【摘要】：協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SABRE)作為目前非常具有研究價(jià)值的吸氣預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,部件之間耦合性強(qiáng)�？諝忸A(yù)冷器是SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,其功能是在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣與低溫氦氣的高效換熱,如何實(shí)現(xiàn)大溫差、高效緊湊、輕質(zhì),是預(yù)冷吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的核心設(shè)計(jì)技術(shù)。本文針對(duì)SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)系統(tǒng),對(duì)SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)建模,研究了SABRE型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)性能的主要影響因素及其影響規(guī)律,對(duì)于SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)系統(tǒng)具有重要的理論與實(shí)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(dòng)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(duì)SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)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(duì)預(yù)冷器流動(dòng)換熱特性的影響。通過研究發(fā)現(xiàn):預(yù)冷后空氣溫度每上升10K,SABRE-3發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)單位推力下降約15%,比沖下降了45%;增大SABRE-4預(yù)冷器空氣側(cè)總壓恢復(fù)系數(shù)雖然會(huì)略微降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力以及比沖,但降低了空氣壓氣機(jī)的出口空氣溫度;增大氦一路流量,略微降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的比沖。增大預(yù)冷器的管間距會(huì)提高預(yù)冷器空氣側(cè)平均換熱系數(shù),減小空氣總壓損失,但會(huì)降低空氣的預(yù)冷效果;增大管排數(shù)雖然會(huì)降低空氣側(cè)平均換熱系數(shù),但可以降低預(yù)冷后空氣溫度,增強(qiáng)預(yù)冷效果;增大氦氣/空氣熱容量比,能夠同時(shí)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(duì)于空氣側(cè)、氦氣側(cè)換熱幾乎沒有影響,但對(duì)空氣側(cè)總壓恢復(fù)系數(shù)有較大影響。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V430
【圖文】：

吸氣預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)及預(yù)冷器傳熱特性研究1982 年，英國提出了可重復(fù)使用、水平起降的單級(jí)入軌運(yùn)載器 HOTOL 項(xiàng)目，其中動(dòng)力名為 RB545[3][21]。該發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)“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(chǔ)上，REL89 年提出了 SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，在 SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)劃[19]。圖 1.1 SABRE 發(fā)展歷程與未來計(jì)劃SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)在 Ma0-5.5 為吸氣模式，通過吸入大氣中的氧氣并預(yù)冷后作為氫氣的氧化，當(dāng) Ma 大于 5.5，為火箭模式，關(guān)閉進(jìn)氣道，通過自身攜帶的液氧作為氧化劑[22]。SABRE動(dòng)機(jī)與常見的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比如圖 1.2、1.3 所示，SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)將渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、沖發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)耦合在一起，推重比優(yōu)于傳統(tǒng)的吸氣類航空發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖大于傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(diǎn)。

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(dòng)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(jì)劃[19]。圖 1.1 SABRE 發(fā)展歷程與未來計(jì)劃SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)在 Ma0-5.5 為吸氣模式，通過吸入大氣中的氧氣并預(yù)冷后作為氫氣的氧化，當(dāng) Ma 大于 5.5，為火箭模式，關(guān)閉進(jìn)氣道，通過自身攜帶的液氧作為氧化劑[22]。SABRE動(dòng)機(jī)與常見的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比如圖 1.2、1.3 所示，SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)將渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、沖發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)耦合在一起，推重比優(yōu)于傳統(tǒng)的吸氣類航空發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖大于傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(diǎn)。

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本文編號(hào)：2797428