弹用涡喷发动机炮式起动关键技术研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:bridge
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炮式起动技术是弹用燃气涡轮发动机的一项关键技术,其具有自身的独特性和研制难点。掌握先进的炮式起动设计方法和试验方法对于提升我国弹用燃气涡轮发动机的整体研发水平具有重要的促进意义。然而,目前国内对炮式起动技术的研究尚不够广泛,对同时采用低压雾化喷嘴和蒸发式喷嘴的涡喷发动机整机炮式起动研究较少。本文即以基于低压油泵体制的某型涡喷发动机为研究对象,通过理论分析、科学计算以及试验手段对该型发动机的地面炮式起动特性和高空炮式起动特性开展了相关研究,获得了发动机炮式起动的供油匹配规律和设计方法。主要研究内容如下:(1)炮式起动地面特性研究。针对炮式起动的特点,设计了地面炮式起动方案,基于对发动机炮式起动特性及影响因素的分析,获得了供油规律的匹配方法,并利用炮式起动模拟试验系统对该供油匹配方法进行了试验验证。研究结果表明:缩短点火前供油时间能有效降低由于积油燃烧而对起动加速性造成的不利影响;起动初期的加速率与初始油门量呈正相关,但此阶段应着重考虑点火的最佳油气混合比;压力雾化喷嘴和蒸发式喷嘴供油的切换点选择在低转速阶段时,对发动机的起动性能影响较小;简单阶跃式增油方式可满足炮式起动后期的转子加速要求,油门阶跃点应匹配在发动机进入高转速阶段;起动后期采用合适的一阶油门量可进一步优化起动特性。(2)发动机使用高能量密度燃油的地面稳态性能研究。对某型弹用涡喷发动机使用高能量密度燃油的必要性和可行性进行了文献调研与试验评估。研究了高能量密度燃油的使用对发动机地面稳态换算性能的影响。研究结果表明:高能量密度燃油对发动机的稳态换算性能整体上影响不大,只是发动机在各稳态换算转速下的换算耗油率略有升高;与使用普通燃油相比,发动机使用高能量密度燃油时,燃油换算体积流量平均约减少16.5%;单独的高能量密度燃油并不具备良好的轴承润滑功能,因此发动机在实际使用时应选择合适的可掺混润滑油。(3)炮式起动高空特性研究。基于高空模拟试验系统对发动机在高空飞行工况下的炮式起动特性进行了研究,得到了发动机的炮式起动包线和风车起动包线。研究结果表明:高空补氧不仅能改善炮式起动发动机的高空点火性能和起动加速性能,在确保高起动可靠性的前提下,还可极大地拓宽发动机的起动空域和起动速域;采用十头部压力雾化喷嘴的发动机的炮式起动特性整体上要优于采用五头部压力雾化喷嘴的炮式起动特性,采用十头部雾化喷嘴时,发动机具有更宽的主燃油供油边界;雾化喷嘴燃油的退出方式对发动机的起动特性具有重要影响,在雾化燃油量占总燃油量比重较大的条件下,其在起动过程的高转速阶段直接退出时,发动机容易出现转速掉落的不稳定起动现象,雾化喷嘴燃油按改进的方案退出时,发动机的起动特性较优。(4)高空起动补氧过程的数学建模与科学计算。补氧与否以及补氧方式对发动机在高空炮式起动时的点火特性和起动特性具有重要影响。为研究发动机高空炮式起动时的补氧规律,建立了氧气瓶供氧放气的数学模型并进行了科学计算。计算结果表明:高空起动时,优先选用d=0.7 mm喉径的补氧节流喷嘴,以兼顾补氧过程的氧气质量流量以及补氧时间;在初始状态相同的条件下,补氧瞬时质量流量与氧气瓶初始容积有关,采用双瓶氧气补氧的质量流量大于采用单瓶气体补氧的质量流量,且前者补氧时长是后者的二倍。
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