《超燃衝壓發動機新型冷卻循環研究》是依託哈爾濱工業大學，由周偉星擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超燃衝壓發動機新型冷卻循環研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周偉星
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱防護是發展吸氣式高超聲速飛行器尤其是超燃衝壓發動機的關鍵技術，再生冷卻是一種重要的冷卻方式。燃料作為再生冷卻的冷卻劑，由於燃料資源受限且冷卻能力有限(有限低溫熱源)，無法滿足高Ma數下的冷卻需求，嚴重影響了發動機性能並制約了發動機的發展。本項目提出將燃料一次冷卻後的部分熱能轉換為有用功輸出，燃料溫度降低後可用於二次冷卻；燃料冷卻能力得到了重複利用，冷卻用燃料流量將降低，燃料熱沉得到了間接提高。同時回收了存在於高溫壁面與燃料熱沉間的潛在可用功，可用於驅動燃料供給和發電系統。冷卻循環為超燃衝壓發動機冷卻及高超聲速飛行器熱防護研究提供了新的思路，緩解了吸熱型碳氫燃料研製難度，且與原發動機子系統具有很好的部件和功能匹配，並有望拓寬吸氣式高超聲速飛行器的最大飛行Ma數。.本項目主要開展冷卻循環機理、性能分析及最佳化和試驗研究，以期成為高超聲速飛行器領域一項具有我國自主智慧財產權的新型熱防護方法。
結題摘要
超燃衝壓發動機是研製吸氣式高超聲速飛行的首要支撐技術。其中，主動熱防護是發展超燃衝壓發動機的核心關鍵技術。本項目針對主動熱防護當前主要的技術矛盾——燃料熱沉（冷卻能力）不足，針對如何提高燃料熱沉、如何提高燃料熱沉實際利用水平和燃料冷卻/如何影響發動機性能等，開展了如下理論和試驗研究工作： 分析了航空發動機飛行速度提升過程中發動機類型、高溫部件冷卻方式的發展規律，分析了冷卻技術對航空發動機性能及類型演變的影響，研究了有限冷源對航空發動機極限馬赫數的影響。提出了一種提高燃料熱沉的新方法——冷卻循環，探討了冷卻循環性能影響因素及其性能極限。建立了冷卻循環原理性試驗台，開展了不同設計及運行參數條件下的冷卻循環原理性對比試驗，分析了燃料熱沉釋放的限制因素。計算及實驗研究結果表明：冷卻循環可大幅提高燃料熱沉並拓展超燃衝壓發動機極限馬赫數。 建立了考慮超聲速燃燒釋熱、氣動加熱、冷卻通道內燃料超臨界流動、傳熱和燃料裂解特性的超燃衝壓發動機冷卻循環耦合模型，並基於超聲速燃燒試驗和碳氫燃料流動傳熱及裂解試驗，進行了模型校驗。分析了冷卻循環變工況冷卻特性，分析表明：冷卻循環具備變工況提高燃料熱沉的能力，並能保持燃料熱沉在所有工況下始終處於很高的水平，可滿足所有工況下超燃衝壓發動機主動熱防護需求。冷卻循環對超燃衝壓發動機性能的影響分析表明：冷卻循環不僅可以提高燃料熱沉、產生有用功輸出，還有助於提升發動機的比沖。 建立了高溫燃料裂解氣（油氣）渦輪數值模擬仿真模型，數值仿真分析進一步驗證了高溫燃料裂解混合氣這種變工質、混合工質具有很強的做功能力。提出了基於起/發電機的全流量油氣渦輪-泵燃料供給系統方案。建立了油氣渦輪-泵-電機變工況特性仿真模型，分析表明：冷卻循環還兼有燃料供給和熱動力發電功能，構建了一個高效的熱管理系統，可提升超燃衝壓發動機乃至整個高超聲速飛行器整體能量管理水平。 提出了控制燃料停留時間來控制化學熱沉釋放過程，進而來提高燃料熱沉利用水平的控制方法。提出並定義了管內流動有效停留時間的概念。提出了控制燃料熱沉釋放的全局性和局部性方法，理論和試驗分析了各種燃料熱沉控制方法對燃料熱沉實際利用水平的影響。研究結果表明：燃料熱沉釋放控制方法都能有效地控制燃料熱沉釋放過程，進而控制熱沉實際利用水平；其中，局部性方法在有效控制燃料熱沉釋放的同時，還將有利於改善傳熱及壓降性能。
