大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及性能评估分析进展

综述了大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及评估问题。首先从减振设计需求出发,论述了发动机安装节开展动力学设计的重大意义,并对安装节的主要结构形式及特点进行了详细的阐述;进一步从军民用标准规范和工程实践经验出发,归纳了安装系统动力学设计技术要求;而后从动力学设计、性能评估、系统验证等方面回顾了涡扇发动机安装节的国内外研究现状,指出国内外差距主要体现在设计要求、设计理念和应用实践经验等方面。在此基础上,展望了大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及性能评估技术的发展趋势和热点。

基于冲击的涡扇发动机退化建模与下发预测

为解决多性能参数模型无法描述不同起飞推力下发动机性能退化的问题,利用单性能参数结合极端冲击模型描述起飞时发动机全功率运转对热端部件的热冲击影响,利用线性退化模型描述发动机自然退化过程,建立发动机性能可靠度退化模型。利用V2500发动机全寿命EGTM数据,结合最大似然估计给出性能可靠度表达式与模型参数,最后利用机队中同型V2500发动机非完整EGTM数据验证模型,预测下发时间,结果表明此模型预测下发时间和实际下发时间的误差小于3%,证明了模型的有效性。

涡扇发动机再压缩CCA系统热力循环耦合分析

为了提高发动机的推进性能和热效率,同时改善发动机冷却引气品质,在传统预冷冷却空气(cooled cooling air,CCA)技术基础上,建立基于再压缩CCA系统的典型飞机发动机热力计算耦合分析仿真平台.结合涡轮叶片平均壁温计算模型和飞机/发动机总体匹配模型,分析再压缩CCA系统对涡轮叶片冷却效果、发动机总体性能及相应飞行性能的影响规律.结果表明:采用减小引气比的方式未加力时推力最高提升7.88%,加力时推力最高提升2.03%;加力时耗油率降低、热效率提升,冷却引气总温降低100~120 K、总压提升4%左右,高压涡轮导叶冷却效果提高显著.采用提高燃烧室最高出口温度的方式未加力时推力最高提升22.81%,加力时推力最高提升3.70%;加力时耗油率降低、热效率提升,冷却引气总温降低90 K左右,且在各任务航段高压涡轮叶片温度均低于许用温度.两种方案再压缩CCA系统对发动机性能损失基本无影响,取功比在各状态下均低于0.25%.

脉冲爆震外涵加力涡扇发动机总体性能研究

为研究外涵装有脉冲爆震燃烧室(PDC)的混合排气涡扇发动机性能,建立其性能模型。研究了隔离段总压恢复系数和外涵循环参数对PDC特性和整机性能的影响;分析了发动机性能参数对部件参数的敏感性;在相同设计循环参数下与传统加力涡扇发动机性能进行了对比。结果表明:提高隔离段总压恢复系数能够增大PDC增压比,提升发动机性能;风扇压比一定,涵道比增大,发动机耗油率和单位推力增大;风扇压比增大,涵道比在0.2~0.4时,单位推力先增大后减小,涵道比在0.4~0.5时,单位推力先增大后基本不变,涵道比在0.5~0.9时,单位推力一直增大,但增幅逐渐减小。不同涵道比下耗油率随风扇压比增大一直减小;发动机性能对直接影响外涵气流状态参数的部件参数敏感性高;由于PDC的增压特性,脉冲爆震外涵加力发动机仅利用外涵部分气流组织燃烧就可使单位推力与传统加力涡扇发动机相当,且耗油率在设计点降低27.7%,非设计点降低12.8%~26.8%。

双转子转速协同规划的涡扇发动机加减速控制计划研究

当前涡扇发动机加减速控制计划,不能规划双轴加速进程,导致加速末期推力波动。本文提出了分阶段的加速度控制计划,按边界约束划分加速进程,基于动态稳定法设计初始加速度计划,通过寻找系统参数的超调临界点,协同修正初始加速度计划,满足边界约束的同时保证双转子加速时间相同。在仿真验证环节,与基于定状态法的控制计划比较,本文方法可避免燃油振荡现象,推力超调量降低2.43%,推力稳定时间缩短1.045 s;与等转速增量的加速度控制计划比较,进一步改进了本文方法,推力响应时间缩短0.24 s,控制计划设计耗时为7.5781 s。综上,本文方法缩短了推力超调量和推力稳定时间,有望应用于发动机控制计划在线计算。

面向检验试车的涡扇发动机多目标性能优化

涡扇发动机因其高推进效率、低燃油消耗率等特点广泛应用于军民用飞机,其性能直接影响飞行任务的安全与稳定。针对涡扇发动机不同状态下涡轮前温度与高压转速比指标进行性能优化,从而提高其一次检验试车通过率,具有重要现实意义。提出涡扇发动机的多目标性能优化框架,在某型号涡扇发动机历史生产数据集上,以检验试车过程中不同状态下涡轮前温度与高压转速比为目标变量,以某面积a、某面积b、某角度c为属性变量,建立涡扇发动机多目标性能模型并与目前主流算法模型对比验证,最后结合通过检验试车的后验概率推理与状态组合全局搜索,给出推荐状态组合表,辅助企业制定零部件生产制造装配标准,从而优化涡扇发动机性能、减少重新装配次数并提高一次检验试车通过率。

涡扇发动机装机条件雨天环境使用能力试验验证技术

为系统验证国产小涵道比涡扇发动机雨天环境下使用能力,以装机条件下该型动力装置为研究对象,采用装机条件下发动机吞水试验、模拟雨天滑跑溅水试验以及雨中适应性试飞3项试验研究了该动力装置雨天环境使用能力。经试验发现,发动机在装机吞水条件下发生喘振,在溅水试验和雨中适应性试飞过程中工作正常。试验结果表明,所设计的发动机雨天环境验证技术可以有效识别该型发动机吞水后喘振故障,系统验证发动机雨天环境使用能力。

基于部件级模型的涡扇发动机红外特征预测方法

为了在涡扇发动机总体设计和系统仿真阶段对红外特征快速评估,针对小涵道比涡扇发动机典型的轴对称式排气系统结构,提出了一种红外特征预测方法,并基于部件级模型构建了排气系统红外辐射强度的简化物理模型,以及尾喷流红外辐射强度的支持向量机模型,应用这两种模型分析了热力循环参数对发动机红外特征的影响,在开启加力后发动机红外辐射强度将比巡航状态提升1~2个数量级;讨论了发动机红外特征在飞行包线内的变化规律,在等转速条件下,排气系统红外辐射强度在低空高速状态的峰值约为高空低速状态谷值的1.35倍;尾喷流红外辐射强度在低空低速状态的峰值约为高空高速状态谷值的15倍;对比了外涵道引气和压气机引气冷却中心锥的红外抑制方案,前者对排气系统红外辐射的抑制效果优于后者,且对发动机总体性能的影响较小;最后分析了发动机过渡态时红外特征的变化趋势,其中排气系统红外辐射强度随油门的响应速率显著滞后于尾喷流红外辐射。

大推力并联混合动力涡扇发动机全航程综合能量管理策略设计及验证

为使大推力航空并联混合动力推进系统在考虑节能减排效益的同时,充分挖掘涡轮电气化后部件的性能提升潜力,本文依托某并联混合动力齿轮传动涡扇发动机(Parallel hybrid geared turbofan,PH-GTF)推进系统概念模型,在“发动机主燃油闭环+电动力系统转矩补偿”控制结构下,针对典型飞行航程所包括的低功率工况段、起飞爬升段、巡航段、下降段,分别设计了相应的能量管理策略,并基于不同飞行工况在全航程内进行调度。通过典型飞行航线下的数字仿真及硬件在环(Hardware in the loop,HIL)仿真验证,结果表明,相较于未采用混合动力改型的基线GTF发动机,应用所设计综合全航程能量管理策略的PH-GTF推进系统,该航线下总燃油消耗量和NO_(x)排放量分别降低5.70%和10.72%,其中在低功率工况下,可变放气活门(Variable bleed valve,VBV)可以减小54.35%的排气量;在航空节能减排所重点关注的等高等速巡航段,耗油量和NO_(x)排放量分别降低18.93%和30.19%。所设计综合全航程能量管理策略兼顾了部件性能提升和节能减排效益,符合未来绿色航空推进系统的设计理念。

舰载涡扇发动机高低温起动试验与分析

为验证某舰载涡扇发动机在高低温环境条件下起动特性,基于高低温起动验证试车台,通过模拟高低温进气和保温条件,开展了采用RP-3燃油和RP-5燃油的涡扇发动机高低温起动性能对比试验。分析了不同环境温度下发动机起动点火性能的变化规律;对比了不同环境温度、燃油种类、转速上升率对发动机起动性能的影响。试验结果表明,大气温度由60℃下降到-20℃,主燃烧室供油到点着火时间延长约1~2 s;在-20~60℃内,采用RP-3和RP-5两种燃油,发动机起动性能基本一致;给定转速上升率降低0.1%/s,低温起动时间延长0.01~0.06(相对值),在高压换算转速n_(Hcor)=0.3~0.5(相对值)转速范围内,反馈转速上升率与给定上升率最大差异为28.2%;整个起动转速范围内,主燃油供油流量最高下降10.8%,燃油总管压力p_(f)与高压压气机出口压力p_(31)之差最高下降10.1%。

大功率涡扇发动机负载下基于加速度调节的航空三级式电机起动控制策略研究

针对某大功率航空涡扇发动机电起动过程中,存在的因特殊负载力矩特性对地面电源瞬时功率需求变化等会影响起动可靠性,引起电源保护等问题,提出了基于加速度调节的三级式电机起动控制策略。在保证发动机起动成功的前提下,对不同速度范围内加速度进行合理规划,减小起动初始阶段的转矩冲击,降低对地面电源的功率需求。通过对该负载情况下仿真分析和台架起动试验,验证了所提起动控制方法的有效性,为航空三级式电机起动/发电系统在涡扇发动机上的应用提供了参考。

燃油喷射方向对微型涡扇发动机燃烧室性能影响的研究

针对某微型涡扇发动机燃烧室,通过数值模拟的方法得到燃油粒子蒸发与燃烧效率的关系,研究在燃烧室供油管中燃油喷射速度大小不变的条件下,燃油喷射方向对燃烧室性能的影响。研究表明:在不超过45°的范围内适当增加周向喷射角有利于增加燃油粒子的驻留时间,有利于更大粒径的燃油粒子在到达燃烧室出口前完成蒸发,从而提高整体的燃油蒸发率并提高燃烧效率;随着周向喷射角从0°增加到15°,燃烧效率从96.3%提高到97.2%。

大涵道涡扇发动机高温高压燃烧室试验器法兰保温方法研究

高温高压燃烧室试验器是我国大飞机大涵道涡扇发动机研制的重要试验平台。目前,国内同类试验器的进气参数仅停留在3 MPa和700℃以内的水平。针对高温高压燃烧室试验器进气法兰的保温方法,参考国外更高水平的燃烧室试验器设计了外部保温、外部加热、内部保温及内外同时保温4种方案,并采用有限元分析和美国ASME相关标准计算了不同升/降温速率下每种保温方案对应的温度场、应力场、疲劳和蠕变损伤。仿真结果表明,内部屏蔽隔热保温方式既能满足进气保温和升温速率要求,又能降低疲劳损伤和蠕变损伤,满足高温高压燃烧室试验器使用的长寿命要求。

转速-功率耦合摩擦通断式负载对涡扇发动机性能影响研究

针对传统航空发动机采用的高压轴功率提取方式容错能力低且功率输出能力不足,以及负载装置长时间运转等问题,提出了一种带离合装置的涡扇发动机低压轴功率提取方案,建立了系统耦合模型,搭建了整机试验系统并提出了试验方法。采用数值计算和试验验证相结合的方法,研究了转速-功率耦合摩擦通断式负载对涡扇发动机性能的影响。研究结果表明:涡扇发动机低压轴具备大功率提取能力,且发动机低压轴带负载起动、高低压轴大转速差运转等技术路径可行,但存在排气超温和压缩部件稳定裕度下降问题;降低负载功率、延长作动时间、选取适合的压紧力值并考虑安全裕度1.5、在发动机低状态作动等措施,有利于发动机在离合装置作动过程的安全运转;建立的系统耦合模型具有良好的仿真精度,稳态和动态计算误差均小于6%;试验方法合理有效,试验验证过程中各参数良好,可为其他类似相关试验提供参考。

多性能指标约束下的涡扇发动机大包线抗扰控制

针对涡扇发动机系统会受到状态扰动且需满足给定的多性能指标约束问题,本文基于大包线非线性变参数模型,设计了一种鲁棒非线性控制器.首先,将状态扰动对系统的影响看作系统参数的不确定性;其次,将性能指标约束转化为对系统状态误差的约束,通过设计指数衰减函数,限制系统的状态误差,进而使系统满足期望的性能指标;最后,采用多项式平方和技术,得到了控制器的可解性条件,并通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果说明,本文提出的控制方法使得涡扇发动机对状态扰动有明显的抑制作用,且闭环系统满足给定的动态和稳态性能指标.

面向大涵道比涡扇发动机的风扇纯音噪声经验预测模型

随着涡扇发动机涵道比的不断提高,风扇噪声对于发动机总噪声的贡献量越来越大,因此准确地预测风扇噪声对发动机的降噪设计和适航符合性评估具有重要的意义。在现有风扇噪声半经验预测模型架构的基础上,利用某型号大涵道比涡扇发动机的噪声试验数据,适应性地发展了风扇纯音噪声预测模型,将预测模型中的转/静间距函数与叶片后掠角及工况相关联,并提出考虑不同工况影响的指向性函数,预测精度较现有模型有大幅提升。与试验数据的对比表明,本模型的预测误差在5 dB之内,验证了新开发模型的准确性。

低红外特征涡扇发动机加速控制及影响规律研究

为探究红外抑制措施对发动机加速性能的影响,提出并制定了针对发动机排气系统外涵引气冷却的普适性加速控制计划,开展了低红外特征涡扇发动机加速控制及其影响规律研究。首先,建立了带外涵道引气冷却中心锥、全遮挡导流支板和尾喷管扩张壁面的发动机部件级模型,并在此基础上发展了排气系统正后向红外辐射特征计算模型;其次采用可行序列二次规划算法,针对采用了不同排气系统红外抑制措施的涡扇发动机分别制定加速控制计划;最后通过硬件在回路仿真验证上述加速控制计划对带红外抑制措施的发动机从慢车到中间状态加速过程的有效性。结果表明,与常规涡扇发动机相比,采用了高温壁面冷却虽然能降低发动机近50%的红外辐射特征,提高战机的隐身性能,但会导致发动机推力降低近6%,油耗上升4%以上,加速时间延长20%左右。

小涵道比涡扇发动机吞鸟能力仿真评估与验证

军用航空发动机的吞鸟能力须满足国军标和适航相关规定,可靠的发动机吞鸟能力评估方法是开展吞鸟试验的基础,可降低试验风险、提高试验成功率。以国内某涡扇发动机研制中的吞鸟能力仿真与验证项目为基础,提出基于仿真分析、动量类比法和接触应力类比法的发动机吞鸟能力评估方法。根据相关标准规范,确定试验要求,开展整机吞鸟试验验证,通过4次整机吞鸟试验,验证了本文提出的发动机吞鸟能力评估方法的准确性,获得了发动机吞鸟能力底数。试验结果和评估方法可为其他涡扇发动机型号研制提供参考。

航空涡扇发动机机械系统架构和技术综述

航空涡扇发动机机械系统对发动机的性能、可靠性、寿命具有重要作用。介绍了国内外航空涡扇发动机机械系统在发动机中的层级、架构组成及其演变,梳理了近30年来该系统的相关技术现状,提出该系统的技术发展方向为构建具有深度关联的系统架构,在系统架构的需求牵引下,从设计、材料、制造、试验等方面统筹协调、系统性发展。重点分析了中国航空涡扇发动机机械系统相关技术与国外的主要差距为现有的系统架构关联性不够紧密,系统性需求捕获不够完整,导致部件或系统在设计、材料、制造和验证上考虑不够全面,部分技术先进性不够。为中国的航空发动机机械系统技术发展提出了优化现有航空涡扇发动机机械系统架构,在系统需求牵引下系统性提升传统机械系统技术并发展磁浮轴承等先进技术的建议。虽然中国在航空涡扇发动机机械系统架构合理性和技术先进性上与国外相比存在一定的不足,但中国研究力量充沛,在国家相关部门围绕航空涡扇发动机机械系统统筹规划下协调发展,中国的航空涡扇发动机机械系统会很快达到国际先进水平。

基于聚类原理的涡扇发动机飞行剖面逐步分类方法

提出了一种针对涡扇发动机飞行剖面分类方法。该方法以某发动机的87个飞行实测起落数据为输入,选择反映涡扇发动机工作特性的飞行高度、马赫数和转速3个参数作为飞行剖面类别的判别依据,通过提取3个参数的特征值,基于聚类原理,运用逐步分类和散点图方法,将发动机的飞行剖面分成6类。与其他飞行剖面分类法相比,该方法选用的参数更全面,运用图形的方式更直观,考虑参数特征值的离散程度实现了降维,使分类具有可操作性。