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燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统总体性能及匹配分析

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航空学报 2024年第10期45卷 160-173页

作者：姬志行王占学程莉雯秦江刘禾西北工业大学动力与能源学院西安710000 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150001

为大幅减小发动机耗油率,降低碳排放,提升飞机续航能力,提出了基于碳氢燃料的燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统,通过预重整和高温燃料电池实现碳氢燃料的电化学利用并避免传统氢燃料电池飞机储氢困难、体积能量密度小的问题,另一方面,... 详细信息

为大幅减小发动机耗油率,降低碳排放,提升飞机续航能力,提出了基于碳氢燃料的燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统,通过预重整和高温燃料电池实现碳氢燃料的电化学利用并避免传统氢燃料电池飞机储氢困难、体积能量密度小的问题,另一方面,利用燃气涡轮增加燃料电池功率密度,减小其体积和质量。以MQ-1无人机为匹配对象,通过建立推进系统质量和热力学性能模型,对混合系统进行了部件参数匹配分析。随着燃料利用率减小,燃料电池极化减小,换热器平均换热温差增加,因而混合推进系统质量急剧下降,耗油率大幅上升,该航空混合系统质量与总效率的优化方向相反。随压比增加,燃料电池功率和质量增加幅度较大,导致飞机载油量降低,但在燃料电池电流密度为常数时,对燃料电池和混合系统效率影响较小。设计条件下,混合系统中燃料电池和换热器占据混合系统质量的主要部分,超过70%。相比原型内燃机动力,混合推进系统质量约增加40%,但热效率可提高约111%。此外,混合推进系统可满足飞机在爬升阶段和巡航阶段的功率需求,装备该动力的无人机续航时间可提高97%。

关键词：燃料电池低碳航空混电飞机氢能动力性能匹配长航时

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面向巡航任务的自适应循环发动机进/发匹配

航空学报 2024年第2期45卷 104-115页

作者：王一凡陈浩颖张海波南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

进/发匹配是整个推进系统稳定、高效、经济工作的前提。针对自适应循环发动机的进/发匹配问题开展研究,提出利用自适应循环发动机特有的FLADE (Fan on Blade)部件实现亚/超声速巡航任务下的进/发匹配。首先,根据进/发匹配原理,分析了超... 详细信息

进/发匹配是整个推进系统稳定、高效、经济工作的前提。针对自适应循环发动机的进/发匹配问题开展研究,提出利用自适应循环发动机特有的FLADE (Fan on Blade)部件实现亚/超声速巡航任务下的进/发匹配。首先,根据进/发匹配原理,分析了超声速进气道流量特性与FLADE部件的作用,在此基础上发展了超声速进气道/自适应循环发动机一体化数学模型;其次,研究了FLADE导叶开、闭状态下发动机的高度、速度特性,结合战机的亚/超声速巡航任务需求,设计了自适应循环发动机进气道捕获面积以实现进/发匹配;最后,在发动机亚/超声速巡航任务点进行了模拟仿真,结果表明在亚声速巡航点打开FLADE导叶吞入溢流能够使进气道的工作点从亚临界向临界状态移动,推进系统降低10.5%的油耗和1%的安装损失,在超声速巡航点下为同时满足进/发匹配特性及发动机安装推力需求,则需要关闭FLADE导叶提高推进系统的单位推力。

关键词：自适应循环发动机进/发匹配 FLADE 超声速进气道安装性能

蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

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推进技术 2024年第2期45卷 161-172页

作者：王泽铭徐文峰任国哲孙丹李玉温帅方沈阳航空航天大学航空发动机学院辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室辽宁沈阳110136

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动... 详细信息

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明:蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下(封严间隙大于0.5 mm),蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动(频率大于120 Hz)时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。

关键词：篦齿封严蜂窝衬套泄漏特性动力特性公式构造

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基于双层壁冷却结构的综合冷效数值解耦研究

航空动力学报 2024年第5期39卷 71-79页

作者：刘润洲李海旺由儒全黄毅陶智北京航空航天大学航空发动机研究院北京102206 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京102206 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室北京102206

采用数值解耦的方法,定量分析了双层壁平板冷却结构的综合冷效与内部冷却、气膜孔内冷却和冷气覆盖之间的关系。吹风比为0.25、0.5、1和1.5。通过研究发现,吹风比对双层壁模型的综合冷效有明显影响。当吹风比由0.25增大到1.5时,综合冷... 详细信息

采用数值解耦的方法,定量分析了双层壁平板冷却结构的综合冷效与内部冷却、气膜孔内冷却和冷气覆盖之间的关系。吹风比为0.25、0.5、1和1.5。通过研究发现,吹风比对双层壁模型的综合冷效有明显影响。当吹风比由0.25增大到1.5时,综合冷效增大57.9%。内部冷却占主导地位的区域主要是冲击气流的驻点区。气膜孔内冷却影响最大的区域为气膜孔出口的上游,而且沿流向孔内冷却的影响逐渐减小。冷气覆盖对综合冷效的影响沿流向逐渐积累,在第3个气膜孔出口附近冷气覆盖的影响最大。而且在冷气覆盖区域的影响要大于在远离气膜孔区域的影响。当吹风比增大至1时,孔内冷却对综合冷效的影响已经超过了冷气覆盖。

关键词：综合冷效气膜冷却内部冷却解耦吹风比平板模型

红外窗口对封装黑体辐射理想度的影响及修正方法

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光子学报 2024年第7期53卷 153-165页

作者：张镜洋孟令琪牟新竹沈萍绪升南京航空航天大学航天学院南京211106

针对宽温域黑体有封装红外窗口介入而影响黑体理想度的问题,建立了面源黑体靶面热光耦合仿真模型,利用Monte-Carlo光线追迹法分析了窗口对黑体7.5μm~13μm波段表观辐射通量的影响规律及内因,提出并验证了符合实际表观辐射通量的定标温... 详细信息

针对宽温域黑体有封装红外窗口介入而影响黑体理想度的问题,建立了面源黑体靶面热光耦合仿真模型,利用Monte-Carlo光线追迹法分析了窗口对黑体7.5μm~13μm波段表观辐射通量的影响规律及内因,提出并验证了符合实际表观辐射通量的定标温度修正方法。结果表明:定标温度为−50℃~+50℃时,定标温度越低于环境温度,定标温度与实际表观辐射通量对应的表观温度间正误差越大,反之则负误差越大,最大可达−4℃~+13℃,这是因为窗口存在增强杂散辐射与衰减靶面发射辐射正逆博弈影响表观辐射通量的效应。提出了关联环境温度与定标温度的定标温度修正方法,实验实测下该方法可使修正后的定标温度最大误差缩减50%以上,提升了基于封装黑体的红外定标精度。

关键词：光学窗口黑体辐射红外探测器定标 Monte-Carlo方法温度修正

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静态篦齿封严温变效应产生机理数值研究

航空动力学报 2024年第2期39卷 115-123页

作者：李昶威孙丹赵欢王泽铭张然沈阳航空航天大学航空发动机学院辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室沈阳110136

采用理论分析和数值计算的方法系统地研究了静态篦齿封严温变效应产生机理和影响因素,对静态篦齿封严温变效应进行了理论分析,建立了基于RNG(renormalization group)k-ε湍流方程的数值求解模型。研究了静态篦齿封严温变效应,分析了压... 详细信息

采用理论分析和数值计算的方法系统地研究了静态篦齿封严温变效应产生机理和影响因素,对静态篦齿封严温变效应进行了理论分析,建立了基于RNG(renormalization group)k-ε湍流方程的数值求解模型。研究了静态篦齿封严温变效应,分析了压比和相对封严间隙对温变效应的影响规律,揭示了静态篦齿封严温变效应产生机理。结果表明:气体流经封严间隙温度先降低后升高,从涡流中心到外缘温度升高,齿腔近壁面气体温度升高。篦齿封严局部气体温度既有升高也有降低,总体上温度沿轴向降低;静态篦齿封严气体温度随压比和相对封严间隙的增加而降低,当压比为1.6,相对封严间隙为1.6时,温降最多为4.70 K;静态篦齿封严的温变效应主要是由其节流效应、热力学效应和摩擦效应产生。气体在间隙由于节流效应,分子动能减小,在齿腔由于热力学效应,涡流中心动能传递给涡流外缘,在齿腔近壁面由于摩擦效应,气体动能转换为热能。研究成果为篦齿封严间隙气流热分析提供了理论依据。

关键词：静态篦齿封严温变效应节流效应热力学效应摩擦效应

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单外涵变循环发动机变几何特性仿真

航空发动机 2024年第2期50卷 52-57页

作者：牟园伟王奉明朱大明中国航空发动机研究院北京101304 先进航空动力创新工作站北京101304

为了研究单外涵变循环发动机变几何性能收益,建立了一种单外涵变循环发动机总体性能仿真模型,并通过算例验证了仿真模型的计算精度。根据不同飞行状态的发动机控制规律和最优控制目标,模拟生成3种变几何方案最佳变几何参数以及最佳节流... 详细信息

为了研究单外涵变循环发动机变几何性能收益,建立了一种单外涵变循环发动机总体性能仿真模型,并通过算例验证了仿真模型的计算精度。根据不同飞行状态的发动机控制规律和最优控制目标,模拟生成3种变几何方案最佳变几何参数以及最佳节流特性和高度-速度特性。结果表明:在设定的控制规律下,相对发动机常规变几何方案(方案1),尾喷管、混合器与低压涡轮导向器可调的变几何方案(方案3)使发动机地面节流状态耗油率降低1.7%~3.0%,超声速巡航推力增大14%~29%,亚声速巡航耗油率降低0.9%~3.1%,在3种变几何方案中性能收益最大;尾喷管与混合器可调的变几何方案(方案2)使发动机地面节流状态耗油率降低1.2%~2.2%,超声速巡航推力增大3%~17%,亚声速巡航耗油率降低0.9%~1.2%,在3种变几何方案中性能收益居中。发动机变几何方案的选择应综合考虑结构复杂度、可靠性、质量等方面的代价与基于特定任务需求的总体性能收益的平衡。

关键词：变循环发动机变几何单外涵仿真模型耗油率

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基于自激扫掠喷嘴的加力燃烧效率实验研究

航空学报 2024年

作者：王士奇温泉贾志刚程奕鑫李林张弛霍伟业马梁中国航空发动机集团有限公司中国航空发动机研究院北京航空航天大学航空发动机研究院北华航天工业学院航空宇航学院中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室

为了验证自激扫掠喷嘴应用于加力燃烧室的可行性，以及高频动态扫掠燃油喷射方法对于提高加力燃烧效率的有效性，本研究首先设计了耦合自激扫掠喷嘴结构的加力燃油喷杆，对其流量、频率、张角等基本工作特性进行测量，并与圆孔直射式喷... 详细信息

为了验证自激扫掠喷嘴应用于加力燃烧室的可行性，以及高频动态扫掠燃油喷射方法对于提高加力燃烧效率的有效性，本研究首先设计了耦合自激扫掠喷嘴结构的加力燃油喷杆，对其流量、频率、张角等基本工作特性进行测量，并与圆孔直射式喷杆进行对比分析。然后，基于矩形加力燃烧室性能测试平台，在相同工况条件和油气比范围内，分别采用直射喷杆和自激扫掠喷杆，测量总体燃烧效率，并监测壁面动态压力脉动信息。结果表明，在10mm直径的加力燃油喷杆内，可实现多个自激扫掠喷嘴的结构耦合；与等几何通径的直射式喷杆相比，自激扫掠喷杆的流通能力提高了23%；同一喷杆内的多个自激扫掠喷嘴，其工作频率和扫掠张角随进口压力的变化规律基本相同，具有较好的一致性。采用自激扫掠喷杆，加力燃烧效率可提高3.7%，且未监测到与自激扫掠喷嘴工作频率相同或接近的压力脉动频率，表明高频动态扫掠燃油喷射不会对火焰热声振荡模态及稳定器后方的大尺度脱落涡结构产生直接影响。

关键词：自激扫掠喷嘴高频动态扫掠喷射加力燃烧室振荡频率压力脉动流体振荡器

旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器集成特性数值研究

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航空学报 2024年第10期45卷 124-144页

作者：孟博威马虎夏镇娟周长省南京理工大学机械工程学院特种动力技术教育部重点实验室南京210094

为了研究叶栅稠度对旋转爆轰燃烧室-涡轮导向器流场分布和工作特性的影响,以便进一步优化旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器的相关设计,基于SST k-ω黏性湍流模型求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes控制方程,并结合间歇因子转捩模型,爆轰燃... 详细信息

为了研究叶栅稠度对旋转爆轰燃烧室-涡轮导向器流场分布和工作特性的影响,以便进一步优化旋转爆轰燃烧室与涡轮导向器的相关设计,基于SST k-ω黏性湍流模型求解二维非定常雷诺平均Navier-Stokes控制方程,并结合间歇因子转捩模型,爆轰燃烧机理采用正癸烷-空气单步反应,通过在初始流场施加高温高压区诱发爆轰波,分别对具有6种不同叶栅稠度导向器和不具备导向器的旋转爆轰燃烧室开展数值计算,对瞬态流场演变和波系结构进行了讨论分析,评估了不同叶栅稠度下导向器的工作特性。研究结果表明:导向器上下游均形成了动态的耙式激波包络面,其结构和强度受叶栅稠度影响,爆轰流场特性保证了叶栅通道自起动能力。导向器抑制了上游压力峰值,峰值衰减率最高可达60.87%。爆轰燃烧的总压增益得到提高,导向器出口增压比最高为1.24,出口增压比频率与叶栅稠度大小呈正相关,最高可达143.33 kHz。叶栅通道对爆轰产物具有一定流动调节能力,时均落后角最小为1.84°,出口时均马赫数最高为1.38,此外出口气流角均匀性显著提高。研究结果揭示了导向器对提高连续旋转爆轰涡轮发动机性能的潜在价值,对该种发动机的设计优化以及工程化应用提供了一定指导。

关键词：旋转爆轰燃烧室涡轮导向器叶栅稠度流场结构工作特性