基于冷热电综合利用的冲压及组合发动机热管理方法研究

本课题主要针对紧凑型并联式组合发动机冲压模态进行热管理相关研究,研究的主要内容包括紧凑型一体化组合发动机热管理需求分析、组合发动机热管理多方案性能对比分析、强三维空间分布特征下发动机燃烧室及其附件耦合热管理特性分析及优化、发动机冷电及热电综合利用热管理方案研究。首先对紧凑型一体化组合发动机热管理的特殊性进行分析,得出对于紧凑式组合发动机来讲其热管理的主要对象不仅包含发动机燃烧室壁面,还包括发动机舱内的大量附件,并且燃烧室壁面的热管理效果对舱内附件的热管理效果有较大影响。因此,结合紧凑式一体化发动机的运行特点以及热管理的特殊需求进行了宽工况多模态下发动机可用冷源分析,同时,为了评估不同类型热管理方案的效果,分别建立了耦合再生冷却及气膜冷却结构的发动机燃烧室壁面热结构一维计算模型。其次结合紧凑式一体化组合发动机的实际情况分别对燃油再生冷却热管理方案及气膜冷却热管理方案进行了性能评估及方案综合评价,通过多方案对比发现针对紧凑型一体化组合发动机的热管理需求需求,气膜冷却热管理方案由于对燃烧室壁面温度和舱内附件的环境温度的控制性能较差,并不适合对紧凑式一体化发的动机进行热管理,而再生冷却热管理方案由于对发动机壁面以及发动机舱内附件环境温度控制性能良好,且具向有更高马赫数利用的潜力,因此更加适合应用于紧凑型一体化组合发动机。但同时通过研究也发现再生冷却热管理方案存在对燃料流量依赖性大的问题,在发动机高马赫数巡航状态下需要利用的冷却流量大于燃烧流量。之后为了进一步对紧凑式一体化发动机再生冷却热管理方案进行热管理性能研究,考虑到发动机尤其是发动机舱内附件具有很强的三维空间参数分布特征,建立了强三维空间分布特征下发动机再生冷却热管理方案耦合分析模型,通过对计算模型的解耦将其分为强三维空间分布下发动机燃烧室再生冷却数值模拟和强三维空间分布特征下发动机舱内热环境数值模拟两个部分,并以燃烧室壁面温度分布作为两个过程的接口。通过进行上述分析后发现,再生冷却热管理方案在所研究的发动机的设计上限马赫数即Ma4的运行工况下可以很好的完成对发动机壁面及发动机舱内附件的热管理,并且在更高的飞行马赫数下依然可以对发动机进行较好的热管理,同时,针对部分由于处在特殊位置而工作温度较高的部件设计了相关的主动冷却结构,并且通过三维数值模拟对设计的主动冷却结构进行了性能评估。最后针对再生冷却热管理方案对燃料流量依赖性大的问题,本课题结合冷电及热电的综合利用提供了基于解决方案。即通过制冷储冷手段提前对冲压模态燃烧室内的燃油进行制冷降温,使其具有重新回收完成再生冷却后多余燃油的可能性。方案针对电制冷循环需要对环境进行排热,而飞行器与外界环境间存在热障的问题,创新性的提出了将循环中的热量排入涡轮模态下即将被燃烧的燃油中,即达到了对低马赫数下燃料热沉的充分利用,也达到扩充高马赫数下可用冷源的目的。