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并联式 TBCC 排气系统模态转换点的研究张留欢 徐惊雷 莫建伟 张堃元（南京航空航天大学 并联式 TBCC 排气系统模态转换点的研究 张留欢 徐惊雷 莫建伟 张堃元 （南京航空航天大学 能源与动力学院 南京 210016） 摘要：本文针对一个并联式 TBCC（Over/Under Turbine Based Combined Cycle）排气系统的气动方案，对其模态转换点（冲 压发动机开始工作）工作范围进行了试验研究和相应的数值模拟。文中给出了涡喷发动机处于不加力和加力两种状态下，模 态转换点及其上下边界的三维流场数值模拟和风洞试验结果，讨论了涡喷发动机与冲压发动机两个通道出口气流的相互影 响。数值模拟结果显示，当涡喷发动机处于不加力状态时，涡喷发动机喷管上膨胀面激波产生位置靠前，出现气流分离，模 态转换点损失较大；当涡喷发动机处于加力状态时，排气系统内流场气流分离区减小甚至消失，推力系数相对较高。涡喷发 动机处于加力状态时整个排气系统在模态转换点的推力性能较好，且在转换点下边界附近推力系数相对上边界的较高。风洞 试验结果显示，在模态转换点，整个 TBCC 排气系统的流场流动比较复杂，出现激波相交等现象。对于模态转换点及整个模 态转换过程，涡喷、冲压发动机两个喷管的配合调节等方面有待进一步的研究。 关键字：并联式 TBCC 排气系统，模态转换点，三维流场数值模拟，风洞试验 1、引言 随着空天飞机研究的不断深入，其动力推进系统也在不断地发展。近年来，更多人开始关注一些吸气 式组合循环发动机概念，其中就包括 TBCC（Turbine Based Combined Cycle）发动机。TBCC 发动机同时 结合了涡轮、冲压两种发动机的优点，具有较高的比冲和较好的可实现性。 特别是在 Ma =0～5 的范围内, TBCC 发动机的比冲是各类发动机中最高的,因此,为使高超声速飞行器在大气层内安全高效地飞行, TBCC 发动机可以说是一种很有前途的动力方案【1】。 就目前研究现状来看，TBCC 发动机主要是燃气涡轮发动机和冲压发动机(包括亚燃冲压发动机和超燃 冲压发动机)的组合。其中，涡喷发动机的加力燃烧室与冲压燃烧室相互独立时称为并联布局，而且根据并 联特点又可以进一步分为环包型(Wrap around)和上下并联型(over/under)。本文研究的对象是上下并联型 TBCC 发动机喷管。 本文设计的 TBCC 发动机喷管采用单壁扩张喷管（SERN，Single Expansion Ramp Nozzle），主要是因 为 SERN 是将乘波飞行器后体的下表面作为喷管的一部分，其结构方便。另外，由于 SERN 具有非对称结 构，使得在非设计状态下，其具有一定的自适应补偿特性【2】。 从公开的文献报道情况来看，目前国内外针对上下并联式 TBCC 排气系统的研究正逐渐增多。其中， 文献[3]对上下并联式喷管做了二维数值模拟，并将模拟结果与理论结果进行了对比。文献[4]提出上下并联 式喷管在跨声速阶段推力性能较差。文献[5]对上下并联式喷管的模态转换过程进行了二维数值模拟，指明 在转换过程中推力逐渐增加，升力和力矩的结果并不理想，需进一步改进。文献[6]开展了上下并联式 TBCC - 1 - 喷管的试验研究，获得了喷管壁面压力分布和流场纹影。 喷管的试验研究，获得了喷管壁面压力分布和流场纹影。 本文着重对上下并联式 TBCC 排气系统的模态转换点工作范围进行研究，获得了模态转换点的风洞试 验结果以及对应的三维数值模拟结果，并将试验结果与计算结果进行了对比。根据结果得出，在模态转换 点，涡喷发动机采取加力时整个排气系统的推力性能较好，而且在模态转换点下边界附近推力系数相对较 高（模态转换点上边界和下边界在这里分别代表 TBCC 发动机开始执行模态转换的最高和最低飞行高度）。 2、试验及试验模型 本文中的喷管试验台采用吹一吸式即高低压气源联合的方式进行工作。高压空气经由供气管道进入喷 管模型，在喷管中膨胀并排入真空箱，真空箱连接下游的真空泵系统，保证真空箱内维持一定的真空度， 通过若干个调节阀门，使喷管上下游压比达到试验要求。图 1 为喷管试验装置原理图；图 2 为喷管试验台 实图。 图 1 喷管试验装置原理图 图 2 喷管试验台实图 根据特征线法设计的喷管型线，本文利用工程设计软件获得了并联式排气系统的缩比试验模型，图 3 为设计的喷管模型示意图。图中涡喷发动机通道与冲压发动机通道上下并联，中间唇板同时调节涡喷和冲 压排气喷管的喉道面积，冲压发动机下膨胀面也可以旋转调节，以配合发动机不同工况的需要。本文试验 中，涡喷发动机加力与不加力状态通过中间唇板调节实现，模态转换点以及其上下边界点通过调节冲压喷 管下唇板实现。