流阻損失;模態(tài)轉(zhuǎn)換階段，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)逐步節(jié)流，進(jìn)氣分流機(jī)構(gòu)配合噴管喉部面積變化重新分配渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，直至進(jìn)氣道捕獲的空氣全部進(jìn)入沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作并關(guān)閉前后通道;完成模態(tài)轉(zhuǎn)換后，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作，飛行器進(jìn)一步爬升加速到設(shè)計(jì)的巡航高度和速度，組合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入巡航狀態(tài);返航初始階段，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高空節(jié)流減速，直到接近飛行器能自主飛行的最小速度，沖壓停止工作;下滑階段，飛行器逐漸下降到合適高度，進(jìn)一步減速到一定速度后，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流道逐漸打開，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)車啟動(dòng)，投入工作，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作用下實(shí)現(xiàn)飛行器的自主著陸。

串聯(lián)式TBCC主要難點(diǎn)在于組合動(dòng)力的設(shè)計(jì)，包括高溫、高速下渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，加力/沖壓雙模態(tài)燃燒室設(shè)計(jì)以及熱管理、熱防護(hù)和高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)。而并聯(lián)式TBCC重點(diǎn)需突破動(dòng)力應(yīng)用，即飛/發(fā)一體化設(shè)計(jì)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。相對(duì)而言，并聯(lián)式TBCC由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在沖壓模態(tài)下關(guān)閉，只有非旋轉(zhuǎn)部件承受高溫氣流的沖擊，材料較串聯(lián)式TBCC要求較低。同時(shí)，并聯(lián)式TBCC在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也更為簡(jiǎn)單。

2? 并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)形式

并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)是由小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)和小型沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)上下并聯(lián)組成，使用共同的進(jìn)排氣裝置，通過進(jìn)排氣裝置的分流板將渦輪涵道與沖壓涵道分開。兩者共同進(jìn)氣、分別排氣，進(jìn)氣裝置分流板幾何不可調(diào)，排氣裝置由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單邊膨脹噴管組成，噴管幾何不可調(diào)。小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)主要由高壓壓氣機(jī)、短環(huán)形燃燒室、高壓渦輪、單邊噴管以及燃油與控制系統(tǒng)、起動(dòng)電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等組成;小型沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要由亞燃沖壓燃燒室、單邊膨脹噴管、燃油與控制系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等組成。

3? 并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)高空臺(tái)模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)高空模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)主要目的在于實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，以檢驗(yàn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合工作能力，在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)變化過程渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作能力等。沖壓基向渦輪基的逆轉(zhuǎn)換過程，主要檢驗(yàn)沖壓基關(guān)閉后，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在原有的空中起動(dòng)包線內(nèi)能否成功起動(dòng)。

3.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)小型沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的工作包線，確定并聯(lián)式組合動(dòng)力原理樣機(jī)工作包線及模態(tài)裝換點(diǎn)位置。組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)為高空高馬赫數(shù)狀態(tài)點(diǎn)，直接進(jìn)行組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)存在較大難度，為此，通過分步試驗(yàn)、逐項(xiàng)驗(yàn)證來(lái)降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，首先進(jìn)小型沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)摸底試驗(yàn)，根據(jù)摸底試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)工作包線開展核心機(jī)摸底試驗(yàn)。

綜合考慮渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作能力、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性能和摸底試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)設(shè)備能力，選取合適狀態(tài)點(diǎn)為組合發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，由渦輪基向沖壓基的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸節(jié)流直至慢車狀態(tài)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸增大狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)換過程完成。

3.3 試驗(yàn)步驟

3.4 模態(tài)轉(zhuǎn)換完成條件

本項(xiàng)試驗(yàn)的主要目的在于驗(yàn)證渦輪基向沖壓基轉(zhuǎn)換的過程，轉(zhuǎn)換成功的關(guān)鍵在于渦輪基工作期間，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能否點(diǎn)燃并穩(wěn)定工作。

因模態(tài)轉(zhuǎn)換完成后組合發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓燃燒室出口最高溫度將升至近2000K，常規(guī)溫度傳感器難以達(dá)到該要求。轉(zhuǎn)換過程中沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)處于低狀態(tài)工作，其點(diǎn)火成功后無(wú)法及時(shí)觀測(cè)到噴管出口火焰情況。同時(shí)，在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在推力和空氣流量上均有一定變化。圖1、圖2分別模擬了組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和組合發(fā)動(dòng)機(jī)在各狀態(tài)下的推力及空氣流量變化情況。

因此，模態(tài)轉(zhuǎn)換成功與否，可間接通過監(jiān)測(cè)組合發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、進(jìn)口總壓和沖壓燃燒室隔熱屏壁溫的變化情況來(lái)進(jìn)行判斷。

3.5 試驗(yàn)過程

模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)各步驟過程詳見圖3。

由圖3可知，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主油路供油后，隨著余氣系數(shù)α的降低，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量減小，進(jìn)口總壓升高，隔熱屏壁溫、噴管壁溫相應(yīng)升高;渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量增大，壓比減小，渦輪后溫度降低。模態(tài)轉(zhuǎn)換順利完成，整個(gè)過程組合發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。

4? 結(jié)語(yǔ)

渦輪沖壓組合動(dòng)力的模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)兩種模態(tài)轉(zhuǎn)換，并正常穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)。通過并聯(lián)式TBCC原理樣機(jī)的高空模擬試驗(yàn)，摸索了組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法與試驗(yàn)技術(shù)，初步驗(yàn)證了并聯(lián)式TBCC組合動(dòng)力的模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，驗(yàn)證了組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

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