串联式TBCC进气道模态转换模拟器设计及其特性分析

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1、航空学报Dec．252016V01．37No123675—3684ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cahkxb@buaa．edu．cn串联式TBCC进气道模态转换模拟器设计及其特性分析刘君，袁化成*，葛宁南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室，南京210016摘要：为了实现涡轮基组合循环(TBCC)推进系统平稳模态转换过程的模拟，在前期风洞试验研究的基础上对串联式TBCC进气道模态转换模拟器进行重新设计。采用线性化及非

2、对称的思路对该模拟器进行设计并对其特性展开数值仿真研究。结果表明：该模拟器不仅需要模拟发动机工况改变引起的背压变化，而且能通过流通截面面积线性变化，实现两个通道的流量分配。该装置的特点是能保证模态转换过程中每一点的涡轮／冲压通道的总堵塞比不变，使本文所研究的进气道在总堵塞比保持为65％时进行模态转换，结尾激波基本维持在喉道等直段内且进气道出1：3马赫数基本维持在0．30，流量系数基本为0．45，涡轮／冲压通道流量呈线性变化，与预期目标一致。关键词：吸气式高超声速推进系统；涡轮基组合循环(TBCC)；串联式TBCC进气道；模态转换模拟器；风洞试验中图分类号：V23

3、6文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)12—3675—10随着空天一体化战略的提出，未来空中优势的争夺将逐渐转变成空天优势的争夺。空天飞行器以其独有的作战优势，受到世界各强国的广泛关注[1。3]。由于空天飞行器的飞行包线较宽，飞行马赫数从亚声速一直延伸至高超声速，因此单一的吸气式推进系统无法满足其飞行任务需求。涡轮基组合循环(TBCC)推进系统综合了涡轮发动机在低速的优势和冲压／超燃冲压发动机在高速的优势，因此可满足该飞行器宽飞行包线的需求。按照布局方式的不同可将涡轮基组合循环推进系统分为串联式和并联式。本文研究的TBCC进气道是为串联形式组合

4、循环发动机而设计，该形式采用涡轮发动机在前，冲压发动机在后的布局，具有发动机基线小、重量轻等优点。TBCC发动机在工作过程中必然要经历一个工作模态的转换，即由涡轮发动机模态转向冲压发动机模态或者冲压发动机模态转向涡轮发动机模态。在模态转换过程中，进气道需要同时向涡轮发动机和冲压发动机提供所需气流，配合发动机完成动力模态的转换，且在此转换过程中组合发动机的流量和推力保持平稳过渡等都将成为TBCC发动机研制成败的关键[4]。因此世界各国的对TBCC发动机模态转换过程展开深人研究。德国的Sgnger计划提出了一种串联式组合循环发动机用于两级人轨飞行器的推进系统。为了满

5、足组合循环发动机在不同来流条件下对流量的需求，在低速时通过调节压缩面将进气道捕获的多余的流量通过旁路流人喷管，在高速时旁路关闭。同时还设计了模态转换时，涡轮通道关闭及冲压通道开启的方案[5“]。日本的HYPR计划设计了一种收稿日期：2016—01．18；退修日期：2016-03-15；录用日期：2016—03-28；网络出版时间：2016—03·3011：43网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／deta¨／11．1929．V．20160330．1143002html基金项目：航空科学基金(2015ZB52016)；中央高校基本科研业务费(NS201

6、5025)*通讯作者．Tel：025．84892200—2415E-mail：yuanhuacheng@nuaa．educn引用楂武l朗君．袁化践．葛宁串联式TBCC迸气遥模态转换模拟器设计及其特性分析[JI．航空学报，2016．37(12)：3675—3684．LIUJ，YUANHC，GENiDesignandflowcharacteristicsanalys

7、sofmodetransitionsimulatorfortandemtypeTBCCinle{[Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(12)：3

8、675-3684．航空学报Dec．252016VoI．37No．12变循环涡扇和冲压发动机的共轴串联式TBCC发动机，即HYPR一90C验证机，并对其进行了地面模态转换试验，验证了模态转换过程通过调节变循环涡扇发动机的几何机构能够实现总流量和总推力基本保持恒定的目标口-8]。此外还进行了自由来流马赫数为5．0条件下，进气道与冲压发动机的整机试验，试验结果表明当进气道内结尾激波振荡现象增强，进气道的喘振裕度将下降，并且结尾激波位置的变化对发动机推力的影响却很明显∽j。美国的NASA研究中心对外并联式TBCC进气道进行了小尺度和大尺度的模态转换风洞试验研究，结果表明

9、平稳的TBCC进气道模态