摘要：以甲烷为冷却剂的预冷型涡轮基组合发动机以其较高的冷却性能和密度比冲等优点,成为未来宽速域飞行器动力装备问题的重要研究方向。针对该型发动机的核心部件——预冷器,建立理论计算模型对其综合性能进行了评估,并提出了一种熵函数分析法,对预冷器与压气机工作参数匹配特性开展理论分析。计算结果表明,所提出的预冷器方案换热有效度在0.5~0.72,功重比达到250kW/kg;甲烷预冷措施能将涡轮发动机工作速域扩展至Ma=3.1,此状态来流空气最高被冷却180K。对预冷器和压气机整体结构,“单位比热的比熵”与冷却剂当量比和压气机压比均成正相关。压气机能在根据材料耐高温极限设计的预冷器/压气机共同工作线上获得最高压比,但需消耗大量冷却剂,导致发动机比冲和热循环效率降低;冷却剂当量比始终控制在1.0左右的工作线能获得较高比冲、压比和热循环效率,同时消耗的功率和冷却剂均较低;保持较低熵增设计的工作线有较高热循环效率和较低功耗,但压比偏低,发动机难以提供较高输出功率。

摘要：预冷型组合循环发动机具有工作速域宽、比冲高和推重比大等优点,在未来空天领域有广阔的应用前景。本文首先回顾了LACE、SABRE和ATREX等主要预冷型组合循环发动机的工作原理、技术特点和研究情况,对各型发动机热力循环中面临的难点问题进行了分析。其次,针对发动机预冷器、压气机、涡轮和燃烧室等关键部件,建立了热力循环计算模型,研究了预冷和燃烧对冷却剂的流量需求问题、预冷器与压气机性能参数匹配问题和压气机与涡轮共同工作问题等。结果显示,1.0~2.0倍当量比的氢在马赫数0~4.5速域内能将空气冷却51~476 K,而相同流量的甲烷在马赫数0~4.0速域内仅能将空气冷却24~182 K;熵函数用于表征预冷器和压气机在热势差效应和功热转换过程中的能量损失总和,根据发动机性能需求,在熵函数图上可设计不同的当量比-压比(φ-π_(c))协同工作线;涡轮总功率是影响预冷发动机压气机压比的主要原因,与传统涡轮相比,驱动涡轮的工质(冷却剂)流量小,要求涡轮单位功率高,给涡轮设计带来挑战。最后结合评估结果对预冷型组合循环发动机的未来发展提出了一些建议。

摘要：为深入了解换热预冷发动机换热器预冷效果和发动机性能,首先设计了叉排管束式细小通道换热预冷器,并采用非定常数值模拟方法对换热效果进行了仿真,然后结合换热预冷发动机性能计算程序对预冷发动机性能进行了研究。结果表明,飞行马赫数为2.5～4.0且氢气空气质量流比为0.03～0.09条件下,换热预冷器能将来流空气预冷90.6～471.2K,低温氢气经吸热后温度升幅为266.1～455.3K,换热效果良好。来流空气经预冷后涡轮发动机的飞行包线最高被拓展至马赫数4.0,达到了与超燃冲压发动机的衔接速域。相比于传统涡轮发动机,氢气空气质量流比为0.03时,本文换热预冷发动机加力状态推力能恢复至设计点推力水平;当氢气空气质量流比增加至0.09时,加力状态推力最高达到设计点推力的两倍左右。马赫数2.6以下换热预冷措施能小幅改善发动机比冲和耗油率(仅计算用于燃烧的氢气量)性能,而飞行速度大于马赫数2.6后换热预冷措施也难以抑制比冲和耗油率迅速恶化的趋势。