小流量温度畸变发生器设计及温度畸变特性研究

摘要

温度畸变发生器是航空发动机研制过程中评定发动机气动稳定性的重要设备之一，要求其能准确模拟各类温度畸变源的工作范围，研究温度畸变发生器畸变特性对航空发动机的设计及其稳定性评定具有重要的意义。本文以小流量航空发动机温度畸变发生器的工程应用为背景，采用数值模拟及试验的方法，开展小流量航空发动机温度畸变发生器的设计及工作特性研究，主要研究成果包括：
　　（1）以小流量航空发动机进口参数为设计参数，针对以氢气为燃料、空气为氧化剂的氢燃烧式温度畸变发生器，设计了火焰稳定器和喷氢杆，喷氢杆包括顺喷和逆喷两种方案，并进行了数值模拟，结果表明两种方案均能稳定工作。
　　（2）针对氢燃烧式温度畸变发生器的单个稳定器模型和周向90°范围模型进行了稳态点火试验研究，通过单个稳定器模型的试验表明火焰稳定器具有良好的稳焰能力，随着供氢压力的升高，温升值也逐渐增大，随着进口流量增加贫油点熄火极限逐渐增加；通过周向90°范围模型的试验研究表明，顺喷和逆喷结构总压恢复系数均大于0.98，总压不均匀度均小于2％，两种结构的温度分布不均匀度均在15%以下，且顺喷结构获得的温升值大于逆喷结构获得的温升值。
　　（3）建立单个稳定器的计算模型，采用数值模拟方法研究了其稳态燃烧过程，其中燃烧化学反应模型采用总包反应和9组分20步的氢气基元反应进行对比研究，并与试验结果进行对比。结果表明基元反应结果与试验结果相近，因而选取基元反应为化学反应模型。建立不同周向范围及加入压气机的氢燃烧式温度畸变发生器的计算模型，研究氢燃烧式温度畸变发生器稳态和非稳态燃烧过程。结果表明：温度畸变场的温升值和温度不均匀度变化在距离稳定器600mm的截面位置开始趋于稳定，经过压气机之后，畸变场畸变强度减小，温度周向不均匀度也略微减小，高温区范围变化不大，但位置发生了明显的偏移，同时发现较高的温度畸变会在压气机出口诱发产生漩涡，造成压气机内流动不稳定；相间位置的两个加热单元工作时获得的高温区范围略大于相邻位置获得高温区范围；供氢压力越大，温升率越大，而缓冲容积越大，温升率越小。
　　（4）探索了热射流式温度畸变发生器初步方案设计，采用数值模拟方法对设计模型进行了初步研究。在热流进口温度为1500K的条件下，热射流式温度畸变发生器能在出口获得300K的面平均温升，温度不均匀度在15%以内。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

第二章 氢燃烧式温度畸变发生器方案设计

2.1方案设计

2.2设计方案数值验证

2.3小结

第三章 氢燃烧式温度畸变发生器工作特性试验研究

3.1单个稳定器模型燃烧特性试验研究

3.2周向90°范围模型燃烧特性试验研究

3.3小结

第四章 氢燃烧式温度畸变发生器工作特性数值研究

4.1单个稳定器温度畸变发生器数值研究

4.2周向90°温度畸变发生器数值研究

4.3加入压气机的温度畸变发生器数值研究

4.4全环温度畸变发生器工作特性研究

4.5氢燃烧式温度畸变发生器瞬态工作特性研究

4.6小结

第五章 热射流温度畸变发生器初步设计

5.1热射流温度畸变发生器方案设计

5.2热射流温度畸变发生器数值模拟

5.3小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录：9组分20步化学反应机理