冲压发动机技术.ppt

冲压发动机 是一种吸入空气 利用空气中的氧 与燃料或富燃燃气进一步反应 高速喷出获得推力的动力装置 第六章冲压推进技术 第六章冲压推进技术 回忆与总结 a 发动机推力 b 推力系数 c 喷管流动的三种膨胀状态 d 喷管排气速度 e 比冲 f 混合比 g 固体推进剂的燃气生成率 中心锥 进气道 唇口 进气口 整流罩 唇罩 外罩 燃烧室 喷管 典型冲压发动机结构示意图 因此 冲压发动机是一种吸气式发动机 air breathingengines 冲压发动机比冲变化示意图 根据燃料的形式 冲压发动机分为 a 固体推进剂冲压发动机 简称固体冲压发动机 b 液体推进剂冲压发动机 简称液体冲压发动机 按结构和工作原理 固体推进剂冲压发动机主要分为 a 固体火箭冲压发动机 又称管道火箭DR ductedrockets b 固体燃料冲压发动机 SFRJ solidfuelramjets c 整体式冲压发动机 又称集成式冲压发动机 integratedramjets 弹头 冲压发动机燃料 空气进气道 固体火箭推进剂 冲压发动机喷管 可抛掉的火箭喷管内衬 可爆破进气口 整体式火箭冲压发动机集成了火箭和火箭冲压发动机 由火箭提供助推加速到超声速2马赫数以上 然后冲压发动机工作 其典型部件为可爆破进气口 可抛掉的火箭喷管和共用燃烧室 整体式冲压发动机结构原理图 6 1推力6 2火箭冲压发动机6 3固体燃料冲压发动机6 4进气道 6 1推力 与前述发动机相比 结构上吸气式发动机 如冲压发动机 的显著不同是存在进气道 从动力学分析 它对推力存在影响 冲压发动机的输入动量与输出动量 maVa mVe 回忆 火箭发动机的推力公式 a b x p paAa peAe mVe maVa pa 冲压发动机控制体示意图 取整个冲压发动机为控制体 满足动量定律 合力R包括四部分力 为 结合上述两式 得 R F 表面压差 研究发动机只考虑发动机的输出动力 而不考虑其他力 故取 称为发动机的名义推力 或内推力 定义空燃比 回忆 混合比 给定空燃比 则 一般冲压发动机中 燃料流量很小 即 因此 初步设计时 可取 完全膨胀 与推力有关的几个性能参数 a 单位迎面推力 发动机推力与最大横截面积之比 即 c 推重比 单位重量所产生的推力 即 d 推力系数 定义为单位迎风面积的推力与迎面气流动压的比值 即 b 比冲 单位时间燃烧单位质量推进剂所产生的推力 即 例 已知某冲压发动机固体燃料密度rp 1600kg m3 燃烧面积Ab 0 1m2 燃速 0 8mm s 飞行马赫数Ma 2 5 进口流束面积Aa 0 002m2 设喷管扩张比为1 5 燃烧室燃烧温度T0 1800K 燃气的气体常数Rg 320J kg K 比热比g 1 3 试计算发动机的推力和比冲 已知高空空气ra 1 0kg m3 a 300m s 完全膨胀 解 由推力公式 完全膨胀时 只要分别计算各个参数即可 a b c d m s kg s kg s kg s m s N 练习 试计算比冲的大小 6 2火箭冲压发动机 火箭冲压发动机是火箭与冲压相对独立的一种冲压发动机 火箭冲压发动机示意图 a 这里的火箭又称为燃气发生器 gasgenerator 根据喷出燃气是否达到临界状态 火箭冲压发动机由分为临界火箭冲压发动机和非临界火箭冲压发动机两种 其设计必须考虑外压的影响 即p0和p1的关系 火箭冲压发动机的工作压强p1常较低 一般4 6MPa以下 故喷喉较大 b 火箭燃气与空气要充分混合 以提高燃烧效率 故一般燃烧室较长 c 燃烧室中的流动可以近似为加热流动 Q12 1 2 燃烧室加热流动示意图 连续方程 动量方程 能量方程 等通道A不变 h01 h02 冲压发动机中常用加热比来表示加热量的多少 即 加热量Q12与加热比q的关系为 思考 为什么 由能量方程 练习 某冲压发动机燃烧室入口总温T01 350K 燃烧加入的热量达到Q12 1306kJ kg 求发动机的加热比 已知燃气的气体常数Rg 287 04J kg K 比热比g 1 3 例 某冲压发动机燃烧室入口总温T01 350K 燃烧加入的热量达到Q12 1306kJ kg 求发动机的加热比 已知燃气的气体常数Rg 287 04J kg K 比热比g 1 3 解 J kg K 6 3固体燃料冲压发动机 固体燃料冲压发动机是一种固体燃料与空气冲压过程浑然一体的发动机 因此 结构上简单紧凑 效率高 固体燃料冲压发动机示意图 a 与火箭冲发动机相比 结构简单 比冲高 一般工作压强更低 一般1MPa以下 故喉部直径更大 b 固体燃料冲压发动机的燃烧稳定性主要由突扩燃烧室的突扩比决定 突扩比eA定义为突扩燃烧室内截面面积与空气进口截面面积之比 eA A3 A2突扩台阶可以形成流动的再附着点 reattachmentpoint 和涡流区 形成流速相对较低的区域 起到火焰稳定器的作用 从而增加燃烧稳定性 二次进气固体燃料冲压发动机示意图 c 有时为了充分燃烧 还采用二次进气的结构 d 突扩燃烧室中的流动为加质 加热的多驱动势流动 补燃室中的流动与火箭冲压的燃烧室流动相同 突扩燃烧室流动控制体 下面分析突扩燃烧室的流动规律 取控制体如图所示 连续方程 动量方程 能量方程 引入流量比 流量比与空燃比的关系 同样引入加热比表示能量的加入 即 突扩燃烧室典型参数变化规律 突扩总压恢复系数 6 4进气道 冲压发动机依靠空气提供的氧与燃料燃烧才能进行有效的工作 因此 如何让空气高效率的进入发动机是冲压发动机首先要解决的问题 这就是进气道设计 中心锥进气道立体图 中心锥 进气道 唇口 进气口 整流罩 唇罩 外罩 燃烧室 喷管 典型冲压发动机结构示意图 进气道需要实现的功能包括 扩压 降速 高效 总压恢复系数和动能效率 总结 a 亚声速流动在收敛通道的流动规律 b 亚声速流动在扩张通道的流动规律 c 超声速流动在收敛通道的流动规律 d 超声速流动在扩张通道的流动规律 e 什么是Laval喷管 其流动规律是什么 f 什么是扩压器 冲压发动机进气道参数变化 总压恢复系数 动能效率 2进气道出口p2p02V2a 1自由流pap0aVa 6 4 1进气道分类6 4 2亚声速进气道6 4 3超声速进气道 6 4 1进气道分类 按结构分为中心进气道和侧进气道 中心进气道侧进气道 按进气道形状分为锥形进气道 半锥形进气道 二元进气道 下颔式 或下颏式 进气道等 一般二元进气道 下颔式进气道具有较高的升阻比和较宽的攻角适应性 后置四半锥形进气道和双下侧二元进气道 下颔式进气道 按空气流动马赫数分为亚声速进气道和超声速进气道 亚声速进气道主要应用在民航飞机等亚声速飞行的飞行器上 超声速进气道主要应用在超声速飞行的飞行器上 不管是亚声速进气道还是超声速进气道 都要求空气以亚声速速度离开进气道而进入燃烧室 超声速燃烧的冲压发动机除外 每类又可分为外压式进气道和内压式进气道 外压式进气道是指压缩过程发生在进气道之外的自由流中 内压式进气道是指压缩过程发生在进气道的内部 返回 6 4 2亚声速进气道 亚声速进气道所截获的空气在它的整个流道上全是亚声速的 分为外压式和内压式两类 外压式亚声速进气道 其特点是进气道是等截面的 空气压缩全部发生在进气道口1截面的上游 由于没有固体壁面磨擦 因此 外部压缩过程是等熵的 空气均匀来流不断减速 为保持流量相等 必然A1 Aa Aa称为截获面积 或捕获面积 在进口前缘会发生溢流 故一般不宜用于高亚声速范围 因为 其压缩会产生较大外部阻力 V1 Aa 进口截面A1 等熵压缩 外压式亚声速进气道示意图 Ma0V0 内压式亚声速进气道 它被用于所有的空气喷气发动机上 其特点是进气道是截面扩张的 A2 A1 Aa 空气压缩发生在进气道内部 由于存在壁面磨擦 因此 压缩过程是不等熵的 扩压器长度的设计需要折衷考虑 压缩过程尽可能缓慢以降低总压损失从而增加长度 Ma 0 4时扩张半角在5 7 高亚声速时还须降低 摩擦损失随长度的增加而增加从而需要减短长度 A0 Ma0V0 内流 A1 A2 V2 内压式亚声速进气道示意图 返回 6 4 3超声速进气道 超声速进气道主要有如下几种类型 a 正激波超声速进气道 b 收敛扩张型超声速进气道 c 锥形超声速进气道 航天飞机下降过程中产生的激波 速度达子弹的9倍 正激波超声速进气道 其特点是进气道是等截面的 它利用正激波的压缩特性实现超声速流动的减速增压 由于穿过正激波总压会发生损失 当Ma 1 80时 总压损失急剧增加 因此 该进气道一般适宜于Ma 1 80的低超声速范围 正激波超声速进气道示意图 Ma0 1 Ma0 1 Ma0 1 斜激波 正激波 斜激波 Aa 弓形激波 溢流 Aa A1 A1 Aa A1 斜激波 正激波 a 设计状态激波位于进口 临界 b 增加反压激波推出 亚临界 c 降低反压激波吸入 超临界 正激波超声速进气道原理 收敛扩张型超声速进气道利用收敛扩张喷管流动的逆过程实现超声速流动的减速增压 回忆 Laval喷管的流动规律 对于固定收敛比的流道 扩压过程的启动十分困难 需要利用 超速 来实现启动 即如果设计点为Ma 1 8 可能需要达到Ma 3 2才能启动 可采用可变几何形状的进气道来解决启动问题 但结构太复杂 在二维平面型进气道中有应用的报道 Ma 1 Ma 1 Ma 1 收敛扩张型超声速进气道示意图 Ma0 1 锥形超声速进气道利用锥形激波 斜激波 的压缩特性实现超声速流动的减速增压 其总压损失比正激波要小很多 其特点是采用中心锥结构 分为外压式和混合压缩式两类 外压式锥形超声速进气道示意图 Ma0 1 Ma0 1 Ma0 1 Ma 1 Ma 1 Ma 1 Ma 1 Ma 1 Ma 1 离体激波 锥形激波 a 设计状态激波位于进口 临界 b 增加反压激波推出 亚临界 c 降低反压激波吸入 超临界 外压式锥形超声速进气道原理 外压式锥形超声速进气道的超声速压缩全部发生在进气道外部 根据下游出口反压的大小不同 同样有临界 亚临界和超临界三种情况 外压式锥形超声速进气道在唇口产生的正激波强度还很强 有较大的总压损失 为降低正激波强 常采用混合压缩式超声速进气道 它以超声速进入进气道 产生一系列斜激波 最后是一道正激波 使超声速气流强度逐渐降低 锥形激波 正激波 Ma0 1 斜激波 Ma 1 混合压缩式锥形超声速进气道示意图 斜激波是由流动偏转角产生的 即图中所示的中心锥半角 如果流动偏转角逐渐偏转 那么 会产生若干斜激波 从而降低激波强度 如果由无限多角度逐渐偏转 使超声速气流等熵地减速到声速 这种中心锥称为等熵锥 如图所示 中心锥由两个角过渡 形成a b两道斜激波 可大大降低斜激波强度 这种结构成为双锥进气道 Ma0 1 a b d1 d2 双锥超声速进气道示意图 因此 锥形超声速进气道按偏转角的数量可分为 a 单锥进气道 b 双锥进气道 c 多锥进气道 d 等熵锥进气道 进气道的能量损失主