六管气动阀式两相脉冲爆震发动机试验研究

摘要

涡轮风扇-脉冲爆震组合发动机是一种新概念的推进系统，在该组合推进系统中，可以在涡扇发动机外涵采用多管脉冲爆震燃烧室取代传统的涡扇发动机加力燃烧室。与单管脉冲爆震发动机(PDE)相比，多管PDE在将面临各脉冲爆震管协调工作的设计难点。为了探索六管气动阀式两相脉冲爆震发动机的设计原理和方法，本文设计研制了六管气动阀式PDE原理样机并开展了若干关键技术的研究，主要研究内容和研究成果包括：
　　 1)设计研制了φ61mm的六管气动阀式PDE原理样机。优化设计了单管气动阀，使气动阀在具备单向阀门功能的同时总压损失更小，并保证环形通道面积均匀，使燃油周向分布均匀；设计了单管PDE的进气道，在进气道内安装了中心锥，降低了总压损失，同时在保证进气道正常流动的情况下，尽量减小进气道的容积；设计了单管气动雾化喷嘴，并根据点火源稳定准则设计了半V型钝体和凹槽点火装置；设计了强化燃烧装置，以缩短爆燃-爆震(DDT)过程，针对DDT过程的不同阶段，相应采取不同的强化燃烧措施。同时，对六管PDE的共用进气道和供油系统进行了设计。
　　 2)研究了单管气动阀式PDE在不同结构下的冷态阻力损失和热态爆震波峰值压力的关系，提出了有效和无效损失概念。研究表明：在中等强度激波下游安装激波反射器，可以在激波反射器附近触发爆震波，提高爆震波峰值压力，因此安装激波反射器引起的总压损失大部分为有效损失。两相混气下游安装钝体(如平面火焰发生器)必须慎重。因为钝体首先会增加PDE的总压损失，减小气动雾化喷嘴喉道的气流速度，从而增加油雾场的SMD；其次油珠随气流运动过程中会撞在钝体表面形成油膜，油膜在低速下雾化质量变差，导致爆震波的峰值压力下降。中心锥结构由于影响了在诱导速度下扰流片的旋涡脱落，影响了气流的紊流作用，因此它的损失基本为无效损失。对于螺旋钝体，因为钝体表面有利于激波反射及火焰、激波的相互作用，所以产生的热点可以螺旋传播，缩短DDT距离，提高爆震波峰值压力。总体而言，螺旋钝体优于扰流片钝体。
　　 3)通过不断的调试和改型，实现了六管气动阀式PDE在总频率90Hz下，能稳定、连续的协调工作并产生爆震波。在分析六管气动阀式PDE工作机理的基础上，提出在燃油系统采用隔离段等措施，成功地解决了起爆爆震管反压对其他爆震管进油的影响。在研究点火机理的基础上，提出在电嘴前加前蒸发器提高燃油蒸发率、提高点火成功率，效果十分明显。在研究DDT机理的基础上，提出改善强化燃烧装置、提高油气蒸发性能(加后蒸发器)等措施，实践表明所采取的措施是成功的。
　　 4)提出了考虑总压损失的理论计算模型，计算结果表明：PDE周期随总压损失系数的增大而增大，PDE平均推力随总压损失系数的增大而减小。亚音飞行时，PDE工作频率随马赫数的增大而增加，PDE平均推力随马赫数数的增大而增加；PDE油耗随马赫数的增大而下降。