旋转爆震燃烧室工作特性及其与涡轮匹配性研究

摘要

旋转爆震燃烧室(Rotating Detonation Combustor，简称RDC)替代传统燃气涡轮发动机的燃烧室，实现发动机从等压循环向爆震循环的转变，可大幅度提高发动机的推力性能和燃料的利用率。基于此，关于RDC应用于燃气涡轮发动机进而实现工程化应用的相关课题受到了科研机构的广泛关注。本文主要通过数值模拟和实验研究了旋转爆震燃烧室出口流场特性以及其与涡轮的匹配特性。主要进行了以下工作: (1)利用二维欧拉方程数值研究了基于H2/Air燃烧的旋转爆震燃烧室出口流场特性。对比分析了燃烧室在不同波头数、不同燃烧室轴向长度和周向长度以及不同喷注总压和外界反压等条件下的出口总压和总温特性。通过研究燃烧室出口总压脉动均值、畸变指数以及出口温度分布系数，进而分析了燃烧室出口流场的不均匀性。研究表明:三波模态下燃烧室出口平均总压脉动均值较双波和单波模态下小，流场均匀程度较高:当量比对燃烧室出口温度分布系数有很大影响，随着当量比的增大，出口温度分布系数先增大后减小;此外，波头数越多，出口温度分布系数越小，其出口温度场越均匀。当量比对燃烧室增压比有一定影响，但影响不大，增压比与波头数呈反相关。燃烧室尺寸对发动机出口流场的不均匀性有很大影响，随着燃烧室轴向长度的增大或周向尺寸的减小，其出口总压脉动均值、畸变指数和出口温度分布系数均会减小，出口流场均匀性提高。压力条件对燃烧室出口流场特性有一定影响，随着喷注总压的增加，出口总压脉动均值、畸变指数以及温度分布系数均逐渐增大，流场的均匀性变差;外界反压对出口流场的均匀性影响相对较小。 (2)基于旋转爆震燃烧室与导向器和涡轮的组合开展了旋转爆震波起爆实验，实验成功起爆了旋转爆震燃烧室，并且对比分析了加导向器与未加导向器下的实验结果。实验研究表明:两种工况条件下，旋转爆震波的传播速度随当量比的增大，均呈先增大后减小的趋势;但加导向器后，爆震波传播速度的相对偏差先减小后增大，其稳定传播的范围相对于未加导向器而言较窄。此外，在导向器前后，存在与燃烧室内爆震波频率一致的振荡压力，经过导向器后的振荡压力幅值减弱了64％，该振荡压力直接进入导向器后的涡轮，其对涡轮的影响相对于不加导向器而言要小。导向器叶片对燃烧室出口的振荡压力存在反射作用，进而影响爆震燃烧室的压力，其反射激波的路径与爆震波传播的方向有关。通过进一步开展旋转爆震燃烧室和涡轮组合的有关实验，验证了旋转爆震燃烧室和涡轮组合方案的可行性，研究发现:涡轮对燃烧室内气流速度有一定的影响，加装涡轮后燃烧室的气流速度会变大，这会影响发动机的起爆特性。涡轮对燃烧室压力也有一定影响;涡轮叶片对爆震波存在激波反射，不同当量比下的激波反射强度不同，随着当量比的增大，爆震波的速度和压力均呈现增大的趋势，叶片反射的激波强度也会有所增大。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1旋转爆震涡轮发动机的研究背景与意义

1．2国内外RDE的研究历程

1．2．1 RDE的研究现状

1．2．2爆震燃烧室与涡轮组合的研究现状

1．3本论文主要研究工作

1．4研究面临的问题与挑战

2数值方法和实验系统介绍

2．1数值方法

2．1．1控制方程

2．1．2求解方法

2．2物理模型和边界条件

2．3数值验证

2．3．1流场结构验证

2．3．2爆震波的参数验证

2．4实验系统与设备

2．4．1实验系统简介

2．4．2氧化剂和燃料供给系统

2．4．3点火系统

2．4．4数据测量与采集系统

2．4．5旋转爆震涡轮组合发动机模型介绍

3旋转爆震发动机出口流场不均匀性数值研究

3．1波头数对燃烧室出口流场不均匀的影响

3．1．1不同波头数条件下燃烧室出口总压和总温分布特性

3．1．2不同波头数条件下燃烧室出口总压脉动

3．1．3当量比对燃烧室出口温度分布系数和增压比的影响

3．2不同燃烧室尺寸出口流场不均匀性研究

3．2．1不同尺寸燃烧室出口总温和总压特性分析

3．2．2旋转爆震燃烧室出口总压脉动分析

3．2．3不同尺寸燃烧室出口温度分布系数

3．3不同压力条件燃烧室出口流场不均匀性分析

3．3．1不同压力条件下燃烧室出口总压特性

3．3．2不同压力条件下燃烧室出口总温特性

3．4爆震波高度与轴向长度的比值对出口流场均匀性影响

3．5本章小结

4涡轮导向器对旋转爆震波传播特性影响实验研究

4．1实验系统设计

4．2实验结果与分析

4．3涡轮导向器对爆震波传播速度的影响

4．4导向器前后压力结果

4．5质量流率对涡轮导向器压力衰减的影响

4．6涡轮导向器对燃烧室内压力的影响

4．7本章小结

5旋转爆震燃烧室与涡轮组合试验

5．1旋转爆震燃烧室与涡轮组合装置

5．2旋转爆震燃烧室与涡轮组合试验冷流分析

5．3旋转爆震燃烧室与涡轮组合相互作用试验

5．4本章小结

6总结与展望

6．1本文主要工作及总结

6．2本文创新点

6．3展望

致谢

参考文献

附录