新概念旋转冲压发动机基础性探索研究

摘要

目前，尽管燃气涡轮发动机以其功率大、体积小的突出优点在航空动力和其他地面动力工程中得到了广泛的应用。但随着燃气涡轮发动机性能的不断提高，材料及设计要求愈来愈苛刻，体积重量在新的需求背景下仍显偏大，叶轮结构仍显复杂。而冲压发动机不需转动的叶轮机械，结构简单，高速性能优良，被广泛用于各类超音速和高超音速飞行器，愈来愈受到人们的关注。但其也有致命缺点，低速性能极差，必须借助其他动力联合工作。因此我们有必要积极开拓新思路，应用新原理、新结构，去探索研究一种体积重量小、结构简单、效率高的新概念发动机。 本文通过对燃气涡轮发动机和航空冲压发动机的原理结构进行详细分析并进行融合创新，提出了一种利用内置旋转汽缸进行旋转气流冲压压缩和旋流燃烧的新概念内置燃烧室旋转冲压发动机，并进行了一些前期的基础性探索研究，具体研究内容有： 对旋转冲压发动机进行了总体方案设计、工作原理分析、气动热力循环和性能分析等概念性研究。着重讨论了轴功输出方案的旋转冲压发动机，初步分析表明，旋转冲压发动机的热力循环是加进了两个反循环的布雷顿循环，该发动机在热力性能和结构方面与燃气轮机相比有独特优点，有望在现代和未来各类飞行器及各类重型车辆、战略设施、坦克、舰船动力、电力等能源动力领域获得广泛应用。 冲压转子中的旋转冲压压缩是旋转冲压发动机的核心关键技术，本文从理论分析、数值模拟和模型试验三方面进行了对比研究。指出了旋转激波压缩是旋转冲压压缩的主要方式，推出了旋转激波压缩的参数关系式和冲压转子进气道和盘腔中的简化运动方程和压力方程，并通过对冷态流场的数值模拟及模型试验研究验证了上述理论分析结果，为旋转冲压发动机冲压转子的设计分析奠定了理论基础。通过数值模拟研究，还详细了解了冲压转子盘腔流场结构，为进行燃烧和热态流场的研究提供了依据。 本文的研究工作表明，这种新概念发动机可以通过采用结构简单的冲压转子取代叶片，应用旋转冲压压缩技术而获得良好的压缩效果和效率，对旋转冲压发动机的进一步研究将起到积极的促进作用。