发动机directspace

收稿日期:20030711作者简介:王云(1966-),男,江西高安人,博士生,wangyun66@126.
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新概念旋转冲压发动机的研究与分析王云(南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016)赵晓路徐建中(中国科学院工程热物理研究所,北京100080)昂海松(南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016)摘要:为解决燃气涡轮发动机性能和成本受结构材料制约和冲压发动机不能独立使用和在地面应用的问题,在对燃气轮机、冲压发动机和内燃机3类发动机的结构进行分析和融合创新的基础上,提出了一种基于冲压压缩技术的新概念旋转冲压发动机的研究构想.
该发动机主体结构为一内置有旋流燃烧室的高速旋转无叶无塞内燃转子,能融压气、燃烧和排气做功于一体.
对其工作原理、结构方案和性能进行的初步研究分析表明,该发动机结构简单紧凑,体积小,成本低,效率高,功率大,可广泛用于航空与地面的各种动力.
关键词:发动机;旋转冲压发动机;冲压压缩;内燃转子;旋流燃烧室中图分类号:V223文献标识码:A文章编号:10015965(2003)08077706ResearchofnewconceptiverotatedramjetWangYun(CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)ZhaoXiaoluXuJianzhong(InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)AngHaisong(CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)Abstract:Tosolvetheproblemswhichtheperformanceandcostofthegasturbinearerestrictedbystructureandmaterialandtheramjetcannotbeusedindependentlyandcanbeusedonground,anewconceptiverotatedramjetbasedontheramcompressedtechnologywaspresentedbyanalyzedthestructuresoftheturbineandramjetandintercombustionengine.
Theenginesmainbodystructureisaninternalcombustionrotor,whichhasnobladeandnopistonbuthasaninternalrevolvedstreamcombustor.
Thisrotorhasthefunctionsofcompressingairandcombustinganddoingworkbyexhausting.
Thegeneralschemeandprincipleandperformanceoftheenginewerediscussed.
Theresultsshowthattheconfigurationoftheengineissimple,andtheenginewillbedesignedwithhighefficiencybutlowcostandlargepowerbutsmallvolume.
Theenginecanbeusetoaviationpowerandotherpoweronground.
Keywords:engine;rotatedramjet;ramcompressed;internalcombustionrotor;revolvedstreamcombustor目前,常用的航空喷气发动机主要有2大类:有压气机的燃气涡轮发动机和无压气机的冲压发动机.
自20世纪中叶以来至今,燃气涡轮发动机以其功率大、体积小的突出优点在航空动力和其他地面动力工程中迅速得到了广泛的应用.
但燃气涡轮发动机发展到今天,随着性能的不断提高,对材料及设计要求过于苛刻,体积重量在新的需求背景下仍显偏大,叶轮结构仍显复杂,发展潜力2004年8月第30卷第8期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2004Vol.
30No8已趋极限,而且其高速性能较差,不能满足现代飞行器日趋迫切的高速飞行的需要.
而冲压发动机不需转动的叶轮机械,结构极其简单,且高速性能优良,被广泛用于各类超音速和高超音速飞行器,因此一直受到人们的普遍关注.
但其也有致命缺点,低速性能极差,无法在静止状态下起动,必须借助其他动力联合工作.
因此如何开发研究一种兼有燃气涡轮发动机和冲压发动机两者优点的发动机将是一个非常迫切而又有意义的事情,这就需要积极开拓新思路,应用新原理、新结构,去探索研究新概念发动机[1].
事实上世界各国都在抓紧进行这方面的研究[2,3],如据美国IAS(InternationalAutomatedSystems)公司称,其正在开发一款被称为具有突破性技术的新型涡轮发动机,目前已完成了样机的测试.
这种发动机的体积和成本可以仅为传统发动机的1/10,其燃油效率将是传统发动机的2倍以上.
另外美国Ramgen动力系统公司(RamgenPowerSystemsInc)也正在研制目前世界上唯一一种创造性地融航空冲压发动机技术和燃气轮机技术于一体的新概念发动机[4].
在对Ramgen发动机进行深入了解和详细分析的基础上,提出了一种完全取消叶片,依靠高速转子切向冲压进气、内置旋流燃烧室、切向反喷驱动的新型旋转冲压发动机的设计方案,并对其进行了初步的探索性研究.
图3带燃烧和推力喷管的组合单元式冲压转子演变示意图1Ramgen发动机结构及工作原理该发动机的核心部件组合单元式冲压转子是在边缘开有冲压进气通道的高速旋转轮盘,其结构示意图见图1.
它巧妙地利用高速旋转轮盘边缘产生的相对超音速气流,仿照超音冲压发动机,通过激波波系进行冲压压缩而获得较高压比气流,从而使地面静止或车辆上的发动机也能像高速飞行的航空冲压发动机一样对气流进行冲压压缩,燃气沿转子切线方向喷出,产生的推力将给转子提供力矩,驱动转子转动并输出轴功.
从而继承了冲压发动机的结构简单、效率高和比功(比冲)大的优点,又能在静止状态下启动工作,其总体结构见图2[5].
其主要部件有:组合单元式冲压转子、单级冲动式涡轮、转子内外机壳、进排气系统、燃油混合系统、气膜冷却系统、输出轴等,其工作原理与过程见图3[6].
该发动机如研制成功,将会是目前功率密度和性价比较高的热力发动机,能广泛用于航空、坦克、舰船动力和分布式能源以及从大型工厂到居民家庭的各类动力和能源装置[7].
图1组合单元式冲压转子结构示意图图2Ramgen发动机总体结构778北京航空航天大学学报2004年Ramgen发动机的研究提供了有益的启示,但通过分析,仍存在结构缺陷,主要是燃烧室置于轮盘转子外缘,一方面带来了泄漏密封的困难,另一方面也不易组织起稳定高效的燃烧.
为此,提出了一种既避开了密封问题,结构也更为简洁紧凑的燃烧室内置于转子内的旋转冲压发动机的新设计方案.
图4输出轴功的旋转冲压发动机结构示意图2旋转冲压发动机总体结构与原理旋转冲压发动机根据工作要求不同,可以有2种结构方案.
方案1输出轴功的旋转冲压发动机该方案发动机的动力以轴功形式输出,主要用于地面各种动力机械和小型螺旋浆驱动的飞机.
结构示意图如图4所示,图5给出了其气流通道展开示意图.
发动机启动时,断开负载,由启动电机带动转子加速到数千转,发动机喷油点火,在亚音速状态下开始工作,此时发动机功率流量和效率均不大.
但由于发动机启动过程是短暂的,只要有剩余功率能驱动转子迅速加速即可.
当转子轮缘相对气流速度达到音速时,发动机转子由亚音进气转入冲压进气.
进入超音冲压阶段后,发动机效率、流量和功率均迅速增加,转速也将快速上升,图6给出了一个典型算例的性能曲线图.
当达到稳定工作转速(进口气流马赫数一般取2~4为宜)时,发动机进入设计工况,此时空气通过进气口的系列激波进行冲压压缩后,可以达到很高的压比(可达10~15,甚至更高),冲压压缩后的高压亚音速气流继续沿一扩张型的向心螺旋通道进入内置于转子中央的燃烧室,该过程与一般的燃气轮机有很大的不同,由于是向心流动,气流不是进一步扩压而是减压,并且温度和气流相对速度也随之降低,同时会对转子做功.
该过程称之为反循环过程,在有些超音速发动机中也常有类似的应用.
为防止压力下降太低,应采用扩张型通道并控制出口截面处半径不要太小,综合考虑结构因素并通过初步计算分析,气流出口处半径(内置燃烧室的半径)取为进气口处(转子外径)的0.
8~0.
85倍较宜.
随后气流以旋流方式进入旋流燃烧室进行燃烧.
与径向涡轮叶片冷却气流的供气方式相同,燃油(气)通过轴心燃料管借助离心力喷入,进行旋流燃烧.
内置旋流燃烧室有以下好处:1)由于气流减速充分,而且气流在燃烧室内作旋流流动,形成大旋涡,燃烧条件较好;有利于形成相对均匀、内高外低的较为理想的温度场,轴心区域的高温、低压环境还有助于燃油油滴的蒸发和破碎.
2)由于旋转气流的涡流效应,燃烧室内轴心区域压力较低,有利于减少供油(气)压力,再加上取消了叶片并采用旋流燃烧,从理论上可以采用包括煤粉在内的多种燃料.
3)结构紧凑,空间及材料利用较高,此外还由于结构上的便利,可以在燃烧室壁全部采用陶瓷隔热材料,从而允许较高的燃气温度,提高做功能力,并避免热量外散.
燃烧后的高温高压燃气从径向螺旋状超音喷管高速喷出,通过反作用力给转子提供驱动力矩.
此过程实际上是2个热力循环的叠加:一是常见的高温高压燃气流过缩放喷管,产生焓降,使气流膨胀加速;二是径向喷管内的气流由于转子旋转而产生离心增压加速,这也是一个与降压加速膨胀重叠的隐式的反循环过程,其增加的压力随即通过膨胀转化为气体的动能释放掉了.
喷口喷出779第8期王云等:新概念旋转冲压发动机的研究与分析图5旋转冲压发动机气流通道展开结构示意图图6旋转冲压发动机主要热力参数变化曲线示意图的高速气流将产生巨大的反推力,对称布置的喷管仅产生合力矩(这对于改善转子的受力尤为重要).
喷气力矩一部分提供给转子以克服进气道的进气阻力和各种摩擦阻力,剩余的以轴功形式输出.
喷出的高温高速旋转气流的能量品位也较高,可以进行二次利用,如经收集导引后可再次作用于冲击涡轮或直接驱动涡浆或涡扇.
为防止进排气混合,进排气口之间设有一分隔板,该分隔板也可布置在外机匣上.
方案2喷气推进的旋转冲压发动机该方案的发动机主要用于喷气推进的飞行器,如导弹、飞机等,其结构示意图如图7所示.
在结构上与前述方案的差异是其设置了周向和轴向2类喷管,其中轴向喷管为主喷管,产生推力,周向喷管则提供转子转动所需的转矩.
其工作原理也大体与前相同,只是在启动时,需借助一挡板封住主喷口,或在喉口处设置封堵机构,待转子升速到工作转速后,挡板或封口打开,2种喷管按分配好的设计流量同时工作.
该方案的发动机克服了传统冲压发动机不能在低速飞行状态下工作的缺陷,也不用像火箭发动机那样自带氧化剂,更适合于用作导弹和无人机的动力.
由以上结构分析可知,旋转冲压发动机完全继承了航空冲压发动机的结构优点(由图5不难看出其结构与航空冲压发动机存在一定的几何拓扑关系),又克服了传统冲压发动机不能自启动的图7喷气推进的旋转冲压发动机结构示意图致命缺点;与Ramgen发动机相比,通过采用内置旋流燃烧室,巧妙地组织气流,既使结构更简洁、紧凑,也避免了棘手的泄漏密封等问题,同时也为提高燃烧效率和稳定性、燃料多样化创造了条件.
T*总温;T静温;P*总压;P静压;Pe大气压.
图8旋转冲压发动机TS示意图3冲压发动机热力循环分析传统的冲压发动机的热力循环是典型的布雷顿循环.
而根据前述旋转冲压发动机的工作原理分析可知,其热力循环是包含有一显一隐2个反循环过程的布雷顿循环,其热力循环的温熵(TS)示意图如图8所示.
通过分析可知,其热力过程主要有:冲压压缩过程01;向心膨胀过程12,这是一个在燃烧前即行膨胀做功的反循环过程[8],其主要目的是把气流引向位于转子中央的内置燃烧室,从总体来讲,这一过程对发动机热力性能的影响是不利的,但带来了结构布置上的便利;等压加热过程23;加速膨胀过程34,该过程如前所述是近似等熵膨胀过程33!
、4!
4和反循环离心压缩过程3!
4!
的复合热力过程(事实上上述过程是同时进行的,只是为了表达方便才有意在TS图中将其示意画出),由于离心增压反循环的影响,780北京航空航天大学学报2004年膨胀结束状态点4将从无反循环时的膨胀结束状态点3沿等压线上移;等压放热过程40.
通过分析可知:旋转冲压发动机的热力学循环是在典型的布雷顿循环的基础上加进了2个反循环,由于反循环的存在,将导致发动机效率下降,但由于决定布雷顿循环效率的最主要因素是增压比,而发动机经过冲压压缩,可以达到很高的增压比,其带来的效率增加可以补偿因反循环而带来的不利影响.
但反循环带来的最大好处是带来结构上的便利,另外一个好处是可以增加比功,这是因为由于经过反循环进气膨胀过程12之后,气流总温下降,在燃气最高总温不变的情况下,可以加入更多的热量,从而提高做功能力,或者说同一气流在流经发动机时进行了2次做功,比功自然会增加.
4旋转冲压发动机热力性能分析衡量一个热力发动机热力性能的最主要的参数有2个:比功率(或比冲、推重比)和热效率(或耗油率).
在此仅从概念设计的角度对旋转冲压发动机的这2个热力性能参数作一初步分析,以期能够达到对其进行大致评判的目的.
本着既说明问题又简便起见,在此仅对方案1的旋转冲压发动机的比功率进行一维流动的近似分析研究.
1)比功率输出轴功的旋转冲压发动机是依靠周向喷管的高速外喷燃气产生的反推力来驱动转子转动的,因此可以比较方便地应用动量矩定理来推导比功率的计算公式.
为简便计,假设气流在所有截面处都沿着转子切向流动,而忽略其在方向上的轻微变化,并假设气流完全膨胀,出口反压等于大气压力.
对进气截面,一方面由于气流摩擦阻力和畸变影响进口气流速度W1要小于转子圆周速度U1,在超音状态,由于激波压缩的影响,差异更大,另一方面气流对转子进口处气道会产生气体摩擦阻力或激波阻力,为简化问题起见,可将进口控制面取在远离进气口的前方自由流处,在该处必然有W0=U0,作进气道和喷管的进出口速度三角,如图9所示.
设ri为进排气道各截面处气流方向至转子轴线的距离(半径),根据动量矩定理可得一个气流通道内单位质量的气流在进气道(图5中0截面2截面,含进气道前沿0截面1截面)内受到来自转子所施加的力矩(方向沿转子转向)为a进气道截面b喷管截面图9进排气道气流速度三角形示意图T压=C2r2-C0r1=(U2-W2)r2-(U0-W0)r1=(U2-W2)r2同样在喷管内有:T涡=C4r4-C3r3=(U4-W4)r4-(U3-W3)r3=(U2-W2)r2上述各式中,气流绝对速度Ci=Ui+Wi=Ui-Wi注意到燃烧室内进出口处气流环量不变,即近似有C2r2=(U2-W2)r2=(U3-W3)r3=C3r3所以气流受到的总力矩为T气=T压+T涡=(U4-W4)r4也即转子受到的驱动力矩为T转子=-T气=(W4-U4)r4由此产生的发动机比功率为P=T转子=(W4-U4)U4其结果形式与轴流冲压发动机一致.
如有n(一般取2~3)个对称布置的进排气通道,则发动机输出总功率为P总=nQ(W4-U4)U4其中Q为单个通道气体流量.
从以上结果可以看出,对结构一定的发动机,影响比功的主要因素有2个:喷气速度和转子圆周速度,在实用范围内,提高喷气速度和转子转速,都可以提高比功.
喷气速度主要取决于燃气最高温度和压比,而冲压压比也取决于进口马赫数,也即是取决于转子转速.
同时还受向心膨胀反循环程度的影响,也即与转子内外径之比有关,所以可认为比功与进气口相对马赫数、燃气最高温度和转子内外径之比有关.
转速的提高主要受转子材料和轴承系统的限制.
旋转冲压发动机由于取消了叶片结构,有条件采用较高转速;另外,由于结构的改进,有条件采用陶瓷材料,燃气温度可以大大提高,可以提高喷气速度,这都有利于提高发781第8期王云等:新概念旋转冲压发动机的研究与分析动机的做功能力;转子内外径之比则受制于结构布置.
2)热效率布雷顿循环的热效率主要取决于压比和燃气最高温度.
在旋转冲压发动机中,气体压缩是通过冲压来完成的,可以达到较高的压比(10~15左右).
此外由于没有叶片损耗,其压气效率要比常规压气机效率高,由此带来的发动机热力效率还要更高.
当然由于反循环的引入,发动机总效率也会受到一些影响.
设喷口处转子边缘线速度为U4,燃烧室出口处圆周速度为U3,相对气流速度(燃烧室内燃气旋流速度)为W3,经过冲压压缩和一段向心膨胀过程后,根据气体状态方程、绝热等熵过程方程、连续方程和能量方程可求出最终剩余压比为.
气体燃烧膨胀后的出口喷气速度由能量方程可求得W4=2kk-1RT31-1k-1k+U24-U23+W23其中是喷管膨胀系数;R为气体热力学常数.
不考虑回热和余速的二次利用并忽略油气比的影响,可得发动机简单循环热效率为!
=pQ=(W4-U4)U4Cp(T*3-T*2)=2kk-1RT31-1k-1k+U24-U23+W23-U4U4[Cp(T*3-T*2)]根据以上分析可知:旋转冲压发动机与轴流式冲压发动机相比,由于流道结构关系,热效率将低于轴流冲压发动机的热效率;但由于燃烧条件的改善,燃烧效率有望提高.
与普通燃气涡轮发动机相比,增加了冲压进气损失,但没有叶片损耗;更重要的是,采用冲压进气,压比可以大大增加,这对发动机的热效率的提高是非常有利的.
另外,由于转子基本不受轴向推力,转子支撑结构简单,机械效率也有望增加.
5结论1)旋转冲压发动机是一种基于冲压压缩技术的没有叶片、主体结构为一高速转子的全新概念的热力发动机,有望克服现有燃气轮机结构尺寸过大、叶轮设计加工和对材料要求过高、效率偏低的不足,该发动机在吸收借鉴Ramgen发动机设计思想的基础上,创造性的采用内置于轮盘转子内的旋流燃烧室,巧妙地组织气流,使得结构紧凑简单,空间利用率高,尺寸重量小,对设计、加工和材料要求较低,而且具有良好的热力学性能.
该发动机可用于飞行器和各类重型车辆动力、燃气发电及分布式能源等领域,如效率能有进一步的提高,还有望大大提高其对传统内燃机的竞争力而进入汽车市场,其应用前景十分广阔.
2)从理论上来讲,旋转冲压发动机由于取消了叶片,并且采用了旋流燃烧室,为燃用多种燃料(包括煤粉)创造了条件,从而可以适应燃料多样化的发展战略需要.
同时体积、重量和成本有望大大降低,而安全可靠性得到提高,从而大大促进分布式能源的发展与应用.
3)经初步计算分析,旋转冲压发动机具有较好的热力学性能,影响其热力学性能的最主要因素是进口气流速度(即转子转速),同时燃气温度和各主要径向尺寸也对发动机的功率和效率有一定的影响.
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