航空涡轮发动机的现状及未来

自从20世纪40年代初期出现燃气涡轮以来,燃气涡轮的发展取得了巨大成就。目前,燃气涡轮发动机占据航空动力的主导地位,是知识密集、军民两用的高科技产品,是国家科技工业水平和综合国力的重要标志,成为各大国大力发展、高度断、严密封锁的关键技术。经过半个多世纪的发展,航空涡轮发动机技术取得巨大进步,推动了飞行器和航空工业的蓬勃发展。未来,随着材料、制造等基础工业的发展,航空涡轮发动机将迎来新一代的飞跃。

氢预冷涡轮发动机研究进展及关键技术

高速涡轮发动机及其组合动力装置是高超声速飞行器技术的基础和关键。随着飞行马赫数提高,来流空气总温显著升高,发动机推力急剧减小。在此背景下,进气预冷成为扩展航空涡轮发动机工作速域的主要方向。液氢同时具备高热值和高热沉,是燃料换热预冷的理想工质。因此,氢预冷涡轮发动机被视为实现临近空间高超声速飞行的重要技术之一。回顾了国外氢预冷吸气式发动机的发展历程,分析了各型发动机的主要特点,并根据预冷目的归纳总结了面向氢氧火箭以及面向冲压或涡喷发动机的2类氢预冷技术。在此基础上,考虑氢预冷涡轮发动机的工作需求,对其研发中的关键技术进行了梳理。与传统航空发动机相比,氢预冷涡轮发动机由于采用了新的循环、燃料和结构,给总体、传热、燃烧、材料等方面带来了诸多挑战。其中的关键技术包括:预冷系统与发动机总体性能的全工况稳态和动态匹配技术;高功重比预冷器的设计、成型和防冰技术;氢燃料动态高精度计量和燃烧控制技术;涉高压氢部件的氢损伤抑制及预测技术等。

基于特性数据的燃气涡轮发动机修正方法

针对燃气涡轮发动机部件特性不匹配造成的模型计算参数与实际试车参数之间的误差问题,提出一种基于特性数据的燃气涡轮发动机部件特性修正方法。通过变缩放参考中心依次对设计点、慢车点进行整体修正,实现特性图在整个工况范围内的大致覆盖。通过局部修正非设计点所在的由相邻等转速线和β线所确定矩形域的特性数据,并采用插值法和拟合椭圆曲线法对等转速线的其他数据点进行补充修正,得到与试车数据匹配的特性图。以涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,结果表明:所提出的特性修正方法能准确、快速地对发动机部件特性进行修正,与试车数据相比,修正后的模型各稳态点误差精度均在1.5%以内,满足工程精度需求,可用于发动机控制系统研究。

基于优化生成对抗模型的涡轮发动机转子不平衡异常检测方法研究

为探究转子系统在高温环境下出现的不平衡异常,以及克服异常检测领域中对时间序列信息不敏感,需人为提取潜在特征等难题,聚焦于高温环境下转子系统的不平衡异常检测,提出一种优化生成对抗模型。该模型结合长短期记忆网络对时间序列数据处理的优点以及自编码器网络优良的潜在分布映射能力,仅以正常数据进行训练,有效解决了异常数据量不足的问题,其过程也实现了无监督训练。以某弹用涡轮发动机高压转子系统不平衡异常检测为例,在600℃工作环境下对所提方法进行验证,模型能对不平衡发生的异常时刻进行较为准确的判断,实现了端到端的特征提取以及不平衡状态异常检测。将该网络模型与其他3类异常检测算法进行了对比,结果表明,所提模型的评价指标均位于99%以上,可以更加有效地评判转子系统时序数列样本的健康状况,具备更加全面的异常评判效果,能较好地为涡轮发动机的正常使用寿命时间提供指导建议。

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明:变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。

军用航空涡轮发动机润滑油装机适应性试验研究

随着航空涡轮发动机技术的迅猛发展,发动机涡轮前温度、增压比不断上升,发动机向高温、高原、高寒等工作环境拓宽,需不断地发展新型的航空发动机润滑油以满足发动机发挥应有效能。该文分析滑油使用特性对航空发动机的影响,介绍美国和俄罗斯的航空润滑油认证规范与程序,并与国内相关标准进行对比分析,阐述新型军用航空润滑油的认证程序,对滑油装机适应性应开展的试验试飞科目提出建议。

涡轮发动机高速旋转状态失衡振动故障诊断系统

涡轮发动机是一种通过燃烧燃料并利用高速流动气体产生动力的发动机,在高速旋转状态下,其失衡振动会导致涡轮发动机各部件的磨损加剧,减少使用寿命;为了有效解决这一问题,设计一种涡轮发动机高速旋转状态失衡振动故障诊断系统;该设计将系统框架划分为3层结构,包括下位机层、上位机层以及客户端层;该系统采用振动传感器和声音传感器采集高速旋转状态下的涡轮发动机工作过程中的状态信号,并通过变送器将信号转变为可被下位机识别的信号;下位机运行处理程序,对信号实施滤波,提取故障特征,然后通过Zigbee远程通信模块将信号转发给上位机;上位机层运行知识图谱诊断程序,构建发动机失衡振动故障的知识图谱,并结合贝叶斯网络推断故障类型,计算故障发生概率,实现高精度的失衡振动故障诊断;实验结果表明:与3种传统诊断方法相比,所设计系统的ROC曲线在最上方,曲线下方的面积更大,AUC值=0.847,说明所设计系统的故障诊断能力强,能保证诊断结果的准确性。

航空燃气涡轮发动机的起动控制与试验研究

航空燃气涡轮发动机在起动过程中,极易因为供油量不够精确而出现“热悬挂”和超温问题从而导致发动机的运行故障,甚至影响发动机的正常使用寿命。为了实现对发动机起动控制过程中供油量的精确控制,有效解决起动过程中的“热悬挂”和超温问题,本文以某型燃气涡轮发动机为研究对象,提出了发动机起动控制方案,并利用试验模拟的方式验证了该方案的效果与可行性,然后根据试验结果对相关控制参数进行调整优化,使发动机起动过程中涡轮出口的排气最高温度大幅度降低,且温度到达峰值的时间也有所缩短,从而有效避免了超温问题对发动机的损坏。

一种涡轮发动机加速控制规律设计的新方法

提出了一种涡喷、涡扇发动机加速控制规律快速设计的新方法:在发动机稳态特性计算模型的基础上,通过额外增加转子提取功率,使得发动机稳态工作点(线)靠近喘振边界,在同时考虑燃烧室富油熄火边界、涡轮进口总温限制以及压气机喘振裕度限制的条件下,利用适当的控制规律描述形式并结合发动机工程研制中的经验,能够快速而准确地获得涡喷、涡扇发动机加速控制规律。对某型涡喷发动机加速控制规律的改进的计算结果表明,提出的加速控制规律的设计方法准确而有效。

航空燃气涡轮发动机气路故障诊断现状与展望

燃气涡轮发动机在航空、地面和舰船上有着广泛的应用,对其进行性能评估和故障诊断有着重大的现实意义。本文对发动机气路诊断的发展以及当前的主要气路诊断方法如故障方程法,基于非线性模型的诊断方法,基于人工智能等方法进行了综述,最后对航空发动机气路诊断的发展进行了展望。

非加力涡轮发动机排气系统红外辐射强度的数值计算

研究了非加力涡轮发动机排气系统红外辐射强度的数值计算方法.计算中考虑了固体壁面的发射与反射,以及燃气中水蒸气、二氧化碳和一氧化碳的吸收与发射.应用该方法计算了某涡扇发动机排气系统缩比模型的红外辐射强度,并且与实验结果进行了比较.结果表明,该方法能够比较精确地计算非加力涡轮发动机排气系统在3～5μm波段的红外辐射强度,具有工程实用性.

涡轮发动机部件特性自适应模型的确定方法

针对现有航空涡轮发动机部件特性自适应模型中存在的不足,提出了合理的解决方法:根据测量参数合理选择部件特性修正因子;使用部件特性删除法求解部件特性修正因子;部件特性修正因子的数值拟合方法。采取这些改进措施后,使得现有航空涡轮发动机部件特性自适应模型得到改善。计算结果与两种型号的涡喷发动机的试验数据对比表明本文的改进方法合理。

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件 ,通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的 ,因此 ,高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性 :不透明界面和半透明界面 ,镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。

大型飞机辅助动力装置与微型涡轮发动机技术特点对比

对比分析了这两类动力系统的总体设计和部件技术特点，总结了两者的相似性和不同．分析结果显示：用于150-200座大型飞机的辅助动力装置与推力400N左右的微型涡轮发动机具有相当的功率；两类动力系统主要部件的设计和制造都具有相似性，微型涡轮发动机的部件性能指标更高，而辅助动力装置通过略保守的设计来获得高可靠性、经济性和长寿命．最后，提出了在已有MTE技术基础上开展APU研制的技术路线．

微型涡轮发动机传热效应的建模分析与实验研究

微型涡轮发动机(MTE)可作为各种新型无人机、微小型导弹的高速推进动力装置,但微型化可能给发动机各部件匹配工作带来包括传热效应在内的特殊影响。针对微型涡轮发动机MTE-110,建立了基于发动机部件特性的总体性能模型,并在此基础上分析了可能的传热效应对压气机特性及整机性能的影响。在MTE-110的地面台架运转试验中,测量数据显示传热效应使压气机的实际温升比绝热温升增加了30%,对压比影响不大,因此显著降低了压气机效率。通过在压气机静子上采用隔热技术后,MTE性能得到显著改善,设计转速下的实测推力提高了23%,达到了96 N。

波转子对小型燃气涡轮发动机性能的影响

波转子是一种自冷却动压交换设备,具有提高各种发动机和机械的性能与运行特性的特有优势。本文建立基于波转子技术的小型燃气涡轮发动机热力循环分析模型。研究了压气机、涡轮压比、燃烧工作条件变化等5种热力循环方案情况下波转子技术对小型燃气涡轮发动机性能的影响。探讨波转子嵌入燃气涡轮发动机后导致燃烧室工作环境的变化规律。在相同压气机压比、相同涡轮进口温度热力循环方案情况下,波转子技术提高燃气涡轮发动机性能最高,获得了基于波转子技术小型燃气涡轮发动机最佳性能优化区和燃烧室工作环境变化规律。

微型涡轮发动机控制系统仿真及台架试验

在某微型涡轮发动机控制系统开发过程中,为研究该发动机控制规律,提出一种半物理仿真和台架试验结合的研究方法。设计了包含电子控制器在回路的半物理仿真试验,通过分析原控制逻辑以及起动过程存在的问题,提出对起动控制规律的改进和优化,开展了基于原配电子控制单元和工控机的台架试验,验证了优化后的控制规律,并将其应用于控制器开发。本文提出的方法可避免大量的实物台架试验,缩短控制器的研制周期。

涡轮发动机三维多场耦合数值仿真的数学模型

给出了用于发动机多场耦合数值仿真的统一的数学模型,这一模型由于采用了广义控制体系,在用来求解非定常气、热、弹耦合的变域差分问题时很方便. 讨论了统一的数学模型在不同场的演化,分析了多场耦合的4种类型及发动机多种层次的物理模型与数学模型.

涡轮发动机复合材料叶片用增强织物研究进展

基于涡轮发动机复合材料叶片的研究进展,从预浸料铺放(铺层)技术和三维织物机织技术两个方面介绍了涡轮叶片用复合材料增强织物的研究现状,最后从织物结构设计、标准化体系建立、模拟角度提出了涡轮叶片用三维织物的未来发展方向.

微型涡轮发动机快速原型控制系统

提出一种基于工业控制计算机的面向微型涡轮发动机(MTE)控制的快速原型控制系统.它提供完整的与执行机构及传感器电路的接口,并提供基于Windows平台的控制器软件实时开发环境.快速原型设计技术可以极大地提高嵌入式控制系统的开发效率.基于该快速原型控制系统不但可以实现对发动机的控制,而且可以实时记录试验结果,并提供友好的人机界面,后者对发动机控制系统的试验研究是非常重要的.台架试车表明,该快速原型控制系统是切实有效的.