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超燃冲压发动机作为高超声速飞行器理想的推进装置,其系统的设计与集成至关重要。本文采用超临界/裂解态煤油驱动涡轮泵和乙烯辅助起动方案,结合数值仿真、理论分析等手段,对膨胀循环超燃冲压发动机系统的工作特性展开研究。设计了膨胀循环超燃冲压发动机系统的总体方案。基于长时间工作的煤油再生冷却超燃冲压发动机的功能需求,选择了泵压式膨胀循环系统,集成了采用煤油作为介质的叶片式离心泵和冲击式涡轮的详细设计方法,建立了所需的燃烧室数学模型。研究了煤油冷却通道的传热特性。建立了模拟煤油的PPD替代模型在超临界压力下的流动传热过程的数值计算方法,并简要分析了对流传热机理和流/固/热耦合机理,验证了Stiegemeier公式在煤油传热中的适用性。分析发现:超临界压力下煤油的流动换热可认为是单相强制对流换热,相同主流温度下流速越大传热系数越高;煤油加热至拟临界温度后,相同主流温度下压力越高传热系数越大;由于附壁面处发生裂解反应,相同主流温度下热流密度越大传热系数越低。基于iSIGHT平台分别提出了涡轮和泵自动化CFD仿真流程,建立了煤油涡轮和离心泵的详细设计方案,按照涡轮泵内部流场的特点对涡轮泵进行分区网格划分,设计并验证了定常/非定常工况下的数值计算方法。在前两部分的基础上开展了煤油涡轮泵工作特性和系统起动过程瞬态特性的研究,分析发现:离心泵出口压力对扬程的影响可忽略不计;在流量范围内,变速调节时输入轴功率单调递增而效率基本不变,节流调节时输入轴功率和效率均单调递增;考虑到研究的涡轮泵在节流调节时扬程几乎不变的特点,综合调节法更适合于变压调节,而分流调节则适合于输入轴功率随流量单调变化的煤油离心泵进行恒压调节。根据煤油涡轮效率与速比的关系曲线,发现涡轮效率总体偏低,设计方案有待改进;25000rpm转速下当流量大于1kg/s时涡轮可满足泵的功率需求;压比调节时涡轮压比pt1/pt2和绝热功Lad与输出功率正相关,而速比u/c和效率η则与输出功率负相关。乙烯辅助起动过程中,煤油泵的内流场与外特性的变化十分迅速;乙烯涡轮存在超声速使用的问题,内部流场几乎不随时间变化;起动过程中乙烯涡轮提供的轴功率足够满足煤油离心泵的需求。本文在膨胀循环超燃冲压发动机系统工作特性方面取得的研究成果,为后面进一步的工作特性研究奠定了良好的基础。