超燃沖壓發(fā)動機燃料供應系統(tǒng)方案設計與性能研究.pdf

1、燃料供應系統(tǒng)是超燃沖壓發(fā)動機系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，燃料的供應與控制技術的研究對于發(fā)展超燃沖壓發(fā)動機系統(tǒng)綜合設計與集成技術至關重要，對于推動超燃沖壓發(fā)動機的工程化進程具有十分重要的意義。本文針對長時間工作的煤油再生冷卻超燃沖壓發(fā)動機，對其燃料供應系統(tǒng)進行了方案設計及性能研究。
　　發(fā)展了煤油再生冷卻超燃沖壓發(fā)動機燃料供應系統(tǒng)方案的設計方法，給出了燃料供應系統(tǒng)方案的設計流程，建立了燃料貯箱及其增壓系統(tǒng)和渦輪泵裝置的設計模型，分析

2、了超燃沖壓發(fā)動機燃料供應系統(tǒng)的特殊性，對比分析了燃料供應系統(tǒng)不同增壓方式優(yōu)缺點，開展了泵壓式系統(tǒng)循環(huán)方式設計并分析不同循環(huán)方式的特點，設計了乙烯輔助起動的泵壓式系統(tǒng)膨脹循環(huán)方案，分析了膨脹循環(huán)方案的起動和穩(wěn)態(tài)工作過程。研究結果表明：相對于擠壓式系統(tǒng)，泵壓式系統(tǒng)更適合于長時間工作的發(fā)動機；推力室抽氣循環(huán)不適用于超燃沖壓發(fā)動機，補燃循環(huán)和燃氣發(fā)生器循環(huán)對發(fā)動機設計及其空間布置提出了更高要求，增加了系統(tǒng)復雜性；膨脹循環(huán)耦合了發(fā)動機熱防護與燃料

3、供應系統(tǒng)，具有結構簡單、質量小，渦輪溫度低，可靠性高等優(yōu)勢；切換點的選擇對于系統(tǒng)能否起動成功具有重要的影響，膨脹循環(huán)能否閉合很大程度上取決于渦輪泵功率的匹配平衡。
　　提出了超臨界煤油熱物理性質的分析方法，分別定義了基于摩爾數(shù)和質量的熱裂解轉化率，建立了超臨界煤油的熱裂解反應模型，即基于溫度控制的單步集總反應模型，分析了超臨界煤油的熱裂解特性，建立了超臨界裂解態(tài)煤油平均摩爾質量的計算方法，建立了超臨界煤油的熱物性模型，計算了超臨界

4、壓力下裂解態(tài)煤油和非裂解態(tài)煤油的熱物性參數(shù)，對超臨界壓力下的裂解態(tài)煤油的熱物性進行了非線性擬合，依據(jù)狀態(tài)方程建立了超臨界裂解態(tài)煤油密度的計算方法，得到了超臨界裂解態(tài)煤油密度隨壓力和溫度變化的解析表達式。
　　建立了超臨界裂解態(tài)煤油渦輪性能分析模型，分析了煤油泵的功率特性，獲得了煤油泵的功率需求，分析了超臨界裂解態(tài)渦輪的性能特性，進行了渦輪泵性能試驗研究，評估了不同工質狀態(tài)下渦輪泵的做功能力，基于試驗數(shù)據(jù)分析了渦輪的流量系數(shù)、渦輪泵

5、功率與效率特性、泵的相似性規(guī)律和煤油狀態(tài)對渦輪性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：泵功率需求在渦輪輸出功率范圍以內，通過合理控制渦輪入口壓力和溫度，采用超臨界裂解態(tài)煤油驅動的渦輪能夠滿足泵的功率需求；泵壓頭比與轉速比平方具有很好的相似性；泵流量轉速相似律與泵節(jié)流具有相關性，在泵后節(jié)流相同時，流量比與轉速比具有較好的相似性；泵的功率轉速相似律受渦輪節(jié)流和泵節(jié)流雙重干擾；800K以下的熱煤油裂解率極低，氣體常數(shù)較小，膨脹做功能力不足。
　　提出了燃

6、料供應系統(tǒng)熱力循環(huán)特性的分析方法，構建了燃料供應系統(tǒng)以煤油為工質的熱力循環(huán)過程，建立了燃料供應系統(tǒng)熱力循環(huán)過程中的再生冷卻回熱模型、壓力損失模型以及碳氫燃料吸熱模型，進行了膨脹循環(huán)系統(tǒng)的平衡參數(shù)、渦輪泵功率匹配特性以及循環(huán)性能參數(shù)分析。結果表明：冷卻通道流量受到發(fā)動冷卻需求和渦輪做功需求兩方面限制；泵的增壓性能由泵的轉速決定，裂解態(tài)煤油渦輪的性能主要由膨脹比和冷卻通道出口溫度決定；渦輪泵流量比要小于1；提高膨脹比有助于提高熱功轉換效率，