【摘要】：協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機(SABRE)作為目前非常具有研究價值的吸氣預冷組合發(fā)動機,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,部件之間耦合性強。空氣預冷器是SABRE發(fā)動機的核心部件,其功能是在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)空氣與低溫氦氣的高效換熱,如何實現(xiàn)大溫差、高效緊湊、輕質(zhì),是預冷吸氣發(fā)動機的核心設計技術。本文針對SABRE發(fā)動機熱力循環(huán)系統(tǒng),對SABRE發(fā)動機熱力循環(huán)建模,研究了SABRE型發(fā)動機動力系統(tǒng)性能的主要影響因素及其影響規(guī)律,對于SABRE發(fā)動機熱力循環(huán)系統(tǒng)具有重要的理論與實際意義。本文通過數(shù)值模擬的方法,研究了超臨界氦氣在單直管內(nèi)的流動換熱特性以及在管路連接組件的流量分配和流阻特性;針對SABRE發(fā)動機預冷器,通過數(shù)值模擬研究了管排數(shù)、管間距、空氣流速、溫度等因素對預冷器流動換熱特性的影響。通過研究發(fā)現(xiàn):預冷后空氣溫度每上升10K,SABRE-3發(fā)動機單位推力和比沖增大約1%;氦氣流量從75kg/s增加到115kg/s,SABRE-3發(fā)動機單位推力下降約15%,比沖下降了45%;增大SABRE-4預冷器空氣側(cè)總壓恢復系數(shù)雖然會略微降低發(fā)動機推力以及比沖,但降低了空氣壓氣機的出口空氣溫度;增大氦一路流量,略微降低發(fā)動機效率以及單位推力,但大大降低氫氣的消耗量,提高了發(fā)動機的比沖。增大預冷器的管間距會提高預冷器空氣側(cè)平均換熱系數(shù),減小空氣總壓損失,但會降低空氣的預冷效果;增大管排數(shù)雖然會降低空氣側(cè)平均換熱系數(shù),但可以降低預冷后空氣溫度,增強預冷效果;增大氦氣/空氣熱容量比,能夠同時增大空氣側(cè)和氦氣側(cè)平均換熱系數(shù),降低空氣出口溫度;空氣入射角度對于空氣側(cè)、氦氣側(cè)換熱幾乎沒有影響,但對空氣側(cè)總壓恢復系數(shù)有較大影響。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V430
【圖文】：

吸氣預冷發(fā)動機熱力循環(huán)及預冷器傳熱特性研究1982 年，英國提出了可重復使用、水平起降的單級入軌運載器 HOTOL 項目，其中動力名為 RB545[3][21]。該發(fā)動機通過液氫直接冷卻空氣并液化，作為液氫的氧化劑，來減少中攜帶的氧化劑，但該方案存在很多無法解決的工程問題，比如液氫直接冷卻空氣會“氫脆”問題，直接冷卻空氣需要的液氫流量過大等，在 RB545 的研究基礎上，REL89 年提出了 SABRE 發(fā)動機的概念，在 SABRE 發(fā)動機中“熱源”空氣和“冷源”液氫有氦氣的布雷頓循環(huán)[18]，改善了金屬在高溫高壓下的氫脆問題，動力系統(tǒng)的安全性和大增加。如圖 1.1 為 SABRE 發(fā)展歷程與未來計劃[19]。

置有氦氣的布雷頓循環(huán)[18]，改善了金屬在高溫高壓下的氫脆問題，動力系統(tǒng)的安全性和可行大大增加。如圖 1.1 為 SABRE 發(fā)展歷程與未來計劃[19]。圖 1.1 SABRE 發(fā)展歷程與未來計劃SABRE 發(fā)動機在 Ma0-5.5 為吸氣模式，通過吸入大氣中的氧氣并預冷后作為氫氣的氧化，當 Ma 大于 5.5，為火箭模式，關閉進氣道，通過自身攜帶的液氧作為氧化劑[22]。SABRE動機與常見的航空航天發(fā)動機性能對比如圖 1.2、1.3 所示，SABRE 發(fā)動機將渦噴發(fā)動機、沖發(fā)動機、火箭發(fā)動機有機耦合在一起，推重比優(yōu)于傳統(tǒng)的吸氣類航空發(fā)動機，比沖大于傳統(tǒng)火箭發(fā)動機，具有寬速域、大空域、模態(tài)轉(zhuǎn)化次數(shù)少及系統(tǒng)集成度高等優(yōu)點。

置有氦氣的布雷頓循環(huán)[18]，改善了金屬在高溫高壓下的氫脆問題，動力系統(tǒng)的安全性和可行大大增加。如圖 1.1 為 SABRE 發(fā)展歷程與未來計劃[19]。圖 1.1 SABRE 發(fā)展歷程與未來計劃SABRE 發(fā)動機在 Ma0-5.5 為吸氣模式，通過吸入大氣中的氧氣并預冷后作為氫氣的氧化，當 Ma 大于 5.5，為火箭模式，關閉進氣道，通過自身攜帶的液氧作為氧化劑[22]。SABRE動機與常見的航空航天發(fā)動機性能對比如圖 1.2、1.3 所示，SABRE 發(fā)動機將渦噴發(fā)動機、沖發(fā)動機、火箭發(fā)動機有機耦合在一起，推重比優(yōu)于傳統(tǒng)的吸氣類航空發(fā)動機，比沖大于傳統(tǒng)火箭發(fā)動機，具有寬速域、大空域、模態(tài)轉(zhuǎn)化次數(shù)少及系統(tǒng)集成度高等優(yōu)點。

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本文編號：2797428