液氢推进剂预冷却空气涡轮冲压发动机性能模拟

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1、第40卷第6期2010年11月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．6Nov．2010液氢推进剂预冷却空气涡轮冲压发动机性能模拟李成，蔡元虎，屠秋野，孙泽晖(动力与能源学院西北工业大学，陕西西安710072)摘要：为提高常规空气涡轮冲压发动机性能并扩展工作范围，加入液氢预冷系统，使用液氢作为预冷荆及推进剂，建立了使用液氢作为燃料的预冷空气涡轮冲压发动机性能计算模型。在给定航迹和调节计划下计算并分析了高空高速、低空低速下发动机的性能。仿真结果显示加

2、入预冷器、使用液氢作为燃料可以极大的扩展ATR发动机的工作范围，并在整个飞行包线内极大的提高了ATR发动机的性能。关键词：液氢推进剂；预冷；空气涡轮冲压；性能模拟中图分类号：V438文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)06．0010．04引言涡轮基的预冷却发动机(TBCC)作为一种新的组合循环发动机概念，可作为超声速、高超声速巡航导弹的动力系统，也可作为高速侦察机、远程攻击机的动力系统，同时还是轨道飞行器第一级的理想动力系统，具有很大的性能优势和宽广的应用前景。日本在1986年提

3、出的涡轮冲压膨胀循环发动机(ATREX)正是TB-CC的一个典型代表【I。3J。它是一种预冷却概念的涡轮冲压发动机，使用液态氢作为冷却剂、驱动涡轮的气体和燃料。该发动机在作为加速器使用时，可推动飞行器沿动压头50kPa在6min内从海平面静止状态迅速达到高度30km、马赫数6的状态。本文在传统空气涡轮冲压发动机(Air—Turba—Ramjet，简称ATR)基础上，改用液氢作为冷却剂和燃料，加入使用液氢预冷的预冷器，建立了带预冷、使用液氢作为燃料和冷却剂的ATR发动机性能计算模型，得到了在指定飞行

4、包线内的发动机性能。传统涡喷发动机不加力单位推力通常为588—784N·s／kg，飞行马赫数为0—2，使用液氢作为燃料和冷却剂的ATR发动机单位推力为683．6～1701．4N·s／kg，飞行马赫数为0～5．5；传统火箭发动机比冲不超过2940N·s／kg，使用固体推进剂的SPATR发动机比冲为5880一Il760N·s／kg[5】，使用液氢作为燃料和冷却剂的ATR发动机比冲为19437—31027N·s／kg。1预冷却空气涡轮冲压发动机结构及热力计算数学模型Tout(a)Hydrogen跚90糯

5、170Ks少代”⋯at弓、．／l＼。／TinLiquidhydrogen、兰Q：兰!Q鉴一(b)图l带预冷ATR发动机结构示意图预冷却ATR发动机主要结构包括预冷器、燃气发生器、进气道、压气机、涡轮、燃烧室和尾喷管，如图l(a)所示。燃气发生器产生的高温高压富燃燃气驱动涡轮，涡轮带动与其同轴的压气机。空气经进气道吸人发动机，若总温达到压气机入口温度限制则使用预冷器进行预冷却。除预冷器、燃气发生器及燃烧室外，发动机其它部件数学模型与常规发动机部件数学模型一致。燃气发生器及燃烧室计算过程采用NASA的

6、CEA程序进行计算旧。7J，本文仅列出预冷器模型。收稿日期：2010—05—07基金项目：国家自然科学基金资助项目(50906071)；教育部高校博士点新教师基金资助项目(200806991061)；航空科学基金资助项目(2008ZB53014)；陕西省自然基金资助项目(sJ一08一ZP06)作者简介：李成(1985一)，男，四川岳池人，博士研究生，研究方向为航空宇航推进理论与工程。2010年11月李成等：液氢推进剂预冷却空气涡轮冲压发动机性能模拟1．1基本假设本文对发动机做出如下假设：1)假设流

7、动是一维定常；2)假设理想气体，空气、燃气、二次燃烧的燃气三种气体的比热比k、比定压热容C。均各自取平均值。3)尾喷管完全膨胀。1．2预冷器模型预冷器结构如图1(b)所示。本文主要考虑预冷器对ATR发动机性能影响，故忽略预冷器内部结构以及具体流动过程，仅考虑其进出口热力参数变化。液氢吸热的过程包括三个部分。第一部分为由常温液氢加热到液相饱和态吸热；第二部分为汽化潜热；第三部分为由气相饱和态加热为过热氢蒸汽吸热。由能量守恒可知：％[c，啦。(t—Z。)+q脚(疋。一t)+r]k。=睨，C衙(％一％。

8、)k：(1)式中，睨÷为空气流量，C，鹏为液氢平均质量定压热容，C衙为空气平均质量定压热容。t为液氢饱和温度，r为汽化潜热，k，、k：分别为液氢／氢气与空气相对于换热器管壁的换热系数。本文所涉及的所有氢气性质均由NIST提供的液氢／氢气热力性质旧1插值计算得到。求解上式，可得到冷却所需的液氢流量。预冷器的总压恢复采用参照文献[9—10]中ATREX发动机预冷器模型的总压恢复模型，如图2所示。图中随着进口总温的增加，预冷器的总压恢复呈下降趋势。旃0．懈划0．誉o．嚣0．奄．匿u。0．