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涡轮增压固体冲压发动机燃烧组织技术研究

王伟  
【摘要】:随着现代战争对战术导弹高速、高机动和远程打击能力要求的不断提高,希望导弹动力既能适应宽包线又具有高比冲。在这种需求背景下,提出了涡轮增压固体冲压发动机(Turbocharged Solid Propellant Ramjet,TSPR)这种新型吸气式动力。它有机结合了固体冲压发动机和空气涡轮火箭发动机(Air Turbo Rocket,ATR)两种发动机的性能优势,兼具宽包线和高性能的优点,是未来战术导弹最为理想的动力形式之一。发挥TSPR性能优势的前提是实现稳定高效的燃烧组织。与固体冲压发动机和ATR相比,TSPR燃烧组织中存在多股气流混合燃烧、进气方式不利于掺混等难点,并且缺乏相关技术基础,因此,开展TSPR燃烧组织技术研究对提高发动机整体性能和实现工程化应用具有重要意义。本文针对TSPR燃烧组织的特点和难点,通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,开展了TSPR方案设计、燃烧特性实验、掺混燃烧增强技术和实验验证等研究工作。论文的主要研究工作和结论如下:(1)开展了TSPR方案设计,为燃烧组织技术研究提供了对象。对现有TSPR性能预示模型进行了改进,给设计提供了理论方法;针对TSPR的工作特点,提出了固体推进剂选择的原则,经过筛选确定驱涡采用固体碳氢富燃料推进剂,补燃采用含硼推进剂;针对地面原理实验设计了TSPR方案,涡轮增压系统采用单级离心压气机和冲击式涡轮,主要设计参数为:发动机推力1500N,空气流量1.55kg/s,压气机增压比3.2,转速80000rpm。(2)开展了TSPR燃烧特性的实验研究,获得了一次和二次燃烧特性,为掺混燃烧增强技术研究奠定了基础。采用多级喉道喷管模拟涡轮增压系统,组建了能够模拟TSPR掺混燃烧过程的实验系统;针对常温来流空气条件下ATR模式点火困难的问题,通过TSPR掺混燃烧实验研究,给出了所用固体碳氢推进剂二次点火的余气系数上限为2.3左右,并提出了由TSPR模式切换到ATR模式来改善点火的新方案。(3)开展了TSPR掺混燃烧增强技术的研究,获得了高效燃烧的优选方案,显著提高了发动机的燃烧效率。建立了TSPR燃烧流场数值方法,研究了头部进气方式、扩压器方案和补燃燃气进气等对掺混燃烧的影响规律;针对TSPR固有的同轴进气不利于掺混燃烧的问题,设计出增压空气斜向射流配合驱涡燃气高速旋转的头部进气方案,显著提高了掺混度;针对补燃室外层富氧、中心富燃的流场分布特点,提出了补燃燃气横向射流,并控制速度使其进入外层富氧区的补燃进气方案;此外还设计了多级扩压器方案,提高了补燃室可用总压和空气进气品质;通过数值模拟研究给出了掺混燃烧增强方案中参数的较优取值,并验证了该方案在较宽工作范围内具有良好适用性。(4)开展了TSPR地面原理实验,验证了本文获得的燃烧组织技术。根据获得的高效燃烧的优选方案,设计了TSPR原理发动机及地面实验系统;首次成功开展了TSPR地面原理实验,平均推力达到了1516N,比冲为4010m/s,TSPR模式下的燃烧效率为84.81%,比基础构型提高了38.71%。


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