● 摘要
未来先进战斗机要求超声速巡航、更宽的空域和超机动性。其动力系统的高推重比航空发动机是其发展的关键因素。增加涡轮前温度和进气压缩比是提高航空发动机推重比的有效途径。传统航空发动机中，通常在压气机出口引出冷却空气对涡轮盘腔及叶片内部进行冷却，以保障高温部件安全可靠的运行。但是随着机组热负荷的提升和压气机出口冷却空气冷却品质的下降，这一冷却方式将无法满足未来先进发动机的需要。本文探索了一种新型冷却方式（CCA技术）用来尝试解决先进发动机中高温部件的冷却难题，即采用机载航空煤油RP-3作为冷源对压气机引出冷却空气进行预先冷却。在该冷却方式中，一方面RP-3受热后将从亚临界状态过渡到超临界状态，其在管内的传热规律将发生显著变化，传统的换热模型无法对其进行全面描述。另一方面，在RP-3升温过程中伴随着一系列化学反应最终产生结焦沉积，严重影响了发动机的可靠运行。本文针对这两方面问题展开实验研究，建立了超临界RP-3多功能实验台等多个实验装置，实验研究RP-3临界流动特性并测量了临界参数及多个压力下的热沉，研究了超临界压力RP-3管内流动换热特性，系统地分析了多个物理因素在RP-3氧化结焦生成过程中的作用机理，并采取针对性措施对RP-3结焦进行有效抑制。研究结果表明：1）RP-3的临界压力在2.309～2.360MPa之间，临界温度在370.04～372.38℃之间。2）在水平流动条件下，超临界状态与超临界压力液态RP-3之间有类似亚临界下气液分层流动现象出现，两者之间存在一‘拟界面’。在竖直向上流动中，RP-3有加速流动的迹象。3）实验测量了RP-3在3、4、5、6、7MPa下40～550℃范围内热沉，在拟临界点以下压力对RP-3热沉无明显影响，在拟临界温度点以上压力升高RP-3热沉减小。4）在相同实验工况下，竖直向下流动具有最高的换热效果，其次是水平流动，最后是竖直向上流动。5）在较低热流密度（350～500Kw/m2）及较高压力工况下（≈2Pc），影响RP-3管内传热的主要是管内流体掺混过程。5）系统研究了温度、压力、重力、质量流速、金属元素等物理因素对在RP-3结焦形成过程中的作用机理。其中温度是影响结焦生成的最重要因素。油温的影响远大于壁面温度，决定着结焦生成规律及总量大小。其次是金属元素，对管内结焦分布、总量有显著的影响。最后是压力、重力等其它因素。6）通过开发获得了添加剂BHTD-E50D，可有效抑制73.51%的RP-3管壁结焦。7）管内采用高温氧化和电解钝化改性方式，可有效抑制RP-3管壁结焦生成。