預冷發(fā)動機熱力循環(huán)及調節(jié)規(guī)律研究.pdf

1、預冷發(fā)動機是高超聲速飛機最有效的推進系統(tǒng)之一，有望作為單級入軌航天飛機或兩級入軌航天飛機助推級的推進系統(tǒng)。預冷發(fā)動機通過預冷器或冷質注入等形式，在發(fā)動機的發(fā)展歷史上首次將傳熱過程加入到發(fā)動機的主動力循環(huán)之中。這些改變在獲得發(fā)動機性能收益的同時也增加了循環(huán)的復雜性，并增添了發(fā)動機的安全工作邊界和關鍵的被控變量。這些增量使得現(xiàn)有基于渦輪噴氣式發(fā)動機熱力循環(huán)和調節(jié)規(guī)律方面的研究工作可能不再完全適用于預冷發(fā)動機。以此為背景，本文開展了預冷發(fā)動機

2、的熱力循環(huán)及調節(jié)規(guī)律的研究。
　　首先，以了解研究對象為目的，研究了預冷發(fā)動機的理想熱力循環(huán)構型。本文選取了預冷空氣渦輪火箭發(fā)動機作為主要的研究對象，對其理想循環(huán)功和理想循環(huán)熱效率進行了推導，并和布雷頓循環(huán)做了對比。研究表明，預冷空氣渦輪火箭發(fā)動機與布雷頓循環(huán)稍有不同，發(fā)動機理想熱力循環(huán)的控制體由空氣和燃料共同構成，且增添了循環(huán)冷卻比這一影響循環(huán)性能的因素。
　　其次，通過對預冷發(fā)動機實際熱力循環(huán)性能的理論分析和推導，明確了

3、預冷發(fā)動機的5個循環(huán)自變量分別為風扇壓比、油氣比、預冷器熱載荷、總熱載荷和總換熱總壓恢復系數(shù)。明確了其中燃燒室換熱器換熱量對發(fā)動機性能影響不大，并對發(fā)動機自變量的取值給出了多目標約束優(yōu)化的策略來優(yōu)化發(fā)動機循環(huán)自變量組，使得達到發(fā)動機性能的最大化。通過對其他循環(huán)參變量的敏感度分析，提出了應重點提高風扇的效率來改善發(fā)動機性能。定義了“預冷深度”的概念，分析了發(fā)動機的安全工作邊界組成，明確了工作過程中觸碰安全邊界的先后順序。對于預冷空氣渦輪火

4、箭發(fā)動機在高馬赫數(shù)下渦輪功不足的情況，對其改型發(fā)動機，即預冷渦輪噴氣式發(fā)動機做了性能計算和對比分析。
　　最后，構建了慢車狀態(tài)以上預冷空氣渦輪火箭發(fā)動機的含動態(tài)變工況模型，研究了該發(fā)動機的動態(tài)工作特性，并在此基礎之上研究了適用于該發(fā)動機的調節(jié)規(guī)律。通過對該發(fā)動機轉子和預冷器的動態(tài)建模，明確了預冷器的時間常數(shù)相比于轉子而言可以忽略，該發(fā)動機可近似為一階系統(tǒng)。分析了該發(fā)動機相比于傳統(tǒng)發(fā)動機而言所面臨的控制新問題，推導了以預冷空氣渦輪火