張彥軍 張超 王海龍

摘 要：模態(tài)轉(zhuǎn)換是串聯(lián)式渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于某小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)全新設(shè)計(jì)加力/沖壓燃燒室、沖壓進(jìn)氣混合器，構(gòu)建小型串聯(lián)式TBCC模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)展模態(tài)轉(zhuǎn)換原理驗(yàn)證。文章重點(diǎn)介紹沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)方案研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證情況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了沖壓進(jìn)氣混合器后續(xù)優(yōu)化方向，對(duì)后續(xù)串聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的沖壓進(jìn)氣混合器的工程研制具有一定借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高超聲速；模態(tài)轉(zhuǎn)換；渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；串聯(lián)式；沖壓進(jìn)氣混合器

1 概述

渦輪/沖壓組合動(dòng)力裝置串聯(lián)方案具有迎風(fēng)面積小、推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、耗油率低等優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外發(fā)展的重點(diǎn)方向。

日本高超聲速運(yùn)輸推進(jìn)系統(tǒng)研究計(jì)劃[1]（HYPR計(jì)劃），研究人員進(jìn)行了渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)研究，并最終在12種不同方案中選取了渦輪/沖壓組合動(dòng)力裝置串聯(lián)方案，并制造了渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的十分之一縮尺驗(yàn)證機(jī)HYPR90-C，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有雙外涵，6處可變幾何結(jié)構(gòu)，其主要任務(wù)是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)2.5-3.0時(shí)進(jìn)行工作模態(tài)轉(zhuǎn)換的可行性。（圖1）

圖1 HYPR90-C結(jié)構(gòu)示意圖

由于渦輪/沖壓組合動(dòng)力裝置串聯(lián)方案采用加力/沖壓燃燒室共用模式，在模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)馬赫數(shù)低于一定值時(shí)，渦輪出口的總、靜壓明顯高于壓氣機(jī)進(jìn)口，可能出現(xiàn)氣流從沖壓管道回流現(xiàn)象，造成壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定和加力/沖壓燃燒室燃燒不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題。因此，保證渦輪模態(tài)與沖壓模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的燃燒穩(wěn)定成為串聯(lián)式渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)加力/沖壓燃燒室設(shè)計(jì)的主要技術(shù)難點(diǎn)[2-5]。

為掌握模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，基于某小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，全新設(shè)計(jì)加力/沖壓燃燒室、沖壓進(jìn)氣混合器，構(gòu)建小型串聯(lián)式TBCC模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)展模態(tài)轉(zhuǎn)換的原理驗(yàn)證試驗(yàn)。其中沖壓進(jìn)氣混合器是小型串聯(lián)式TBCC原理樣機(jī)的關(guān)鍵部件之一，文章根據(jù)原理驗(yàn)證試驗(yàn)要求重點(diǎn)開(kāi)展沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)方案研究、數(shù)值計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 混合器方案

2.1 設(shè)計(jì)要求

2.1.1 功能要求。HYPR90為典型的串聯(lián)式組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案，見(jiàn)圖2，圖中藍(lán)、紅線條分別代表外涵、內(nèi)涵氣流，混合后進(jìn)入沖壓燃燒室。為開(kāi)展串聯(lián)式TBCC模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究，設(shè)計(jì)沖壓進(jìn)氣混合器試驗(yàn)件，重點(diǎn)模擬圖中圈出部分-沖壓進(jìn)氣混合器功能，即實(shí)現(xiàn)氣體由外涵流入并與內(nèi)涵氣流混合，以滿足沖壓燃燒室需求。

圖2 內(nèi)外涵氣流摻混

沖壓進(jìn)氣混合器需實(shí)現(xiàn)外涵氣單獨(dú)供氣給沖壓燃燒室，或?qū)⑼夂瓪馀c內(nèi)涵燃?xì)鈸交旌蠊┙o沖壓燃燒室，見(jiàn)圖3。

2.1.2 性能要求。沖壓進(jìn)氣混合器需要滿足在進(jìn)氣加壓和進(jìn)氣加溫加壓條件下沖壓燃燒室進(jìn)口參數(shù)的要求，性能參數(shù)，見(jiàn)表1。通過(guò)串聯(lián)式TBCC原理樣機(jī)性能匹配計(jì)算程序得到了沖壓進(jìn)氣混合器的流量需求為0～3kg/s；流過(guò)沖壓外涵的氣流最高溫度為488K；承受的最高壓力不小于200Kpa；出口速度系數(shù)0.15-0.24；出口的總壓恢復(fù)系數(shù)≮0.83；出口處總壓壓力不均勻度≯10%。

表1 性能參數(shù)要求

2.2 結(jié)構(gòu)方案

沖壓進(jìn)氣混合器用于連接臺(tái)架氣源、小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓燃燒室，為沖壓燃燒室提供沖壓引氣。沖壓進(jìn)氣混合器應(yīng)包括進(jìn)氣管路、集氣腔、分流腔道、混合段等部分。其中，進(jìn)氣管路用于連接臺(tái)架氣源和沖壓進(jìn)氣混合器；集氣腔用于對(duì)臺(tái)架氣源來(lái)流進(jìn)行整流，減少臺(tái)架氣源對(duì)沖壓燃燒室進(jìn)氣條件的影響；分流腔用于將整流后的氣流供給混合段與內(nèi)涵氣流摻混，與內(nèi)涵氣流混合后進(jìn)入沖壓燃燒室。

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。沖壓進(jìn)氣混合器需滿足基本的功能要求，結(jié)構(gòu)參數(shù)還需要滿足性能要求、外廓限制、臺(tái)架連接、主機(jī)連接、沖壓燃燒室連接等要求。由于本次試驗(yàn)為原理驗(yàn)證性試驗(yàn)，因此沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單，方便加工，滿足原理驗(yàn)證基本要求即可。沖壓進(jìn)氣混合器的最大外廓直徑由臺(tái)架安裝條件確定，最大直徑為400mm，見(jiàn)圖4。

圖4 沖壓進(jìn)氣混合器外廓限制

與臺(tái)架連接的管路直徑由流量要求、臺(tái)架氣源條件和臺(tái)架改造難度確定：擬采用2根引氣管與臺(tái)架管路連接。根據(jù)流量連續(xù)的原則，確定了管路的內(nèi)徑為Ф96mm，見(jiàn)圖5，根據(jù)材料庫(kù)選擇外徑Ф108mm的不銹鋼管。分流腔道的總面積根據(jù)流量流量連續(xù)原則確定，分流腔道的總面積不小于14469mm2，為保證所需流量全部流過(guò)去確定了分流腔道的總面積14778mm2。沖壓進(jìn)氣混合器與主機(jī)接口參數(shù)由小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)出口尺寸確定，進(jìn)口直徑170mm；沖壓進(jìn)氣混合器與沖壓燃燒室接口參數(shù)由沖壓燃燒室進(jìn)口尺寸確定，出口直徑200mm；沖壓進(jìn)氣混合器的材料由溫度要求確定，同時(shí)考慮主機(jī)氣流和沖壓燃燒室氣流可能會(huì)發(fā)生倒流現(xiàn)象，沖壓進(jìn)氣混合器采用高溫合金材料[6]。

2.2.2 結(jié)構(gòu)分析。為保證沖壓進(jìn)氣混合器出口速度系數(shù)、總壓恢復(fù)系數(shù)、出口總壓壓力滿足性能要求，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案分析以確定基本方案。集氣腔進(jìn)氣方式和分流腔道結(jié)構(gòu)形式對(duì)流場(chǎng)的壓力分布影響較大，且集氣腔和分流腔道為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，因此對(duì)集氣腔和分流腔道的方案進(jìn)行了對(duì)比分析。根據(jù)集氣腔進(jìn)氣方式不同和分流腔道形式不同設(shè)計(jì)了不同的方案。集氣腔進(jìn)氣方式分為切向進(jìn)氣和撞擊環(huán)面進(jìn)氣，見(jiàn)圖6。集氣腔采用切向進(jìn)氣，空氣沿環(huán)面進(jìn)入，壓力損失小，總壓恢復(fù)系數(shù)高；但軸向速度低，不易于流通。而采用撞擊環(huán)面進(jìn)氣氣流降速明顯，流場(chǎng)均勻度好；但氣流壓力損失大，總壓恢復(fù)系數(shù)低，由于氣流壓力損失和總壓恢復(fù)系數(shù)是重點(diǎn)考慮參數(shù)，因此選擇切向進(jìn)氣方案。

圖6 集氣腔進(jìn)氣方案對(duì)比

分流腔道分為管路進(jìn)氣和“門洞”進(jìn)氣方案，見(jiàn)圖7、圖8。分流腔道采用分流管路的形式，重量輕，但需要采用焊接結(jié)構(gòu)，熱變形大，不利于加工。采用“門洞”型分流腔道，可以單獨(dú)加工分流腔道后與集氣腔采用螺栓連接，利于加工，但是重量大，由于本次為小型原理驗(yàn)證試驗(yàn)，重量不做要求，因此選用“門洞”型分流腔道。

圖7 管路型分流腔道方案

圖8 門洞型分流腔道方案

2.2.3 強(qiáng)度分析。由于沖壓進(jìn)氣混合器為壓力容器不僅要承受臺(tái)架高壓氣源的沖擊，且發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)高溫燃?xì)饣驔_壓燃燒室高溫燃?xì)鈺?huì)倒流混合器，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。除與內(nèi)涵連接部分采用焊接結(jié)構(gòu)以外，集氣腔、分流腔道、混合段的連接均采用安裝邊連接方式，在圖紙的設(shè)計(jì)要求中增加了對(duì)焊縫質(zhì)量控制的要求，同時(shí)對(duì)各零組件的壁厚進(jìn)行了要求，均不小于3mm。

2.2.4 數(shù)值計(jì)算分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分析，基本確定了沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)方案，見(jiàn)圖9。

圖9 沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)方案，建立UG模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，數(shù)值計(jì)算過(guò)程考慮了分流腔面積、分流腔個(gè)數(shù)、混合段外壁角度、內(nèi)涵的長(zhǎng)度對(duì)出口界面的性能參數(shù)的影響，計(jì)算了多組模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10，同時(shí)確定了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖10 沖壓進(jìn)氣混合器的結(jié)構(gòu)方案

表2 最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下混合器出口界面壓力分布圖，見(jiàn)圖11。

圖11 沖壓進(jìn)氣混合器出口界面壓力分布圖

沖壓進(jìn)氣混合器計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比，見(jiàn)表3，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

沖壓進(jìn)氣混合器隨串聯(lián)式TBCC原理樣機(jī)完成了模態(tài)轉(zhuǎn)換原理驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程對(duì)沖壓進(jìn)氣混合器性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)要求對(duì)比見(jiàn)表4。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，總壓恢復(fù)系數(shù)偏低，壓力不均勻度偏大，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)分流腔道的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致總壓恢復(fù)系數(shù)偏低的主要因素，因此在后續(xù)改進(jìn)過(guò)程中需要對(duì)分流腔道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即增加分流腔道的數(shù)量或改為整流葉柵結(jié)構(gòu)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

模態(tài)轉(zhuǎn)換是串聯(lián)TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在分析沖壓進(jìn)氣混合器功能、性能要求基礎(chǔ)上，完成了結(jié)構(gòu)方案研究、數(shù)值計(jì)算優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足模態(tài)轉(zhuǎn)換原理驗(yàn)證試驗(yàn)要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了沖壓進(jìn)氣混合器后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，對(duì)后續(xù)串聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的沖壓進(jìn)氣混合器的工程研制具有一定借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張彥軍（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：空天動(dòng)力總體設(shè)計(jì)。