李力

摘要：并聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動機原理樣機由小型渦扇發(fā)動機與沖壓發(fā)動機并聯(lián)，共用進排氣裝置組成。本論文主要研究并聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動機的工作原理以及模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗方案，通過高空模擬對其原理及方案進行驗證。

Abstract： The principle prototype of a parallel turbo ramjet combined engine is composed of a small turbofan engine and a ramjet in parallel， sharing intake and exhaust devices. This thesis mainly studies the working principle of the parallel turbo ramjet combined engine and the modal conversion test scheme， and verifies its principle and scheme through high-altitude simulation.

關(guān)鍵詞：并聯(lián)式渦輪沖壓組合動力;模態(tài)轉(zhuǎn)換;試驗方案

Key words： parallel turbine stamping combined power;modal conversion;test plan

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0003-03

1? 基本概念及原理

渦輪沖壓組合發(fā)動機是通過將渦扇發(fā)動機和沖壓發(fā)動機組合起來使用的變循環(huán)吸氣式發(fā)動機。根據(jù)渦扇發(fā)動機和沖壓發(fā)動機主要部件的關(guān)系和流程分為串聯(lián)布局和并聯(lián)布局。沖壓發(fā)動機按其工作模態(tài)分為亞燃、超燃和雙燃沖壓發(fā)動機。亞燃沖壓發(fā)動機采用超音速進氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，推進速度可達6倍音速;超燃沖壓式發(fā)動機在Ma4～4.5左右開始投入運行，飛行速度高達Ma5～16，理論上可以達到Ma25左右;而在雙燃沖壓發(fā)動機中，實現(xiàn)了亞燃和超燃兩種工作模態(tài)有機結(jié)合，其運行限速約為Ma3，最大飛行速度約為Ma6.5。

串聯(lián)式TBCC迎風(fēng)面積小，推重比高，但由于其需要在很寬的工作范圍內(nèi)保證高總壓恢復(fù)系數(shù)，并且在沖壓模式下渦輪發(fā)動機仍需穩(wěn)定工作，設(shè)計難度大;并聯(lián)式TBCC迎風(fēng)面積較大，雖然推重比較低，但研制難度較小、周期短。

1.1 串聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機工作原理

串聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機在起飛和加速期間，組合發(fā)動機以渦輪模態(tài)工作，沖壓環(huán)形通道的閥門將沖壓通道關(guān)閉，以防止渦輪發(fā)動機排氣經(jīng)過沖壓通道回流到渦扇發(fā)動機的進口。當飛行器加速達到?jīng)_壓發(fā)動機工作狀態(tài)時，渦輪發(fā)動機減速至慢車狀態(tài)或停止工作，沖壓環(huán)形通道打開，進氣道捕獲的空氣經(jīng)環(huán)形通道進入沖壓燃燒室，組合發(fā)動機以沖壓模態(tài)工作。渦輪發(fā)動機可以根據(jù)不同飛行速度選擇發(fā)動機處于慢車狀態(tài)、風(fēng)車狀態(tài)或關(guān)閉發(fā)動機進、出口閥門使發(fā)動機停車。

1.2 并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機工作原理

并聯(lián)式渦輪沖壓組合動力在起飛狀態(tài)由渦輪發(fā)動機地面起動，將飛行器爬升加速到渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的模態(tài)轉(zhuǎn)換點，在此過程中，沖壓發(fā)動機不進行點火工作，沖壓流道保持打開狀態(tài)，以減少流阻損失;模態(tài)轉(zhuǎn)換階段，沖壓發(fā)動機點火，渦輪發(fā)動機逐步節(jié)流，進氣分流機構(gòu)配合噴管喉部面積變化重新分配渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的進氣量，直至進氣道捕獲的空氣全部進入沖壓發(fā)動機，渦輪發(fā)動機停止工作并關(guān)閉前后通道;完成模態(tài)轉(zhuǎn)換后，沖壓發(fā)動機單獨工作，飛行器進一步爬升加速到設(shè)計的巡航高度和速度，組合發(fā)動機進入巡航狀態(tài);返航初始階段，沖壓發(fā)動機在高空節(jié)流減速，直到接近飛行器能自主飛行的最小速度，沖壓停止工作;下滑階段，飛行器逐漸下降到合適高度，進一步減速到一定速度后，渦輪發(fā)動機進氣流道逐漸打開，渦輪發(fā)動機進行風(fēng)車啟動，投入工作，在渦輪發(fā)動機作用下實現(xiàn)飛行器的自主著陸。

串聯(lián)式TBCC主要難點在于組合動力的設(shè)計，包括高溫、高速下渦輪發(fā)動機的改進設(shè)計，加力/沖壓雙模態(tài)燃燒室設(shè)計以及熱管理、熱防護和高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)。而并聯(lián)式TBCC重點需突破動力應(yīng)用，即飛/發(fā)一體化設(shè)計和進排氣系統(tǒng)的設(shè)計。相對而言，并聯(lián)式TBCC由于渦輪發(fā)動機在沖壓模態(tài)下關(guān)閉，只有非旋轉(zhuǎn)部件承受高溫氣流的沖擊，材料較串聯(lián)式TBCC要求較低。同時，并聯(lián)式TBCC在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也更為簡單。

2? 并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機原理樣機結(jié)構(gòu)形式

并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機原理樣機是由小型渦扇發(fā)動機核心機和小型沖壓發(fā)動機上下并聯(lián)組成，使用共同的進排氣裝置，通過進排氣裝置的分流板將渦輪涵道與沖壓涵道分開。兩者共同進氣、分別排氣，進氣裝置分流板幾何不可調(diào)，排氣裝置由兩個相對獨立的單邊膨脹噴管組成，噴管幾何不可調(diào)。小型渦扇發(fā)動機核心機主要由高壓壓氣機、短環(huán)形燃燒室、高壓渦輪、單邊噴管以及燃油與控制系統(tǒng)、起動電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等組成;小型沖壓發(fā)動機主要由亞燃沖壓燃燒室、單邊膨脹噴管、燃油與控制系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等組成。

3? 并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機原理樣機高空臺模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗

3.1 試驗?zāi)康?/p>

并聯(lián)式組合沖壓發(fā)動機原理樣機高空模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗主要目的在于實現(xiàn)渦輪發(fā)動機向沖壓發(fā)動機的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，以檢驗渦輪發(fā)動機與沖壓發(fā)動機組合工作能力，在沖壓發(fā)動機狀態(tài)變化過程渦輪發(fā)動機的穩(wěn)定工作能力等。沖壓基向渦輪基的逆轉(zhuǎn)換過程，主要檢驗沖壓基關(guān)閉后，渦輪發(fā)動機在原有的空中起動包線內(nèi)能否成功起動。

3.2 試驗方案

根據(jù)小型沖壓發(fā)動機和小型渦扇發(fā)動機核心機的工作包線，確定并聯(lián)式組合動力原理樣機工作包線及模態(tài)裝換點位置。組合沖壓發(fā)動機模態(tài)轉(zhuǎn)換點為高空高馬赫數(shù)狀態(tài)點，直接進行組合沖壓發(fā)動機高空臺模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗存在較大難度，為此，通過分步試驗、逐項驗證來降低技術(shù)風(fēng)險，首先進小型沖壓發(fā)動機摸底試驗，根據(jù)摸底試驗結(jié)果，結(jié)合小型渦扇發(fā)動機核心機工作包線開展核心機摸底試驗。

綜合考慮渦輪發(fā)動機的工作能力、沖壓發(fā)動機的點火性能和摸底試驗結(jié)果及試驗設(shè)備能力，選取合適狀態(tài)點為組合發(fā)動機的模態(tài)轉(zhuǎn)換點，由渦輪基向沖壓基的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，渦輪發(fā)動機逐漸節(jié)流直至慢車狀態(tài)，沖壓發(fā)動機逐漸增大狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)換過程完成。

3.3 試驗步驟

3.4 模態(tài)轉(zhuǎn)換完成條件

本項試驗的主要目的在于驗證渦輪基向沖壓基轉(zhuǎn)換的過程，轉(zhuǎn)換成功的關(guān)鍵在于渦輪基工作期間，沖壓發(fā)動機能否點燃并穩(wěn)定工作。

因模態(tài)轉(zhuǎn)換完成后組合發(fā)動機沖壓燃燒室出口最高溫度將升至近2000K，常規(guī)溫度傳感器難以達到該要求。轉(zhuǎn)換過程中沖壓發(fā)動機處于低狀態(tài)工作，其點火成功后無法及時觀測到噴管出口火焰情況。同時，在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機在推力和空氣流量上均有一定變化。圖1、圖2分別模擬了組合沖壓發(fā)動機在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中渦輪發(fā)動機、沖壓發(fā)動機和組合發(fā)動機在各狀態(tài)下的推力及空氣流量變化情況。

因此，模態(tài)轉(zhuǎn)換成功與否，可間接通過監(jiān)測組合發(fā)動機的推力、進口總壓和沖壓燃燒室隔熱屏壁溫的變化情況來進行判斷。

3.5 試驗過程

模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗各步驟過程詳見圖3。

由圖3可知，沖壓發(fā)動機主油路供油后，隨著余氣系數(shù)α的降低，沖壓發(fā)動機空氣流量減小，進口總壓升高，隔熱屏壁溫、噴管壁溫相應(yīng)升高;渦輪發(fā)動機空氣流量增大，壓比減小，渦輪后溫度降低。模態(tài)轉(zhuǎn)換順利完成，整個過程組合發(fā)動機工作穩(wěn)定。

4? 結(jié)語

渦輪沖壓組合動力的模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)是發(fā)動機實現(xiàn)兩種模態(tài)轉(zhuǎn)換，并正常穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)。通過并聯(lián)式TBCC原理樣機的高空模擬試驗，摸索了組合沖壓發(fā)動機試驗方法與試驗技術(shù)，初步驗證了并聯(lián)式TBCC組合動力的模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，驗證了組合沖壓發(fā)動機的設(shè)計和計算方法。

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