混合式脈沖爆震發動機性能分析*

陳　鑫，朱曉彬，何立明，王育虔（　空軍工程大學航空航天工程學院，西安　70038；2　先進航空發動機協同創新中心，北京　009）

混合式脈沖爆震發動機性能分析*

陳鑫1，2，朱曉彬1，何立明1，王育虔1
（1空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038；2先進航空發動機協同創新中心，北京100191）

針對一種小型渦噴發動機和脈沖爆震發動機（PDE）的混合推進系統，介紹了其結構組成及工作過程，建立了性能計算的簡化數學模型，分析了其飛行性能及渦噴發動機效率特性的影響。結果表明，為降低耗油率，提高單位推力，渦噴發動機最佳增壓比為5～8，最佳渦輪前燃氣溫度為1 200～1 300 K；保持PDE進口壓力不變，隨著飛行馬赫數的提高和飛行高度的降低，發動機推力下降，總耗油率升高；隨著壓氣機和渦輪效率的降低，PDE單位推力變化不大，耗油率明顯升高。

混合式脈沖爆震發動機；工作原理；計算模型；參數優化；飛行性能

0　引言

脈沖爆震發動機（pulse detonation engine，PDE）作為一種經濟、高效的新型動力裝置，有望為航空帶來革命性的進步。脈沖爆震發動機作為一種非穩態的推進裝置，通過重復的爆震可以產生周期性的推力。與傳統的推進系統相比，二者的主要區別在于脈沖爆震發動機處于一種非穩態的工作過程，燃燒室中進行的是一種近似于定容的爆震燃燒而不是定壓燃燒。由于該爆震燃燒過程效率更高，污染更小，近年來這種推進裝置備受矚目。其中，混合式脈沖爆震發動機（hybrid pulse detonation engine，HPDE）作為PDE應用的一種重要形式，其結構設計及主要性能參數的計算分析也是研究的重點之一。

2005年，美國GE公司［1］提出了一種用爆震燃燒室代替傳統航空燃氣渦輪發動機主燃燒室的混合脈沖爆震發動機概念。2008年，蔣聯友［2］等人建立了一種混合脈沖爆震發動機的初步設計方法，采用了離心式壓氣機和向心式渦輪，并對整個發動機性能作了估算。2010年，Fuhua Ma［3］等人對脈沖爆震渦輪發動機爆震燃燒室內的熱力循環過程進行了計算分析。2012年，邱華［4-5］等人提出了一種渦輪前置的組合式爆震循環發動機，并對其性能參數進行了初步的計算分析；該發動機擁有兩種工作模式，其中在一種模式下正是以混合式脈沖爆震發動機的狀態工作。

文中針對一種小型渦噴發動機和脈沖爆震發動機的混合推進系統，介紹了它的結構及工作過程，建立了性能計算的簡化數學模型，重點分析了其推力-經濟性能，最后研究了小型渦噴發動機的效率特性對脈沖爆震發動機推力-經濟性能的影響。

1　HPDE的結構及工作原理

HPDE的主要結構見圖1所示，主要包括一個小型渦噴發動機和一個多管脈沖爆震發動機，其中PDE采用激波聚焦方式直接起爆［6］。空氣經過小型渦噴發動機的壓氣機壓縮后，部分壓縮氣體從壓氣機后被引入PDE中，用于爆震燃燒以產生推力；剩余氣體進入渦噴發動機燃燒室參與燃燒，以推動渦輪做功，維持渦噴發動機的正常工作。

其工作過程可以分為兩個階段：第一階段，在地面和低空低速時，小型渦噴發動機和PDE共同工作，渦噴發動機只為PDE提供壓縮空氣源，而不產生推力；第二階段，在高空高速時，PDE單獨工作，渦噴發動機退出工作。圖2給出了PDE用作高聲速飛行器動力裝置時的飛行控制計劃，可以看出，在飛行速度達到4 Ma、高度22 km時，混壓式進氣道的沖壓作用已經能夠滿足PDE的工作需求，之后渦噴發動機關閉并退出工作，由PDE單獨進行工作。因此，在計算HPDE飛行性能時，也必須分為上述兩個階段來計算。

圖1　HPDE組成示意圖

圖2　PDE用作高聲速飛行器動力裝置時的飛行控制計劃

2　性能計算模型的建立

在第一階段的飛行中，渦噴發動機參與工作，為PDE供應所需的壓縮空氣，但并不產生推力，推力由PDE單獨提供，而耗油率為渦噴發動機和PDE兩部分之和。

對渦噴發動機，由轉子功率平衡可得：

總空氣流量為：

渦噴發動機渦輪出口燃氣流量：

由此可得：

渦噴發動機中的油氣比fI為：

PDE有效循環功為：

其中加熱量為：

放熱量q2為：

所以，HPDE的單位推力：

PDE的耗油率為：

渦噴發動機的耗油率為

總耗油率為二者之和，即：

3　渦噴發動機循環參數的優化

圖3　Fs、sfc隨渦輪噴氣發動機πc的變化

4　飛行性能估算

圖4　設計增壓比πc，d=5.77的壓氣機特性曲線

圖5　不同飛行高度、馬赫數下渦輪噴氣發動機增壓比的變化規律（H=0～10 km）

圖6　HPDE飛行特性（H=0～8 km）

5　渦噴發動機的效率特性對PDE推力-經濟性能的影響

在本例中，渦輪噴氣發動機的壓氣機效率ηc和渦輪效率ηT對PDE單位推力Fs和總耗油率sfcΣ的影響見圖7、圖8所示。可以看出壓氣機效率ηc對PDE單位推力的影響不大，渦輪效率ηT對PDE單位推力沒有影響，而隨著壓氣機效率ηc和渦輪效率ηT的減小，總耗油率卻明顯的增加。

圖7　壓氣機效率對PDE單位推力和耗油率的影響

圖8　渦輪效率對PDE單位推力和耗油率的影響

6　結論

文中針對一種混合式脈沖爆震發動機，介紹了其主要的結構和工作過程，建立了性能計算的數學模型，通過分析，得出了以下結論：

1）為了達到HPDE的最佳性能，需要對小型渦噴發動機的循環參數進行優化。通過計算分析，確定了最佳增壓比為5～8，最佳渦輪前溫度為1 200～1 300 K。

2）選取PDE進口氣流壓力P*m=const的控制規律，隨著飛行速度增大和飛行高度下降，發動機的總推力下降，總耗油率升高，為滿足HPDE的推力需求，必須采用多管PDE形式。

3）隨著壓氣機效率ηc和渦輪效率ηT的減小，單位推力的變化不大，但耗油率明顯增加。

［1］ ADAM Rasheed，ANTHONY Furman，ANTHNOY J Dean. Experimental investigations of an axial turbine driven by a multi-tube pulsed detonation combustor system：AIAA 2005-4209［R］.2005.

［2］MA Fuhua，THOMAS Lavertu，VENKAT Tangirala.Limit cycle investigations of pulse detonation combustor for pulse detonation turbine engine：AIAA 2010-6714［R］.2010.

［3］蔣聯友，嚴傳俊，鄧君香，等.脈沖爆震與渦輪混合式發動機設計與性能計算［J］.機械科學與技術，2008，27（9）：1151-1154.

［4］QIU Hua，XIONG Cha，YAN Chuan-jun，et al.Propulsive performance of ideal detonation turbine based combine cycle engine［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2012，134（8）.

［5］邱華，熊姹，嚴傳俊.前置渦輪組合脈沖爆震發動機性能分析［J］.推進技術，2012，33（2）：327-332.

［6］ LEVIN V A，NECHAEV J N，TARASOV A I.A new approach to organizing operation cycles in pulse detonation engines［C］∥ In：Roy G D，High-Speed Deflagration and Detonation：Fundamentals and Control.Moscow，2001：31 -44.

Performance Analysis of A Hybrid Pulse Detonation Engine

CHEN Xin1，2，ZHU Xiaobin1，HE Liming1，WANG Yuqian1
（1Aeronautics and Astronautics Engineering College，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；2Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China）

Firstly，primary structure and operation process of a hybrid propulsion system of small-scale turbojet engine and pulse detonation engine（PDE）were introduced.Secondly，the simplified mathematical model was established to calculate its performance.Finally，fight performance and effect of efficiency characteristics of turbojet engine were analyzed.Results indicate that the optimal compressor ratio is 5 ～8，and the optimal turbine inlet temperature is 1 200～1 300 K to reduce the specific fuel consumption and to increase the specific thrust.Presetting the inlet pressure of PDE as const，thrust decreases and total specific fuel consumption increases with Mach increasing and flight altitude decreasing；Specific thrust of PDE shows little change but total specific fuel consumption shows significant rise when efficiency of compressor and turbine decreases.

hybrid pulse detonation engine；operation principle；calculation model；parameter optimization；flight performance

V231.22

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.025

2014-11-10

國家自然科學基金（51106178）資助

陳鑫（1976-），男，河南三門峽人，副教授，研究方向：航空燃氣渦輪發動機和脈沖爆震發動機的原理及實驗技術。