与传统涡轮发动机相比,脉冲爆震涡轮发动机的循环热效率高、燃烧过程自增压等特性使得它具有单位推力大、耗油率低、推重比高、飞行马赫数宽等巨大潜在性能优势和广阔的应用前景,可以广泛应用于无人驾驶飞机、超音速远程导弹、直升机、舰船、超音速战斗机、民用客机以及超声速飞行器用组合动力装置中。本文主要针对脉冲爆震涡轮发动机研制中存在的三大关键技术难题,即总体性能分析方法、脉冲爆震燃烧室压力反传的抑制、脉冲爆震燃烧室与压气机相互作用及匹配来开展研究工作,以期突破主要关键技术难题,推动脉冲爆震涡轮发动机的工程应用步伐,为我国国防科技工业动力装置的更新换代奠定技术基础。(1)总体性能分析方法首先,针对脉冲爆震燃烧室的非定常工作特性,建立了等效爆震室模型将非稳态工作部件等效转化为稳态工作部件,并利用双管脉冲爆震涡喷发动机原理样机的试验性能数据验证了该等效爆震室模型的准确性。同时结合传统涡轮发动机设计点性能计算方法和等效爆震室模型来开展脉冲爆震涡轮发动机设计点性能计算与分析,并对部件设计参数(压气机设计压比、爆震室工作频率、涡轮前温度)和部件效率(压气机效率、进气阀总压恢复系数、涡轮效率)进行了参数化研究,获得部件设计参数和部件效率对发动机性能的影响规律。设计点性能计算结果表明,在同等设计参数下,传统涡喷发动机采用脉冲爆震主燃烧室后,发动机单位推力能提升8.33%,同时耗油率能降低5.7%。然后,将该等效爆震室模型与通用性能计算程序NASA7901相结合,建立了脉冲爆震涡轮发动机通用性能计算方法。针对脉冲爆震涡喷发动机非设计点性能(速度特性、高度特性)进行了计算与分析,并与简化特性计算结果以及传统涡喷发动机特性进行对比分析。结果表明,在非设计点工况下,与传统涡喷发动机相比,脉冲爆震涡喷发动机推力能提高2%~6.5%,耗油率能降低3.1%~7.6%,同时单位推力也能提高2.4%~7.8%。(2)脉冲爆震燃烧室与压气机相互作用及匹配针对脉冲爆震燃烧室与压气机相互作用,建立了爆震室和二维平面叶栅相互作用数值仿真模型,研究了爆震室压力反传及其对平面叶栅流动的影响。结果表明,爆震室压力反传峰值较大时,会导致叶栅通道内出现整体倒流。通过设计气动阀以及提高来流总压等措施能够削弱反传压力对叶栅通道流动的影响,反传压力仅在叶栅出口的尾迹区、叶栅吸力面造成局部回流。在数值模拟基础上,建立了径流压气机与四管脉冲爆震燃烧室匹配试验平台,研究了压气机与四管爆震室两部件相互作用及匹配规律,实现了两部件在五种不同工作模式下的稳定匹配工作,获得了各种工作模式下的多管爆震室的压力反传及其对压气机的影响,掌握了两部件相互作用规律。同时设计了不同的喷管结构,研究了喷管节流对两部件匹配工作稳定性以及两者匹配工作线的影响。试验结果表明,爆震室的压力反传会对压气机产生节流作用,导致压气机压比增加,流量减小,转速升高,压气机与爆震室的匹配工作线向着喘振边界移动。爆震室出口喷管喉道会对爆震室反传压力产生影响,喉道面积越小,反传压力峰值越大,两部件匹配工作点离压气机的喘振边界更近。(3)脉冲爆震燃烧室头部压力反传的抑制及其完全隔离为了减弱甚至消除爆震室头部压力反传对压气机的影响,提出了将气动阀与隔离段相结合来抑制及隔离反传压力的方法。设计了一个内径为60 mm的单管脉冲爆震燃烧室试验系统,来开展压力反传抑制及其隔离试验探索。设计了锥形气动阀、突扩型气动阀和回流型气动阀并研究了其防反压特性,同时探索了突扩型气动阀和回流型气动阀在6种不同组合模式下的反压抑制效果。结果表明,突扩型气动阀在降低反传压力峰值的同时能通过喉道节流作用来提高来流总压,而回流型气动阀则在降低反传压力峰值的同时通过增加入口空气流量来提高来流总压,将两者进行适当组合,能大大降低反压峰值脉动量,其中采用突扩型气动阀+两段回流型气动阀组合结构下的反压峰值脉动量最小。在此基础上,结合文丘里管型隔离结构与气动阀的组合来开展反压完全隔离试验探索。试验表明,当爆震室工作频率超过25Hz以上时,采用文丘里管+三段回流型气动阀的组合结构(组合型气动阀7)能够利用进气流道中的超音速流和激波实现反传压力的隔离,文丘里管入口已经检测不到反传压力扰动现象;而采用文丘里管+突扩型气动阀+两段回流型气动阀的组合结构(组合型气动阀8)在突扩型气动阀入口就检测不到反传压力扰动现象,从而有利于缩短整个反压隔离结构的长度。为揭示上述两种组合结构内部反压隔离机理,建立了其数值仿真模型并针对10Hz、20Hz和30Hz三种工作频率下的流动特性进行数值模拟。研究发现,当工作频率为10Hz、20Hz时,在组合型气动阀8结构下整个进气流道内没有形成超音速流和激波,反传压力会沿着进气道一直向上游传播。在30Hz工况下,突扩型气动阀出口形成超音速流动和激波,但在反传压力作用下超音速流动区域会逐渐缩小直至消失,微弱的反传压力扰动波(脉动幅度小于0.2%)会通过突扩型气动阀继续向上游传播,但如此微弱扰动波对上游进气道或压气机的正常工作影响不大。对于组合型气动阀7结构而言,反传压力的隔离主要取决于文丘里型隔离段内是否能够形成足够强度的激波。在10Hz和20Hz工况下,隔离段没有形成超音速流动或者激波强度不够,导致无法实现反压的隔离。当爆震室工作频率达到30Hz时,隔离段形成较强的激波,使得反压无法越过隔离段继续向前传播,进而实现了反压的完全隔离。