微型涡喷发动机火药起动特性研究

摘要

由于微型涡喷发动机高推重比的特点，使之微小型无人机、诱饵机和巡飞弹等微小型空中武器平台的首选动力装置。火药起动是微型涡喷发动机最迅速可靠的起动方式之一，是微型涡喷发动机适应飞行器快速反应需求的关键技术。本文基于微型涡喷发动机火药起动的特点，研究了实现火药起动器性能与发动机起动要求匹配的设计方法，使用起动器驱动力矩关于起动器性能参数的计算模型和发动机转子阻力矩关于转速的变化关系，预测发动机的起动曲线和起动参数，指导火药起动器的选型。
　　根据某微型涡喷发动机的结构和工艺特点，选择火药燃气冲击涡轮转子的起动方案，对发动机局部结构进行了调整，完成火药起动系统组件布局和结构设计。将该起动器射流驱动涡轮的真实过程简化为射流冲击单个涡轮叶片的二维模型进行理论分析，建立了驱动力矩关于起动器性能参数和发动机转速的计算模型，并转化为驱动力矩关于起动器喷嘴出口参数和发动机转速的计算模型。
　　采用数值计算研究了起动器喷嘴出口总压、喷嘴出口总温、发动机转速、叶片与喷嘴相对位置和发动机进气流量等关键因素对射流驱动涡轮中形成的流场、叶片受力及驱动力矩的影响。通过拟合驱动力矩与喷嘴出口总压、总温和转速的规律，确定了计算模型中的待定系数，并引入了反应叶片与喷嘴相对位置变化影响的系数。
　　基于火药起动的原理，设计、分析并实现了高压空气常温模拟起动试验的方案，实验获得的起动器驱动力矩与计算模型预测结果的偏差小于10％。实验中，通过高压空气自由射流试验获得喷嘴出口总压关于供气系统内监测截面总压的变化关系；使用起动过程和切断高压气后发动机转速的变化率获得发动机转子净力矩和阻力矩关于转速的变化关系，进而获得起动器的驱动力矩关于转速的变化关系。
　　使用驱动力矩的计算模型和发动机转子阻力矩特性数据，对使用高压空气模拟起动器的发动机的起动曲线进行预测，并与试验数据进行了比较，结果验证了该预测方法的准确性。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1背景

1.2火药起动技术的应用范围

1.3涡喷（涡扇）火药起动方式的研究现状

第二章 某微型涡喷发动机火药起动系统原理分析

2.1某微型涡喷发动机火药起动系统设计

2.2微型涡喷发动机火药起动器选型的设计方法研究

2.3射流冲击涡轮叶片过程的理论分析

2.4本章小结

第三章 射流冲击涡轮转子过程的数值计算

3.1数值计算方法的选取

3.2喷嘴出口气动参数和发动机转速对起动器驱动力矩的影响

3.3叶片与喷嘴相对位置对驱动力矩的影响

3.4发动机进气流量对驱动力矩的影响

3.5小结

第四章 高压空气常温模拟起动器试验

4.1试验方案设计

4.2供气系统的性能计算和分析

4.3试验系统介绍

4.4试验数据的处理过程

4.5模拟起动器驱动力矩的计算结果与试验结果的对比

4.6使用高压空气模拟起动器的发动机的起动曲线的预测

4.7小结

第五章 总结与展望

5.1本文的主要工作与总结

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间的学术成果及发表的学术论文