【项目精选】153期：动力与军工机械设备技术

项目一、高超声速转捩边界层气动加热机理研究高超音速飞行器是本世纪正在研发的前沿科技新项目，它又被称作“近空间高超音速飞行器

项目一、高超声速转捩边界层气动加热机理研究

高超音速飞行器是本世纪正在研发的前沿科技新项目，它又被称作“近空间高超音速飞行器（NSHV）”。这种飞行器飞行高度可达离地面20〜100km的大气层空间，这一空间位于低轨卫星轨道的下方、一般飞机的飞行高度的上方，包括大气平流层、中间层和部分热层，是尚待开发的近空间区域。

我研究团队在高超声速转捩边界层气动加热机理研究上取得突破，相关结果发表在流体力学重要期刊 Physics of Fluids: Letters, J. Fluid Meeh., AIAA J.在国际上引起高度关注。国际学界高度评价了该项工作，认为其构建了气动加热新原理，对于改进高超飞行器的设计，提高其安全性具有极为重要的意义。一般认为高超声速边界层中的气动加热来自于壁面摩擦力的剪切做功，技术团队通过实验并结合理论和计算方法，发现由包括胀压粘性在内的胀压做功过程会在转披前期产生剧烈的气动加热，其大小可能超过完全湍流状态下的气动加热值，这一过程与由二次模态波引起的高频压缩——膨胀过程紧密相关。这一重要发现告诉人们，在高马赫数流动中，胀压做功特别是胀压粘性系数的作用不可忽视，准确评估其大小对于高超转披的理论分析和计算建模具有极为重要的意义。

项目二、线性/非线性一体化相控阵超声检测系统

无损检测在现代工业中受到越来越广泛的关注， 超声检测方法由于其适用性广、绿色环保等优点，一直以来是应用最广泛的无损检测方法。相控阵超声检测技术具有检测速度快、效率高、缺陷检出率较高、检测方法灵活多样以及适用于狭窄空间等优点，因而近年来在能源、航空、化工以及复合材料和焊接等无损检测领域中得到了越来越广泛的应用。

目前所有的相控阵超声检测产品均采用线性超声模式，只用单极向的负脉冲进行发射。线性超声对于微小缺陷，如裂纹、微孔洞的检测结果不是非常理想。随着 材料科学的发展，工程实践中对无损检测技术的要求也越来越高，尤其是对微小缺陷、复合材料结构的检测等需求对传统超声相控阵技术的检测能力提出了挑战，将非线性超声检测技术应用于超声相控阵中是解决上述挑战的一种途径。

线性/非线性一体化相控阵超声检测系统采用反相脉冲发射技术和合成波束技术，在国际上首次实现了线性/非线性一体化的相控阵超声检测系统，开发出具有独立知识产权的便携式相控阵超声检测产品。测试结果表明，非线性相控阵超声检测技术与线性检测技术相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点。该产品的总体性能优于国外目前在售的主流相控阵超声检测仪器。

项目三、连续爆轰发动机

爆轰是超声速燃烧，与传统的火箭燃烧室内的等压燃烧不同，爆轰燃烧是等容燃烧，能将可燃气体的压强和温度提高十几甚至是几十倍。连续爆轰发动机燃烧室为同轴圆环腔，利用沿圆周方向超声速传播的爆轰波，可以实现一次点火、连续进气、连续排气。连续爆轰发动机结构简单、热效率高、比冲大、小尺寸实现大推力、燃料流量大幅可调、可重复点火使用。使用连续爆轰发动机,可实现长巡航、高机动、强突防、单级入轨、超声速乃至高超声速飞行。

连续爆轰发动机有如下可能的应用：连续爆轰火箭式发动机可用于各类运载火箭、弹道导弹上。小型连续爆轰火箭发动机可用于变轨、姿控、再入上。连爆轰吸气式发动机可用于巡航导弹、临近空间飞行器。连续爆轰用于涡轮喷气发动机上，可大幅减少压气机段数，减轻涡轮负荷，提高推重比。

研发团队经过多年研究验证了概念的可行性、给出了三维燃烧波的结构、验证了多波头现象、提出并验证了无内柱连续爆轰的可行性。研发团队自行设计了连续爆轰的燃烧室和与其配套的系统。经过对关键技术的攻关，一举实现了连续运行2秒，旋转12000周的突破性进展。

项目四、无焰燃烧冷凝锅炉

无焰燃烧是近二十年国际燃烧领域发展的一种最新的燃烧方式，它的另一个名称叫“温和低氧稀释”(MILD)燃烧。该燃烧是低氧、低温(900-1200°C) 条件下的容积燃烧，具有无焰透亮、热流分布均匀、燃烧噪音小及温度波动小等特点。相比传统的局部高温有焰燃烧，低温燃烧要求小得多的炉膛空间，故平均炉温提高、辐射传热大大增强，热利用效率显著提高；非常重要的是它的污染物(NOx和CO等)排放几乎为零！

无焰燃烧冷凝锅炉采用世界领先的全预混MILD燃烧技术，使气体燃料与空气在燃烧发生前百分之百地充分混合，减少完全燃烧需要的过剩空气，降低了空气的需求量，并提高了排放烟气的露点，使烟气更早进入冷凝阶段。

传统锅炉中，排烟温度一般在160-250°C，使得燃燃烧时产生的水(如CH4+2O2 —CO2+2H2O)在烟气中处于过热状态的水蒸汽，随烟气从烟囱中流失，炉热效率最高只能达到91%。而无焰燃烧冷凝锅炉把排烟温度降低到60°C左右，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热，热效率可达106%。同时在能量回收过 程中，由于上述无焰燃烧降低了有害气体特别是氮氧化合物(<10ppm)的排放，缓解了环境污染的问题。

项目五、新一代空气冷却器的研发

该技术可广泛应用于以下领域：新建空冷机组，如火电厂、核电站、垃圾电站、燃气-蒸汽联合循环电站等；已投产的湿冷机组，研发新一代空冷器，实现湿冷机组的空冷化改造；空冷设备生产厂家，可提供一套空冷器传热优化设计与研发的理论体系，增强企业自主研发能力；其他空冷相关行业，如冶金、石油、机械、化工、纺织、建筑等。

该技术具有较强的先进性，与原有空冷系统相比， 新型空冷器设备投资减少20%,空冷效率可提高8%,减小空冷器散热面积20%,减小真空系统体积30%, 降低空冷器运行过程中的厂用电消耗30%,缓解空冷凝器负荷容易受环境和气候影响等问题，提高机组真空度，提高系统热利用效率和发电效率。

目前，新一代空冷器优化技术相对比较成熟，已完成空冷器传热优化设计、新型空冷器模拟实验的相关计算和验证过程，并进行长时间的测试与完善，后期将通 过建立相应的实验平台，完成对新型空冷器实验阶段的相关测试。

项目六、跨临界C02热泵机组

在我国热电厂、钢铁、油田、化工等行业，余热（废热）利用率低，循环冷却水排放热量巨大，将每年工业排放热量折合标准煤约为70-114万吨。如果将这些大量的低品位热源通过热媒增热或升温，用于生产、生活之中，高效、绿色环保的制冷工质就是其技术关键所在。

技术研发团队在对现有18kW跨临界C02热泵系统集成优化计算的基础上，开发了1MW跨临界C02热泵系统设备，对1MW跨临界C02热泵系统设备进行设计计算和图纸设计、设备选型、设备系统的集成、校核计算。对供暖系统进行集成优化。开发适用于大型跨临界C02热泵机组的满液式蒸发器，使用膨胀机代替膨胀阀或喷射器，回收C02膨胀过程中损耗的能量

与普通湿冷机组相比，跨临界C02热泵机组将热量回收再利用，将冷水加热到90°C用于集中供热，提高机组的热经济性。与热电联产机组相比，跨临界C02热泵机组使汽轮机高真空运行，对电厂发电量没有影响。在对老厂改造方面较简单，只需要在电厂冷却水管路上，外接取水管路即可。因此可广泛应用于现有的电厂中，经济可行而且潜力巨大。

目前，MW级跨临界C02热泵技术相对比较成熟，实验室试验样机已经建立，并进行长时间测试与运行，现在已经开发了10kW和1MW跨临界C02热泵系统设备。