預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)及調(diào)節(jié)規(guī)律研究.pdf

1、預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)是高超聲速飛機(jī)最有效的推進(jìn)系統(tǒng)之一，有望作為單級(jí)入軌航天飛機(jī)或兩級(jí)入軌航天飛機(jī)助推級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)。預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)預(yù)冷器或冷質(zhì)注入等形式，在發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史上首次將傳熱過(guò)程加入到發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)力循環(huán)之中。這些改變?cè)讷@得發(fā)動(dòng)機(jī)性能收益的同時(shí)也增加了循環(huán)的復(fù)雜性，并增添了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作邊界和關(guān)鍵的被控變量。這些增量使得現(xiàn)有基于渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)和調(diào)節(jié)規(guī)律方面的研究工作可能不再完全適用于預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)。以此為背景，本文開展了預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)

2、的熱力循環(huán)及調(diào)節(jié)規(guī)律的研究。
　　首先，以了解研究對(duì)象為目的，研究了預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的理想熱力循環(huán)構(gòu)型。本文選取了預(yù)冷空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要的研究對(duì)象，對(duì)其理想循環(huán)功和理想循環(huán)熱效率進(jìn)行了推導(dǎo)，并和布雷頓循環(huán)做了對(duì)比。研究表明，預(yù)冷空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與布雷頓循環(huán)稍有不同，發(fā)動(dòng)機(jī)理想熱力循環(huán)的控制體由空氣和燃料共同構(gòu)成，且增添了循環(huán)冷卻比這一影響循環(huán)性能的因素。
　　其次，通過(guò)對(duì)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)性能的理論分析和推導(dǎo)，明確了

3、預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的5個(gè)循環(huán)自變量分別為風(fēng)扇壓比、油氣比、預(yù)冷器熱載荷、總熱載荷和總換熱總壓恢復(fù)系數(shù)。明確了其中燃燒室換熱器換熱量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響不大，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自變量的取值給出了多目標(biāo)約束優(yōu)化的策略來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)自變量組，使得達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最大化。通過(guò)對(duì)其他循環(huán)參變量的敏感度分析，提出了應(yīng)重點(diǎn)提高風(fēng)扇的效率來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。定義了“預(yù)冷深度”的概念，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作邊界組成，明確了工作過(guò)程中觸碰安全邊界的先后順序。對(duì)于預(yù)冷空氣渦輪火

4、箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高馬赫數(shù)下渦輪功不足的情況，對(duì)其改型發(fā)動(dòng)機(jī)，即預(yù)冷渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)做了性能計(jì)算和對(duì)比分析。
　　最后，構(gòu)建了慢車狀態(tài)以上預(yù)冷空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的含動(dòng)態(tài)變工況模型，研究了該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)工作特性，并在此基礎(chǔ)之上研究了適用于該發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律。通過(guò)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和預(yù)冷器的動(dòng)態(tài)建模，明確了預(yù)冷器的時(shí)間常數(shù)相比于轉(zhuǎn)子而言可以忽略，該發(fā)動(dòng)機(jī)可近似為一階系統(tǒng)。分析了該發(fā)動(dòng)機(jī)相比于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言所面臨的控制新問題，推導(dǎo)了以預(yù)冷空氣渦輪火