并聯式渦輪沖壓組合發動機模態轉換試驗方案研究

李力

摘要：并聯式渦輪沖壓組合發動機原理樣機由小型渦扇發動機與沖壓發動機并聯，共用進排氣裝置組成。本論文主要研究并聯式渦輪沖壓組合發動機的工作原理以及模態轉換試驗方案，通過高空模擬對其原理及方案進行驗證。

Abstract： The principle prototype of a parallel turbo ramjet combined engine is composed of a small turbofan engine and a ramjet in parallel， sharing intake and exhaust devices. This thesis mainly studies the working principle of the parallel turbo ramjet combined engine and the modal conversion test scheme， and verifies its principle and scheme through high-altitude simulation.

關鍵詞：并聯式渦輪沖壓組合動力;模態轉換;試驗方案

Key words： parallel turbine stamping combined power;modal conversion;test plan

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0003-03

1? 基本概念及原理

渦輪沖壓組合發動機是通過將渦扇發動機和沖壓發動機組合起來使用的變循環吸氣式發動機。根據渦扇發動機和沖壓發動機主要部件的關系和流程分為串聯布局和并聯布局。沖壓發動機按其工作模態分為亞燃、超燃和雙燃沖壓發動機。亞燃沖壓發動機采用超音速進氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，推進速度可達6倍音速;超燃沖壓式發動機在Ma4～4.5左右開始投入運行，飛行速度高達Ma5～16，理論上可以達到Ma25左右;而在雙燃沖壓發動機中，實現了亞燃和超燃兩種工作模態有機結合，其運行限速約為Ma3，最大飛行速度約為Ma6.5。

串聯式TBCC迎風面積小，推重比高，但由于其需要在很寬的工作范圍內保證高總壓恢復系數，并且在沖壓模式下渦輪發動機仍需穩定工作，設計難度大;并聯式TBCC迎風面積較大，雖然推重比較低，但研制難度較小、周期短。

1.1 串聯式組合沖壓發動機工作原理

串聯式組合沖壓發動機在起飛和加速期間，組合發動機以渦輪模態工作，沖壓環形通道的閥門將沖壓通道關閉，以防止渦輪發動機排氣經過沖壓通道回流到渦扇發動機的進口。當飛行器加速達到沖壓發動機工作狀態時，渦輪發動機減速至慢車狀態或停止工作，沖壓環形通道打開，進氣道捕獲的空氣經環形通道進入沖壓燃燒室，組合發動機以沖壓模態工作。渦輪發動機可以根據不同飛行速度選擇發動機處于慢車狀態、風車狀態或關閉發動機進、出口閥門使發動機停車。

1.2 并聯式組合沖壓發動機工作原理

并聯式渦輪沖壓組合動力在起飛狀態由渦輪發動機地面起動，將飛行器爬升加速到渦輪發動機和沖壓發動機的模態轉換點，在此過程中，沖壓發動機不進行點火工作，沖壓流道保持打開狀態，以減少流阻損失;模態轉換階段，沖壓發動機點火，渦輪發動機逐步節流，進氣分流機構配合噴管喉部面積變化重新分配渦輪發動機和沖壓發動機的進氣量，直至進氣道捕獲的空氣全部進入沖壓發動機，渦輪發動機停止工作并關閉前后通道;完成模態轉換后，沖壓發動機單獨工作，飛行器進一步爬升加速到設計的巡航高度和速度，組合發動機進入巡航狀態;返航初始階段，沖壓發動機在高空節流減速，直到接近飛行器能自主飛行的最小速度，沖壓停止工作;下滑階段，飛行器逐漸下降到合適高度，進一步減速到一定速度后，渦輪發動機進氣流道逐漸打開，渦輪發動機進行風車啟動，投入工作，在渦輪發動機作用下實現飛行器的自主著陸。

串聯式TBCC主要難點在于組合動力的設計，包括高溫、高速下渦輪發動機的改進設計，加力/沖壓雙模態燃燒室設計以及熱管理、熱防護和高溫材料等關鍵技術。而并聯式TBCC重點需突破動力應用，即飛/發一體化設計和進排氣系統的設計。相對而言，并聯式TBCC由于渦輪發動機在沖壓模態下關閉，只有非旋轉部件承受高溫氣流的沖擊，材料較串聯式TBCC要求較低。同時，并聯式TBCC在結構設計上也更為簡單。

2? 并聯式組合沖壓發動機原理樣機結構形式

并聯式組合沖壓發動機原理樣機是由小型渦扇發動機核心機和小型沖壓發動機上下并聯組成，使用共同的進排氣裝置，通過進排氣裝置的分流板將渦輪涵道與沖壓涵道分開。兩者共同進氣、分別排氣，進氣裝置分流板幾何不可調，排氣裝置由兩個相對獨立的單邊膨脹噴管組成，噴管幾何不可調。小型渦扇發動機核心機主要由高壓壓氣機、短環形燃燒室、高壓渦輪、單邊噴管以及燃油與控制系統、起動電氣系統、機械系統等組成;小型沖壓發動機主要由亞燃沖壓燃燒室、單邊膨脹噴管、燃油與控制系統、點火系統等組成。

3? 并聯式組合沖壓發動機原理樣機高空臺模態轉換試驗

3.1 試驗目的

并聯式組合沖壓發動機原理樣機高空模態轉換試驗主要目的在于實現渦輪發動機向沖壓發動機的模態轉換過程，以檢驗渦輪發動機與沖壓發動機組合工作能力，在沖壓發動機狀態變化過程渦輪發動機的穩定工作能力等。沖壓基向渦輪基的逆轉換過程，主要檢驗沖壓基關閉后，渦輪發動機在原有的空中起動包線內能否成功起動。

3.2 試驗方案

根據小型沖壓發動機和小型渦扇發動機核心機的工作包線，確定并聯式組合動力原理樣機工作包線及模態裝換點位置。組合沖壓發動機模態轉換點為高空高馬赫數狀態點，直接進行組合沖壓發動機高空臺模態轉換試驗存在較大難度，為此，通過分步試驗、逐項驗證來降低技術風險，首先進小型沖壓發動機摸底試驗，根據摸底試驗結果，結合小型渦扇發動機核心機工作包線開展核心機摸底試驗。

綜合考慮渦輪發動機的工作能力、沖壓發動機的點火性能和摸底試驗結果及試驗設備能力，選取合適狀態點為組合發動機的模態轉換點，由渦輪基向沖壓基的模態轉換過程中，渦輪發動機逐漸節流直至慢車狀態，沖壓發動機逐漸增大狀態，直至轉換過程完成。

3.3 試驗步驟

3.4 模態轉換完成條件

本項試驗的主要目的在于驗證渦輪基向沖壓基轉換的過程，轉換成功的關鍵在于渦輪基工作期間，沖壓發動機能否點燃并穩定工作。

因模態轉換完成后組合發動機沖壓燃燒室出口最高溫度將升至近2000K，常規溫度傳感器難以達到該要求。轉換過程中沖壓發動機處于低狀態工作，其點火成功后無法及時觀測到噴管出口火焰情況。同時，在模態轉換過程中，渦輪發動機和沖壓發動機在推力和空氣流量上均有一定變化。圖1、圖2分別模擬了組合沖壓發動機在模態轉換過程中渦輪發動機、沖壓發動機和組合發動機在各狀態下的推力及空氣流量變化情況。

因此，模態轉換成功與否，可間接通過監測組合發動機的推力、進口總壓和沖壓燃燒室隔熱屏壁溫的變化情況來進行判斷。

3.5 試驗過程

模態轉換試驗各步驟過程詳見圖3。

由圖3可知，沖壓發動機主油路供油后，隨著余氣系數α的降低，沖壓發動機空氣流量減小，進口總壓升高，隔熱屏壁溫、噴管壁溫相應升高;渦輪發動機空氣流量增大，壓比減小，渦輪后溫度降低。模態轉換順利完成，整個過程組合發動機工作穩定。

4? 結語

渦輪沖壓組合動力的模態轉換技術是發動機實現兩種模態轉換，并正常穩定工作的關鍵技術。通過并聯式TBCC原理樣機的高空模擬試驗，摸索了組合沖壓發動機試驗方法與試驗技術，初步驗證了并聯式TBCC組合動力的模態轉換技術，驗證了組合沖壓發動機的設計和計算方法。

參考文獻：

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[2]諸惠民.渦扇沖壓組合發動機概念研究.建所三十周年科技論文選編.

[3]張明陽，周莉，王占學，張曉博.外并聯式TBCC發動機模態轉換性能模擬與分析[J].推進技術，2018，39（11）：2429-2437.