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串联式TBCC原理样机冲压进气混合器的方案的研究
串联式TBCC原理样机冲压进气混合器的方案的研究
摘 要:模态转换是串联式涡轮冲压发动机的关键技术之一,基于某小型涡轮发动机全新设计加力/冲压燃烧室、冲压进气混合器,构建小型串联式TBCC模态转换技术验证平台,开展模态转换原理验证。文章重点介绍冲压进气混合器的结构方案研究、结构设计优化和试验验证情况,根据试验结果提出了冲压进气混合器后续优化方向,对后续串联式TBCC发动机的冲压进气混合器的工程研制具有一定借鉴价值。
关键词:高超声速;模态转换;涡轮冲压发动机;串联式;冲压进气混合器
1 概述
涡轮/冲压组合动力装置串联方案具有迎风面积小、推进系统结构紧凑、重量轻、耗油率低等优势,是国内外发展的重点方向。
日本高超声速运输推进系统研究计划[1](HYPR计划),研究人员进行了涡轮基组合循环发动机的结构研究,并最终在12种不同方案中选取了涡轮/冲压组合动力装置串联方案,并制造了涡轮冲压组合循环发动机的十分之一缩尺验证机HYPR90-C,该发动机具有双外涵,6处可变几何结构,其主要任务是验证发动机在马赫数2.5-3.0时进行工作模态转换的可行性。(图1)
图1 HYPR90-C结构示意图
由于涡轮/冲压组合动力装置串联方案采用加力/冲压燃烧室共用模式,在模态转换过程中,当马赫数低于一定值时,涡轮出口的总、静压明显高于压气机进口,可能出现气流从冲压管道回流现象,造成压气机工作不稳定和加力/冲压燃烧室燃烧不稳定等诸多问题。因此,保证涡轮模态与冲压模态转换过程的燃烧稳定成为串联式涡轮冲压发动机加力/冲压燃烧室设计的主要技术难点[2-5]。
为掌握模态转换技术,基于某小型涡轮发动机,全新设计加力/冲压燃烧室、冲压进气混合器,构建小型串联式TBCC模态转换技术验证平台,开展模态转换的原理验证试验。其中冲压进气混合器是小型串联式TBCC原理样机的关键部件之一,文章根据原理验证试验要求重点开展冲压进气混合器的结构方案研究、数值计算分析、结构参数优化和试验验证。
2 混合器方案
2.1 设计要求
2.1.1 功能要求。HYPR90为典型的串联式组合循环发动机方案,见图2,图中蓝、红线条分别代表外涵、内涵气流,混合后进入冲压燃烧室。为开展串联式TBCC模态转换技术研究,设计冲压进气混合器试验件,重点模拟图中圈出部分-冲压进气混合器功能,即实现气体由外涵流入并与内涵气流混合,以满足冲压燃烧室需求。
图2 内外涵气流掺混
冲压进气混合器需实现外涵气单独供气给冲压燃烧室,或将外涵气与内涵燃气掺混后供给冲压燃烧室,见图3。
2.1.2 性能要求。冲压进气混合器需要满足在进气加压和进气加温加压条件下冲压燃烧室进口参数的要求,性能参数,见表1。通过串联式TBCC原理样机性能匹配计算程序得到了冲压进气混合器的流量需求为0~3kg/s;流过冲压外涵的气流最高温度为488K;承受的最高压力不小于200Kpa;出口速度系数0.15-0.24;出口的总压恢复系数≮0.83;出口处总压压力不均匀度≯10%。
表1 性能参数要求
2.2 结构方案
冲压进气混合器用于连接台架气源、小型涡轮发动机和冲压燃烧室,为冲压燃烧室提供冲压引气。冲压进气混合器应包括进气管路、集气腔、分流腔道、混合段等部分。其中,进气管路用于连接台架气源和冲压进气混合器;集气腔用于对台架气源来流进行整流,减少台架气源对冲压燃烧室进气条件的影响;分流腔用于将整流后的气流供给混合段与内涵气流掺混,与内涵气流混合后进入冲压燃烧室。
2.2.1 基本结构参数确定。冲压进气混合器需满足基本的功能要求,结构参数还需要满足性能要求、外廓限制、台架连接、主机连接、冲压燃烧室连接等要求。由于本次试验为原理验证性试验,因此冲压进气混合器的结构设计力求简单,方便加工,满足原理验证基本要求即可。冲压进气混合器的最大外廓直径由台架安装条件确定,最大直径为400mm,见图4。
图4 冲压进气混合器外廓限制
与台架连接的管路直径由流量要求、台架气源条件和台架改造难度确定:拟采用2根引气管与台架管路连接。根据流量连续的原则,确定了管路的内径为Ф96mm,见图5,根据材料库选择外径Ф108mm的不锈钢管。分流腔道的总面积根据流量流量连续原则确定,分流腔道的总面积不小于14469mm2,为保证所需流量全部流过去确定了分流腔道的总面积14778mm2。冲压进气混合器与主机接口参数由小型涡轮发动机出口尺寸确定,进口直径170mm;冲压进气混合器与冲压燃烧室接口参数由冲压燃烧室进口尺寸确定,出口直径200mm;冲压进气混合器的材料由温度要求确定,同时考虑主机气流和冲压燃烧室气流可能会发生倒流现象,冲压进气混合器采用高温合金材料[
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