液体冲压发动机直连试车台方案设计及参数分析

论文摘要

发动机高空模拟试验,是利用地面试验设备创造一个近似高空条件的环境,使发动机在这个环境里工作,开展性能、系统匹配性及工作寿命等各种试验,以验证发动机设计的可行性、可靠性以及考核检验调试的方法,对发动机的质量及性能做出评价。因此在正式飞行前,通常要在高空试车台对发动机开展大量的研究性或鉴定性试验。自从1913年冲压发动机的概念提出,世界各国就争相开展研究,同期也研制了一些试验设施,最典型的试验设备就是冲压发动机直连试车台。我国从上世纪60年代起,也研制了部分直连试车台,但随着冲压发动机技术不断向高空高马赫发展,已有的试车台设备老化、指标能力低,已无法满足当今冲压发动机试验的需求,需要尽快针对高压、高温、高真空度的模拟需求,研制马赫数4以上的试车台。本文就是根据以上需求,开展高马赫冲压发动机直连试车台的研制。本文围绕试车台总体方案论证和设计,主要开展冲压发动机高空直连试车台主气路和排气反压模拟系统的设计分析,并对试车台所需要的能源系统进行了需求分析。针对主气路系统的设计,根据冲压发动机试验需求,阐述了基于发动机最小和最大空气流量条件下,经济流速对管径的设计原则,并结合强度需求,给出了主气路系统管路设计条件;结合试验马赫数的要求,在现有暂冲式气源条件下,对总压调节起关键作用的各界面调节阀的设计选择提出了设计要求;另外,对温度模拟的关键设备加热器的设计原理、总体参数和外协技术要求也进行了阐述。针对高空模拟试车台的主体设备排气反压模拟系统,阐述了排气反压模拟系统其作用是将发动机工作时排出燃气抽出,并排向大气,使高空舱内发动机的周围保持所要求的高空度,以达到模拟给定的高度环境。然后详细介绍了排气反压模拟系统的组成超音速扩压器、燃气冷却器的设计方法及设计过程。本文的研究成果已成功应用到冲压发动机直连试车台的研制中,建成的试车台已投入使用,并开展了马赫2~6的直连试验,取得了较好的效果,为高马赫数冲压发动机的研制奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 发动机高空试车台建设的意义
• 1.2 发动机国外高空试车台发展现状
• 1.2.1 美国高空试车台发展现状
• 1.2.2 法国高空试车台发展现状
• 1.2.3 日本高空试车台发展现状
• 1.3 发动机国内高空试车台发展现状
• 1.4 课题背景及内容介绍
• 第二章 高空试车台总体方案
• 2.1 总体技术指标
• 2.2 参数模拟原理
• 2.3 直连高空试车台总体方案简介
• 2.4 能源配置
• 2.4.1 气源
• 2.4.2 发动机燃料源
• 2.4.3 加热器燃料源
• 2.4.4 氧气
• 2.5 方案设计
• 2.5.1 进气方案设计
• 2.5.2 高空舱方案
• 2.5.3 排气反压模拟方案
• 2.6 小结
• 第三章 试车台主气路设计
• 3.1 主气路方案
• 3.1.1 功能和技术指标
• 3.1.2 主气路系统原理图:
• 3.2 管路系统设计
• 3.2.1 管路内径
• 3.2.2 管路壁厚
• 3.2.3 管路计算举例
• 3.2.4 管路法兰确定
• 3.2.5 紧固件确定
• 3.2.6 密封垫片
• 3.2.7 管道热膨胀和支承
• 3.3 主气路调压系统
• 3.3.1 调压方案
• 3.3.2 调节阀特性计算公式
• 3.3.3 调节阀选型方法
• 3.3.4 调节阀选型
• 3.4 加热器设计
• 3.4.1 燃烧学计算公式
• 3.4.2 燃料反应式
• 3.4.3 加热器总体参数计算
• 3.4.4 加热器外协技术要求
• 3.5 主气路系统安装调试
• 3.6 小结
• 第四章 排气反压模拟系统设计
• 4.1 排气系统概述
• 4.2 排气冷却系统
• 4.2.1 喷水量公式推导
• 4.2.2 混合气体体积流量计算
• 4.2.3 喷水量和流量比计算举例
• 4.3 冷却循环水系统
• 4.3.1 冷却循环水系统设计因素
• 4.3.2 冷却循环水计算流程
• 4.4 排气扩压器设计
• 4.4.1 排气扩压器设计概述
• 4.4.2 扩压器结构参数
• 4.4.3 气动参数计算
• 4.4.4 热防护结构参数计算
• 4.5 设计举例
• 4.5.1 目标发动机参数
• 4.5.2 气动结构参数设计
• 4.5.3 热结构设计
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果