飞机电推进系统高效能电机及其驱动控制技术

飞机动力系统的电气化是继机载二次能源逐步统一为电能之后航空电气化发展的重要方向和高级阶段,能够大幅提升飞机动力系统能量利用效率,是航空业绿色发展的重要途径。电机系统是飞机电推进系统的核心机电能量变换环节,高效能电机、电力电子变换及其驱动控制技术是电推进飞机发展的基础支撑。该文从电推进飞机动力系统架构出发,分析电推进飞机电机系统的特征与要求。总结永磁同步电机、异步电机、电励磁无刷同步电机和超导电机4种类型电机在电推进飞机上的研究和应用现状,系统讨论电推进系统中不同类型电机和电机驱动器的关键技术。最后,展望新材料、新器件、新工艺、人工智能和综合热管理等技术对电推进飞机电机及其驱动控制技术发展的推动作用。

区间划分改进相似性的发动机剩余寿命预测

针对传统相似性匹配方法易引入伪相似发动机导致预测精度不高的问题,提出一种结合发动机性能退化特点与相似性匹配特点的区间划分改进相似性剩余寿命(RUL)预测方法。利用堆栈自编码器基于选择的参数构建健康指数;根据测试发动机的已知运行循环进行区间划分,利用传统相似性匹配方法进行初步筛选;对于不同区间下的测试发动机,分别使用不确定性修正和退化一致性检验去除初选参考发动机中的异常发动机,得到最终的剩余寿命预测结果。利用NASA的C-MAPSS数据集进行验证,结果表明:所提方法的预测精度比当前相似性匹配方法提升了34%,证明了方法的有效性。

基于ARM的电阻炉炉温控制系统设计

在科学技术突飞猛进发展的背景下,现代工业生产中的电压、电流、开关量等都是重要的被控参数,在冶金制造业中,温度是器件生产过程中非常重要的物理参数,需要对各种加热炉的温度进行严格控制,对其温度变化进行实时监测,确保炉内温度满足制造器件的需求。电阻炉在金属热处理中具有较为广泛的应用,是进行金属锻压加热、烧结的重要工业设备。电阻炉温度控制多采用自动化控制系统,实现智能化管理,保证炉温的均匀度以及零件温度的均匀性,提高生产的可靠性和稳定性。从电阻炉温度控制的难点入手分析,结合电阻炉温度控制系统的设计原则,提出一种基于ARM处理器的电阻炉炉温控制系统设计方案,能够提高电阻炉温度控制的精度,保证工业生产的稳定性。

径向油孔结构对环下润滑高速轴承内部流动特性的影响研究

为了研究径向油孔结构对环下润滑高速轴承内部流动特性的影响规律,根据高速轴承内部流动特征建立了数值计算方法,针对包含输油通道、径向油孔和轴承组件的物理仿真模型开展了油气两相流动计算,对比并讨论了不同径向油孔结构下轴承内部的油气分布和黏性摩擦损失。数值模拟结果表明,径向油孔孔径增大后轴承内部的平均滑油体积分数单调增加且滑油分布更均匀。径向油孔布设在周向油槽的同侧有利于提升轴承内部的平均滑油体积分数,同时滑油沿周向分布的均匀性较好。轴承组件表面扩展参数受径向油孔结构的影响,其变化趋势与平均滑油体积分数的变化相似。全部采用经验公式预测得到的黏性摩擦损失整体偏高,且不能反映径向油孔结构参数的影响,数值模拟和经验公式相结合计算得到的黏性摩擦损失与直接采用数值模拟获得的结果表现出较好的一致性。

航空发动机轴承—支承结构系统产热计算与分析

开展轴承—支承结构系统的热源分析与产热量量化计算,能够为轴承腔热防护设计提供可靠依据。通过传热学、摩擦学等理论分析,建立航空发动机轴承—支承结构系统产热分析模型,开展轴承—支承结构的一维流热耦合计算,对航空发动机压气机和涡轮的中介承力框架进行产热量分析,评估巡航工况下不同热源对轴承—支承结构系统产热量的影响。结果表明:压气机中介支承结构右侧框架的壁面温度沿径向向上增加1.73%;由于主流道与盘腔之间存在级间封严,对流传热系数沿径向向上增大20倍,产热量占比最高的热源为支承结构壁面传热、轴承生热和密封装置生热;轴承—支承结构内的密封装置生热量在压气机中介承力框架内占比29%,在涡轮中介承力框架内占比35%。

高弹性刷式密封刷丝轴向变形规律流固耦合研究

为探究刷丝弹性模量对刷式密封轴向变形影响规律,基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)显式动力学流固耦合方法,计算对比了新型高弹性材料刷丝SOFN和传统材料刷丝GH605在相同的刷式密封结构下、不同压差下的泄漏特性、轴向总体变形、刷丝自由端轴向变形与扰动以及不同弹性模量的理想刷丝轴向变形规律。得出结论:在不同压差下刷丝材料为SOFN的刷式密封和材料为GH605的刷封的泄漏量基本一致;在高压差条件下,GH605前排刷丝出现逆轴向大变形导致刷丝分离引起密封失效;SOFN刷丝比GH605刷丝有更小的轴向弯曲变形与轴向扰动,在0.2 MPa,0.4 MPa,0.6 MPa压降下轴向变形量最大降低了3.5%,2.7%和2%;轴向扰动量最大降低了37%,24%和32%。存在一个最佳的弹性模量范围,使刷丝的变形量最小。验证了SOFN刷丝有更高的承压能力,有效提高刷式密封性能。

刷衬-篦齿密封泄漏流动特性数值模拟研究

为进一步提高空气涡轮火箭发动机(Air-Turbo Rocket Engine,ATR)在高封严压差下的密封性能,同时避免接触式刷式密封摩擦升热问题,建立了刷衬-篦齿密封结构和数值模型,在已有刷束泄漏流动实验数据验证模型准确性的基础上,计算了刷衬-篦齿密封不同结构参数下的流场、压力分布和泄漏流量,分析了刷衬-篦齿密封各主要结构参数对密封性能的影响,结合参数与泄漏流量之间的关系,改进了刷衬-篦齿密封的结构。结果表明,刷衬-篦齿密封泄漏的主要来源为篦齿与刷束之间间隙的“透气效应”,减小篦齿与刷衬之间的间隙、刷丝直径、刷丝自由高度可不同程度地减小泄漏率;而减少齿数、刷束厚度、齿顶宽度、篦齿间距、刷束密度等参数则导致泄漏的增加,其中篦齿与刷衬之间零间隙泄漏率约为间隙0.3 mm时的23%;改进后的刷衬-篦齿密封泄漏率较原刷衬-篦齿密封低8.9%,密封性能得到进一步改善。

航空发动机液压弯管流固耦合振动特性分析

为研究流固耦合作用下多弯曲段液压管道的流体流动与管道振动之间的动力学特性,基于ANSYS Workbench平台分析了航空发动机某易故障部位弯形液压管道的预应力模态,通过SST k-ω湍流模型模拟计算不同流体流速下弯形液压管内流体的流动状态,获得了不同管内流体流速与管道形变以及等效应力之间的关系,得出在允许最大流速下弯管的形变随曲率半径的变化趋势,并总结出该液压弯管不同充液状态下的前六阶固有频率的变化趋势。结果表明:管道形变随流体流速的增加而增大,随曲率半径的增大而减小;弯管不同充液状态下管道的前六阶固有频率随阶数增加而增长且同阶下空管的固有频率大于充液弯管的固有频率;最后通过充液弯管的前六阶振型图分析了不同阶频率易发生形变的部位研究,可为航空发动机弯形液压管道的设计提供参考。

燃气轮机可转导叶执行机构延迟特性分析

针对燃气轮机可转导叶执行机构延迟特性的问题,本文基于所搭建的物理试验台进行了可转导叶执行机构仿真和试验研究,给定可转导叶执行机构不同的位移控制信号,观测其反馈的实际位移,得出了可转导叶执行机构的延迟特性,并基于试验数据验证可转导叶执行机构仿真模型。试验结果及仿真模型机可用于提高燃气轮机考虑可转到叶影响时的动态仿真精度。

基于系统辨识的航空发动机稳态燃油自抗扰控制

自抗扰控制技术应用于航空发动机稳态燃油控制存在两个难点:发动机中的高频不确定动态导致扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)增益过高和名义控制系数整定困难。针对此现状,提出一种基于系统辨识的航空发动机稳态燃油自抗扰控制器。首先,使用经典Gram-Schmidt(Classical Gram-Schmidt, CGS)算法对控制系数和发动机未知动态进行辨识,将辨识信息加入ESO中设计改进ESO (Improved ESO,IESO),从而使总扰动中包含较少的高频动态,降低观测器增益。其次,基于IESO设计航空发动机稳态燃油自抗扰控制器,并根据辨识结果快速整定名义控制系数。最后,分析IESO观测误差的收敛性和闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提方法可以快速整定名义控制系数,有效降低观测器增益,进而提高系统的鲁棒性。

直升机发动机燃油控制机械备份的操纵特性

针对典型的采用自动控制+机械备份操纵的直升机发动机燃油控制系统,分析了不同控制模式下机械备份操纵的油门响应特性。依据发动机手册图示的燃油控制系统原理,推导了机械备份操纵的油门响应特性函数,并与试验数据进行了对比验证。机械备份操纵特性分析表明:手动控制模式下的机械备份操纵的油门响应与自动控制失效时锁定的位置相关;自动控制有效时进行的机械备份操纵是一种混合模式操纵,具有与手动控制模式不同的油门响应特性。

飞机液压系统常见故障诊断及预防措施研究

飞机液压系统是飞机运行中的重要系统,飞机运行时液压系统的安全性、可靠性决定了飞机的安全性能。现阐述了液压系统的工作原理及组成,结合案例数据分析及维护使用特点,分析总结了液压系统常见的故障原因及解决方案,根据行业规范提出了相关的改进建议,为进一步保障液压系统安全稳定运行提供了有益的借鉴。

轴心射流收油环内部油气流动特性的数值模拟研究

为研究环下润滑结构内部油膜迁移及流动特性,针对轴心射流收油环采用VOF (Volume of fluid)方法开展了数值计算,获得了收油环端面油膜动态形成过程,在分析流场特征的基础上,讨论了收油环运转工况及结构参数对内部油膜形态、滑油体积分数、油膜速度和供油孔输油能力的影响规律。结果表明:收油环端面油膜呈圆盘状迁移,边缘破碎形成油滴、油带甩至侧壁面,在供油孔内以“月牙形”分布加速流动,收油环端面油膜厚度随主轴转速增大而减小,随喷嘴流量上升而增加;提高转速降低了供油孔内滑油含量,使孔内油膜加速流动,孔内滑油含量随喷嘴流量的上升而增大,随供油孔径的增加而下降;喷嘴流量与供油孔径的改变对孔内流速影响较小;增加孔径与提高收油环转速可加强供油孔输运能力,8 kr/min下提高喷嘴流量使无量纲输油量Cq平均降低了40.71%,提高孔径使Cq最大提高了57.14%,转速的增加使Cq平均增加25.87%。

篦齿封严结构高速旋转碰磨实验研究

针对压气机铜银锌封严环在航空发动机转子高速旋转过程中与篦齿之间发生的碰磨现象,利用最高转速45000 r/min的高速旋转实验台进行实验研究,得到了封严环碰磨区域的表面形貌以及磨损槽尺寸,并获得了封严环初始温度、篦齿径向侵入深度对封严环碰磨区域径向与轴向温度分布以及碰磨力的影响规律。实验结果表明:在篦齿径向侵入速率V_(r)≥0.04 m/s时,碰磨过程中铜银锌涂层会发生塑性变形,在磨损槽两侧产生毛刺;碰磨过程中封严环碰磨区域温度会急剧升高,距封严环内壁面径向距离越近的位置温度越高,但在同一径向距离的不同轴向位置温度基本接近;碰磨力和温升随封严环初始温度的升高而减小,而篦齿径向侵入深度的增加则导致碰磨力和温升增大;相同工况条件下,篦齿径向侵入时的碰磨力和温升变化要比轴向侵入时更剧烈,碰磨产生的径向力显著大于轴向力。

轴对称矢量喷管平移控制系统运动学建模仿真

为解决轴对称矢量喷管原始偏转控制方案中出现的奇异性问题及出口截面光顺性较差的问题,提出了一种新型平移控制方案。利用CATIA设计了轴对称矢量喷管平移控制系统的三维模型,在DMU模块中进行运动仿真并激活传感器追踪驱动舵机的旋转角度数据。将三维模型尺寸数据及约束关系代入MATLAB中,建立了空间运动学方程,进行数值计算、曲线拟合及误差分析。获得了描述喷管矢量偏转角、矢量方位角与舵机旋转角映射关系的二维插值模型,进而建立了各个控制周期内矢量偏转角、矢量方位角的动态控制指令。仿真结果表明:该平移控制方案不存在奇异位置且出口截面形状较好,提高了喷管的可靠性及密封性,满足轴对称矢量喷管的精准控制需求,最后通过模型样机进一步验证了该平移控制方案的可行性。

燃气涡轮发动机典型篦齿封严特性实验研究

篦齿封严特性对燃气涡轮发动机工作效率和功耗具有重要的影响。以典型直通斜齿型篦齿结构为研究对象,采用实验测量方法,揭示在不同转速和压比下篦齿封严间隙对泄漏量、温升和旋流特性影响规律,并定量评估转速、压比和间隙对封严特性的影响程度。结果表明,在实验工况范围内,篦齿泄漏量为0.0358kg/s~0.2010kg/s,篦齿封严温升为2.8K~21.2K,篦齿腔室出口旋流比为0.23~0.42。篦齿间隙和压比对篦齿泄漏量影响具有重要的敏感性,篦齿系统压比、间隙和转速对篦齿温升特性影响的敏感性程度依次递增,转速对篦齿腔内旋流特性影响的敏感性程度最大。研究结果为篦齿封严设计提供工程参考。

第3代新型低碳高合金钢弧齿锥齿轮失效分析

在中央传动调试试验中发生主动弧齿锥齿轮轮齿断裂故障,并连带其他部件产生不同程度损伤。主动弧齿锥齿轮整个圆周的接触印痕偏向小端一侧、靠近齿底,从动弧齿锥齿轮接触印痕分布在小端齿顶部位,印痕已不完整、局部超出工作面。为了排除15Cr14Co12Mo5Ni2钢弧齿锥齿轮试验中发生的断裂故障,对齿轮进行宏观检查、断口分析、组织检查、硬度测试、成分分析、啮合印痕仿真分析与验证,确定了故障齿轮断裂的性质和产生原因。结果表明:主动弧齿锥齿轮为高周疲劳断裂,疲劳起源于小端面与齿凸面根部转接棱角部位,与材质与冶金缺陷无关;在工作过程中存在异常咬合是导致该齿轮产生早期疲劳开裂的主要原因。建议优化齿面加工参数,提高齿轮工作过程中的咬合质量,从而避免此类故障再次发生。

某型涡轴发动机燃气涡轮转速跳变故障分析

目的针对某型涡轴航空发动机在直升机地面试车和空中飞行过程中均出现右侧发动机燃气涡轮转速(Ng)跳变现象,且转速跳动数值超出允许范围这一问题,提出解决方案。方法从燃气涡轮转速数据测量原理出发,通过建立故障树排故方法,检查可能对Ng造成跳变影响的各相关部位,并进行相关附件的更换。结果通过一系列排故工作,并结合发动机地面试车情况,对故障源头进行了准确定位,确定跳变为Ng传感器与发动机传动齿轮配合间隙过大导致的假跳变,非Ng转速真实发生跳变,是较为罕见的故障源。结论经过发动机厂专家的验证,完成传动齿轮的更换,排除了故障,并给出了预防和排除该类型故障的建议。

油滴与高温固体壁面碰撞的流动与传热及飞溅特性

考虑油滴(油膜)/固体壁面接触角动态变化和油液热力学特征参数受温度影响,基于流体体积法建立了油滴与高温固体壁面碰撞的三维流动与传热数值计算模型,通过试验验证了数值计算模型的正确性。基于数值计算模型,分析了油滴碰撞高温固体壁面后的流动与传热及飞溅特性,以试验和数值计算结果为基础,建立了描述油膜铺展/飞溅临界判据。结果表明:油滴碰撞高温固体壁面后的状态与碰撞条件有关,破碎、飞溅有利于油膜的铺展流动;二次油滴是油膜边缘破碎产生的油带断裂而成,大直径二次油滴分裂为小直径油滴;随油膜铺展进程,壁面平均热流密度增大,而油膜的径向热流密度则逐渐减小;增大碰撞速度、油滴直径和润滑油温度,有利于油膜的破碎与飞溅,二次油滴数量和下飞溅角均随之增大。

某型航空发动机核心机起动点火性能优化方案研究

在某型发动机核心机试验中,出现起动喷火、点火时间波动、点火时间过长等现象。该文通过对该型核心机起动点火时的影响因素进行分析,找出影响该次试验的关键因素是分配器后的燃油管路填充速度偏慢,点火时燃油喷嘴进口压力偏低,喷嘴在低压差情况下燃油雾化效果差,导致不能在第一时间点着火。结合试验数据与发动机实际附件特性,提出该型核心机的起动点火优化方案,增大起动点火前初始供油流量,延后开始供油与点火时间后,达到优化点火电嘴的工作环境,加快点火速度,减少点火前的燃油泄漏的目的。试验结果表明,优化方案可解决该型核心机在地面台架试验时的起动点火问题。