沖壓空氣渦輪泵供應系統方案設計及特性分析

葉 偉，徐萬武，陳 健，宋長青

（國防科技大學高超聲速沖壓發動機技術重點實驗室，湖南長沙410073）

0 引言

燃料供應系統是發動機系統的重要組成部分，供應系統的研究對超燃沖壓發動機工程化進程具有十分重要的推動意義。使用沖壓空氣作為動力的渦輪泵供應系統已在亞燃沖壓發動機為動力的導彈中成功得到應用，如“波馬克”、“黃銅騎士”及“海標槍”導彈等[1]。但是由于超燃沖壓發動機的飛行Ma大，來流空氣總溫高，渦輪將經受惡劣的熱環境而使其拓展應用于超燃沖壓發動機的潛力被忽視[2]。隨著新材料的發展，材料的耐熱溫度得到極大的提高，使這種潛力成為可能，如鑄造高溫合金使用溫度高達1000℃，GE公司研制的第3代單晶合金ReneN6和CMSX-10能夠在1 150℃的環境中持久壽命大于150 h[3]。

雙燃燒室沖壓發動機（DCR）作為超燃沖壓發動機的一種，具有工作范圍寬（Ma=3.5～6.0）、點火難度小及低馬赫數性能高等優點[4]。以DCR發動機為動力的HyFly導彈已經開展了4次飛行試驗[5]，其工程應用正走向成熟。本文基于HyFly構型的DCR發動機，提出了一種與其飛行Ma范圍（Ma=3.5～5.5）相匹配的沖壓空氣渦輪泵供應系統方案，通過對系統建立靜態模型，分析在不同飛行狀態下渦輪泵系統的調節特性，對設計方案的可行性進行論證。

1 供應系統方案設計

沖壓空氣渦輪泵供應系統的原理如圖1所示，供應系統中，煤油從油箱經管路和閥門至泵入口，經泵增壓后流出。部分燃料通過溢流閥返回至泵入口，剩余燃料流經管路、冷卻通道后，通過噴注器噴注進燃燒室。DCR發動機無需攜帶氧化劑，只需一組渦輪泵組件。這組渦輪泵組件由渦輪和泵共軸組成，因此渦輪和泵的轉速相等。渦輪泵的選型上，選取流量大、效率高的軸流式渦輪和壓頭高、流量大的離心泵，使用壓比為3的沖擊式渦輪，為了提高葉片直徑，采用半周進氣的方式。為滿足在DCR發動機不同工況下的燃料需求，需要對燃料的流量和壓力進行調控。目前常用的調控策略有2種：閥控和泵控。閥控系統屬于節流控制，效率降低，但閥控系統的動態響應快、控制精度高。泵控系統屬于容積控制，效率較高，節能性好，控制難度較小，但泵控系統的動態響應較差，且結構復雜、成本較高[6]。本文使用閥控和泵控相結合的方法來實現系統調節，即通過使用溢流閥對燃料進行分流的方法來實現閥控，和設置旁路涵道的方法調節渦輪進氣流量來調節渦輪泵功率實現泵控。

圖1 沖壓空氣渦輪泵供應系統原理圖Fig.1 Scheme for fuel feeding system of ram air turbo-pump

渦輪的取氣方式可按照空氣來源分為外部取氣和內部取氣2種[7]。為了便于供應系統的單獨控制，保證供應系統工作穩定可靠，本文采用外部取氣方案。DCR發動機有亞燃和超燃2類進氣道，渦輪工質使用單獨的渦輪進氣道取氣，渦輪進氣道取氣段前段的設計與已有的亞燃進氣道的設計類似，面積為發動機亞燃進氣道的35%。同時假設由渦輪取氣口捕獲的空氣在喉部略下游處通過一道正激波擴壓，隨后通過亞聲速擴壓器進一步減速擴壓以獲得渦輪入口所需的參數，并假設激波后氣流在隨后的擴壓滯止過程中總壓損失為40%，所得渦輪進氣道捕獲空氣的總溫、總壓如圖2所示。排氣方式上沖壓空氣通過渦輪后的壓降較大，不能滿足噴入燃燒室或尾噴管的壓力需求，因此選取直排大氣的開式循環。

圖2 各狀態點渦輪進氣道捕獲空氣參數Fig.2 Parameters of captured air in turbine inlet at different cases

2 供應系統特性分析

在供應系統的特性分析中，利用文獻 [8]中的離心泵作為計算模型，為了確保煤油霧化，需要煤油的噴前壓力≥3.6 MPa[9]；同時為了保證DCR發動機最大推力并且保證超燃進氣道不會出現壅塞現象，選取當量比為0.9[10]。隨著飛行Ma的變化，分析渦輪進氣道在捕獲空氣參數變化的情況下渦輪泵系統的靜態特性。其中，發動機系統取如下假設：

1）煤油為常溫推進劑，近似認為泵后推進劑密度、溫度等于泵入口參考值；

2）忽略管路，冷卻通道的流阻系數等負載變化對泵性能的影響；

3）泵的效率保持不變為53%；

4）渦輪入口壓力為0.1 MPa。

2.1 供應系統的非線性數學模型

以DCR發動機燃料供應系統中的渦輪泵組件、管路閥門組件及冷卻通道等組件為研究對象建立各自獨立的物理模型，組成滿足系統壓力、流量及功率的平衡方程[11]。供應系統建立的物理模型和組成的非線性方程組如下所示，參數中未說明單位的均為1。

2.1.1 流量平衡

燃料流量平衡：

式中：qp為泵出口燃料流量；qr為回路燃料流量；qc為燃燒室所需流量。流量單位均為kg/s。

燃燒室所需流量：

式中：Φ為當量比；a為化學當量空-燃比；qair為DCR發動機捕獲空氣總流量，kg/s。

沖壓空氣流量平衡：

式中：qi為渦輪進氣道流量；qt為渦輪所需流量；qb為渦輪旁路流量。

2.1.2 壓力平衡

式中：pin為泵入口壓力；Δpf為泵壓升；Δp1為燃燒室噴前壓力；Δp2為泵出口至冷卻通道進口的管路及閥門壓降；Δp3為冷卻通道壓降。壓力單位均為MPa。

2.1.3 功率平衡

式中：Wp為泵功率；WT為渦輪功率，kW；

2.2 計算方法

由公式（1）～（5）建立的供應系統模型組成非線性方程組為：

式中X為方程組中的未知量。非線性方程組的求解需要使用數值方法，求解方法使用文獻 [11]中給出的牛頓迭代法。為了改善迭代法對初值的要求，在構造迭代模型時引入可變松弛因子hk，每一步迭代中，松弛因子依次選取hk=1/k，并滿足：。

3 結果分析

數值計算過程中，分別計算Ma 3.5～5.5的5個工況，把供應系統的額定參數作為非線性方程組變量的初值，設置迭代誤差為10-8。得到不同工況下渦輪進氣道捕獲空氣參數變化狀態下供應系統的穩態特性，通過對比供應系統不同工況下的特性參數，了解供應系統的工作規律。

圖3為離心泵的特征參數隨飛行Ma數變化圖。由圖3可知，Ma=3.5時，泵的性能最高，揚程H為533.7 m；體積流量Q為3.05 L/s。隨著Ma的增加，離心泵的性能隨之降低，但降幅較小。例如，揚程H降幅為12.22%；體積流量Q降幅為6.31%。因此，使用控制渦輪流量和使用泵后回流的調控方法下，離心泵的特性參數相對穩定，可以一直處于高效率工況下工作。

圖3 泵特性參數隨Ma變化圖Fig.3 Performance of pump versus Ma

由圖4可知，渦輪功率Wt隨Ma的增加而減少，隨著Ma的增加，泵做功能力降低，對渦輪泵的功率需求由26.33 kW降至22 kW，降幅為16.41%。渦輪的效率由28.40%降低至19.38%，降幅為31.74%，原因是渦輪進氣道空氣的總溫升高，致使渦輪等熵膨脹功增加，加上渦輪轉速的降低，導致渦輪的速度比x降低，造成渦輪效率下降。

圖4 渦輪參數隨Ma變化圖Fig.4 Parameter of turbine versus Ma

圖5為離心泵出口流量、燃燒室所需流量和泵回流流量的煤油燃料流量圖。由圖5可知，在不同Ma下，泵的出口流量qp變化不大，保持在2.31～2.47 kg/s之間，隨著發動機捕獲空氣流量的降低，燃燒室所需燃料隨之減少，導致渦輪回流流量qr隨Ma的增加而增加。然而燃燒室所需流量與泵出口流量的比（qc/qp）不高，最多為34.74%（Ma=3.5），Ma=5.5時，更是低至19.92%。說明泵后增壓的煤油沒有得到充分利用，造成的功率損失比較嚴重。

圖5 燃料流量隨Ma變化圖Fig.5 Fuel flow rate versus Ma

圖6為渦輪流量隨Ma數變化曲線，隨著Ma的增加，渦輪進氣道的捕獲空氣流量qi減小，總溫增加，隨著渦輪功率需求的下降，進入渦輪的空氣流量qt隨之下降，由0.42 kg/s降至0.24 kg/s，進入渦輪的空氣流量所占比重（qt/qi）卻隨著Ma的增加從67.25%增至71.83%。結果表明，隨著Ma的增加，需要對旁路閥門進行調控，減少旁路的空氣流量。

圖6 空氣流量隨Ma數變化圖Fig.6 Air flow rate versus Ma

4 結論

本文基于雙燃燒室沖壓發動機（DCR）設計了一種以沖壓空氣為工質的渦輪泵供應系統，提出了外部取氣和直排大氣的取氣/排氣方式、調節渦輪進氣流量和泵后回流相結合的系統調控方法。建立了供應系統的靜態模型，通過求解非線性方程組對供應系統在不同工況下的靜態特性進行了分析。得到以下結論：

1）沖壓空氣渦輪的效率、功率隨Ma的增加而降低。Ma在3.5～5.5范圍內，渦輪所需的空氣流量占約DCR發動機捕獲空氣總流量的3%，使用渦輪進氣道捕獲空氣作為渦輪工質的供應系統設計方案可行。

2）離心泵的性能隨Ma的變化并不明顯，揚程H的最大降幅僅為12.22%，體積流量Q最大降幅僅為6.31%。說明離心泵處于全流量區域內工作，工作效率高。但是隨著Ma的增加，泵回流流量增加，比重由65.26%增至80.08%。說明系統對增壓后的燃料利用不足，造成渦輪功率損失比較嚴重。因此，可以對系統的調控方案進行優化，進一步降低渦輪的需求功率。

3）通過本文的初步論證，說明沖壓空氣渦輪泵供應系統可以滿足DCR發動機燃料的供應與調節要求，但在實際應用中還需要進一步對供應系統的動態特性等方面開展研究。

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