微型涡轮发动机风车起动特性研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要微型涡轮发动机作为一种新兴的推进动力装置可广泛应用于微小型飞行器，根据微小型飞行器的发射特点，研究微型发动机的风车起动过程对其投入工程应用有着重要的意义。本文通过试验的方法对微型涡轮发动机的风车特性、丙烷点火特性和供油点火特性展开研究，在此研究的基础上，对发动机风车起动过程进行优化，以获取较优的风车起动过程。其研究获得了如下结论：（1）本文以实验室试验资源为基础，借鉴微型发动机整机试车台的设计，综合真空泵气路系统、发动机状态监控系统、发动机控制系统、燃油供油系统、丙烷供气系统、温度测量与采集系统、压力测量与采集系统等

2、七大模块，设计搭建了微型发动机风车起动试验台。（2）对微型发动机进行整机风车特性试验，研究获得发动机进口速度与风车平衡转速、发动机空气流量基本呈线性变化关系，且发动机进口速度越大，风车平衡转速越高，发动机空气流量也大，当发动机进口速度在10~65m/s变化时，发动机风车平衡转速范围在5000RPM~45000RPM，发动机空气流量范围在20~170g/s。以此为基础，对压气机和涡轮展开低转速特性的数值仿真研究，获得了压气机和涡轮的低速特性线，结合风车试验结果，计算获得了压气机和涡轮在风车状态下的共同工作线，从而计算研究了其功率特点，获得了不同风车转

3、速条件下发动机转子的机械损失和机械效率。（3）通过在不同的发动机进口速度条件和丙烷供气流量条件下，对发动机进行丙烷点火试验，判定的点火成功性，获得了丙烷可靠点火包线，能够可靠进行丙烷点火的发动机进口速度范围为5~10.33m/s，丙烷浓度范围为0.502%~1.343%。在丙烷点火成功后，通过加大发动机进口速度以研究发动机丙烷熄火特性，获得了丙烷熄火边界，发动机丙烷不熄火的发动机进口速度范围为5~25m/s，最低浓度边界为0.12%，最大丙烷浓度边界为14.4%。在不同来流条件和丙烷浓度条件下，对丙烷起动过程中的起动特点和起动效果进行研究，燃烧室可

4、获得的预热温度范围为450K~700K，丙烷起动平衡转速范围为3200~11200RPM，且丙烷燃烧对提升发动机转速的效果明显优于风车驱动对转速的影响效果。（4）通过研究不同发动机进口速度、不同丙烷供气量和不同初始供油量对发动机供油点火和供油起动的影响，获得了发动机可靠进行供油点火的各参数范围和发动机供油起动过程的特点。其可靠进行供油点火的转速范围为7440~9360RPM，丙烷供气量范围为0.08~0.2g/s，初始供油量范围为0.67~1g/s，供油起动可实现的转速范围0~16000RPM，空气流量范围0~35g/s。通过在不同状态和不同条件下

5、对发动机供油点火进行试验获得了发动机可靠进行供油点火的包线，并确定发动机风车条件下可实现正常供油点火的发动机进口速度范围为3.47~12.64m/s，油I微型涡轮发动机风车起动特性研究气比范围为1.75%~10.42%。（5）在前文研究的基础上，对发动机风车起动加速过程进行优化。首先在本试验条件下优化选取了一套发动机从风车到供油点火过程中的最优点火起动参数，最优风车发动机进口速度为65m/s，最优丙烷点火转速为3360RPM，最优丙烷供气量为0.125g/s，供油点火最优发动机进口速度为11.3m/s，最优初始供油量为0.56g/s，同时优化使得风

6、车阶段和丙烷起动阶段的起动加速时间分别相对缩短42%和53%。在该套最优点火起动参数条件下，对发动机进行风车起动试验，验证了该套点火起动参数的合理性。此外，本文对发动机从供油点火至慢车过程进行优化，获得该过程在本试验条件下相对最优的供油规律为供油斜率先大后小、发动机加速先快后慢，使得加速时间相对缩短36%；本文还对发动机从慢车至80%全转速过程进行优化，获得该过程在本试验条件下相对最优供油规律分为两段加速，前段供油斜率较大为0.79，后段供油斜率较小为0.14，使得加速时间相对缩短93%。最后，本文在此基础上对发动机从零转速到80%全转速的整个发动

7、机起动加速过程进行综合优化，优化获得了发动机最优风车起动过程，优化后大大缩短了发动机起动加速时间，优化后其起动加速过程中的最短加速时间约为27s。关键词：微型发动机，风车特性，丙烷点火，供油点火，起动优化II南京航空航天大学硕士学位论文AbstractAsanewpropulsiondevice,Micro-turbineengine(MTE)canbewidelyusedinmicroandsmallaircraft.Basedontheemissioncharacteristicsofmicroandsmallaircraft,studyofw

8、indmillstartingprocessofMTEissignificantforengineeringapplica