基于冗余执行器的航空发动机推力快速响应控制方法研究

面向飞/推一体化控制需求,开展涡扇发动机推力快速响应控制研究,提出了适用于推力最小相位系统的冗余控制方案。研究内容包括:(1)借鉴阀位控制思想,提出在传统燃油流量(Wf)回路基础上增设尾喷口喉道面积(A8)回路,通过挖掘冗余执行器变化速率潜力,提高推力响应速度,降低了对于燃油泵快速作动的需求,同时该方法可以使喷口在推力响应过程逐渐回中,系统具备持续的推力快速调节能力;(2)分析了A8调节推力的物理机理,指出容腔压力动力学主导的部件间流量匹配过程使得A8对推力具有直馈作用,是提高推力响应速度的有效途径。基于发动机部件级模型的评估结果表明,本文提出的方法在执行机构存在速率限制的情况下,实现了推力10 rad/s闭环带宽和A8回中的设计目标,方法可行、有效。在推力响应过程中,A8直馈作用对推力变化的贡献度最高时超过50%。随着对于推力控制模式和推力响应速度的日趋关注,应对容腔内的压力动态过程给予充分的重视。

掺氢航空发动机燃料的基础燃烧特性

面向航空“碳中和”需求,基于数值模拟研究了掺氢对航空燃油替代燃料火焰传播、自着火以及自着火协助下火焰传播的影响。结果表明:在富燃条件下,无量纲化火焰速度随掺氢量的增加呈非线性增大,可接近20,这给避免火焰回火带来了巨大挑战;掺氢后火焰温度的升高对火焰速度的影响在贫燃时可忽略,而在富燃时不可忽略;对于自着火,纯正十二烷和纯氢两种燃料的混合物存在动力学耦合。基于此构建的自着火风险图表明,氢气在亚音速巡航条件下抑制自着火,而在超音速巡航条件下可能抑制也可能促进自着火,取决于掺氢量和燃烧室入口温度。针对自着火与火焰传播的耦合,一维自着火协助火焰的计算结果表明,对于具有两阶段着火特性的燃料,掺氢的质量分数达到50%时可消除其第一阶段自着火的协助效应。

自适应循环发动机快速推力变化过渡过程性能初步研究

自适应循环发动机是基于变循环发动机设计理念基础并充分考虑飞发一体化设计、热管理等综合性能的面向未来飞行平台的先进动力装置,可通过诸多可调机构实现发动机涵道比、增压比、流量以及工作模式的灵活改变,从而适应不同飞行任务的复杂任务剖面需求,获得更大飞行包线内的性能优化。本文基于自适应循环发动机的性能计算仿真模型,在相关研究基础上结合模式转换和加减速过程实现快速推力变化过程,根据模式转换与加减速控制规律设计,开展典型算例下的快速推力变化过渡过程性能分析并验证其控制规律设计方法可行性,在亚声速巡航工况下,发动机在以M3模式叶尖风扇最小角度状态下,低压转子相对物理转速从0.6加速至1.0,最大可使终止推力增大32.4%,相较于单一模式加减速过渡过程,推力变化范围更宽,加速时间更短,转速变化范围更小。

航空并联混合动力涡扇发动机热力循环与工作特性研究

为确定并联混合动力涡扇发动机的能量利用效率,并对不同电功率输入下发动机工作特性与性能参数的变化规律进行研究,本文从理论上对发动机有效循环功的来源进行划分,并由此分别定义并联混合动力涡扇发动机的电能利用率和燃油利用率;使用航空发动机性能仿真软件PROOSIS搭建基于CFM56-7B26发动机的并联混合动力涡扇发动机零维模型,模拟不同电功率输入条件下的发动机稳态性能。研究结果表明:并联混合动力涡扇发动机内涵道的循环类型仍然是基于布雷顿循环的实际循环,输入的电功率对发动机外涵道推力的贡献占比远高于其对内涵道推力的贡献;电能利用率始终明显高于燃油利用率,这也是并联混合动力涡扇发动机实现节能的主要原因;当输入的电功率增加时,发动机的涵道比增加,涡轮前温度与总压比降低,各部件的稳态工作点将发生移动,可能造成部件效率的下降。由于电功率的输入以及电能的高利用效率,并联混合动力涡扇发动机的油耗和能耗均低于常规涡扇发动机。

基于改进YOLOv5的航空发动机叶片表面缺陷检测方法研究

针对航空发动机叶片缺陷检测过程中表面噪声较大以及检测精度较低的问题,提出了一种基于改进YOLOv5的叶片表面缺陷检测方法。通过叶片表面缺陷图像采集和典型缺陷标注构建了航空发动机叶片表面缺陷数据集;采用K-means++算法代替K-means算法对标记框进行聚类,获得最适合该数据集中标记框的锚框;在主干网络中结合CBAM注意力机制模块,并且采用EIoU损失函数替换原CIoU损失函数,提高对叶片表面缺陷特征的提取能力。对比实验结果表明所提出的方法相较于YOLOv5算法在平均精度均值上提升了1.4%,相较于FasterRCNN和YOLOv3,本方法在平均精度均值上分别提升了13%和2.9%。

空-油换热器对变循环航空发动机总体性能的影响研究

为解决变循环涡扇发动机涡轮前温度和涡轮冷却气体温度升高使得涡轮冷却效果降低的问题,以航空燃料作为冷源降低涡轮冷却气体温度,将空-油换热器应用在变循环发动机中,建立了变循环发动机的性能仿真模型。同时引入空油换热的冷却性能计算模型,评估采用超临界航空煤油作为冷却介质后,考虑航空煤油超临界喷射、燃烧、涡轮冷却、冷却空气流量、耗油率等参数及相关性能的影响,构建了以超临界航空煤油为纽带的燃烧/冷却热耦合的能量交互分析方法。利用所建立的变循环发动机仿真模型,开展了起飞、快速爬升、超声速巡航、超声速加力和最大推力5种典型飞行状态的总体性能计算,通过比对是否使用空-油换热器对涡轮静叶冷却的计算结果,分析了各个状态下空油换热对变循环发动机总体性能的影响。结果表明:在起飞状态时,采用空-油换热器可以较明显提升发动机总体性能,降低单位燃油消耗率1.86%和提升推力0.95%。因此,通过空-油换热器对变循环航空发动机涡轮冷却气体进行冷却可以有效提高发动机不同状态的性能水平。

航空发动机内流场数据平均方法研究综述

回顾了在航空发动机测试结果处理和数值仿真边界条件构建过程中发展而来的多种数据平均技术。归纳静压、总压、总温基于面积、体积流量、质量流量和熵通量等权重的加权平均法;介绍在假想混合面上与非均匀物理场满足相同物理特性的等效平均法及其扩展方法。梳理基于质量、动量、能量和熵等通量守恒规则发展出来的转静子交界面处的周向平均法;比较了不同加权平均方法之间各种等效平均方法之间的差别。最后总结各类平均方法的优势和缺陷,给出针对性应用场合中数据平均方法的选择建议。

航空发动机气动失稳检测管路设计研究

为满足航空发动机旋转失速和喘振失稳信号的实时监测需求,探讨了试验测量和机载测量失稳判别信号测量方法,两种使用场景均须考虑测压管路响应频率。分析了喘振和旋转失速过程中的压力脉动特征,喘振信号频率与发动机容腔大小相关,旋转失速信号频率与转子转速及叶片构型有关。提出了失稳测量频率响应需求,建立了由管路和传感器容腔构成的测压系统单自由度二阶模型,研究了管路气动耦合频率与声速、管路长度、管路内径、传感器容腔的关系,根据工程经验给出了管路规格设计流程,提出的“四分之一波长法”对管路频率响应精度可控制在2%范围内,可在工程上实现快速估计。当管路频率响应不满能足要求时,可通过减少管路长度的方式显著提升失稳测压系统频率。

数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用与展望

随着航空发动机性能指标和系统复杂度的不断提升,数字孪生技术正在成为支撑航空发动机全生命周期管理的重要手段。燃烧室是发动机的心脏,其研制过程具有难度大、周期长、花费高等特点。基于数字孪生的设计技术能够预测燃烧室的性能,评估其可靠性,并对试验方案进行预先评估与优化,大幅缩短燃烧室设计的时间,同时降低经费支出。简述了航空发动机燃烧室在设计阶段面临的挑战,并针对数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用与关键问题进行了简要的综述与展望。

受限空间欠采样条件下航空发动机关键截面流场重构方法研究进展

由于受整机环境下几何特征对探针位置的限制以及3维流动等因素影响,通过有限的测点数据准确获取整机关键测试截面参数非常困难。为解决这一难题,综合关键截面流场重构项目的研究成果,针对航空发动机内强3维、强不均匀流场,介绍了一种受限空间欠采样条件下航空发动机复杂流场重构技术。基于航空发动机内流场近周期分布的特征,利用离散的探针数据通过“多波束近似”的方法来精确重构发动机内部的周向流场。相关技术在重构多级压气机出口截面总压分布、燃烧室出口热斑分布、高压涡轮出口截面总温分布的测试中进行了初步试验验证,结果表明:重构结果与真实试验结果的误差分别小于0.1%、0.5%、0.3%。与传统均布或等节距探针布局方案及均值数据处理方法相比,采用新的探针布局方案及流场重构方法可以实现航空发动机压气机出口总压场、燃烧室及高压涡轮出口总温场的精确重构。

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。

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。

基于复合推进系统动态模型-状态变量模型的航空发动机直接推力预测控制

直接推力控制可以有效改善推力控制的品质,针对航空发动机直接推力控制问题,进行了模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)研究。为了提升航空发动机推力控制的精度,提出了基于复合推进系统动态模型-状态变量模型(Compact Propulsion System Dynamic Model-State Variable Model-State Variable Model,CPSDM-SVM)的航空发动机直接推力预测控制方法。CPSDM实时估计出不可测参数(推力、喘振裕度等)的基准值,SVM则根据未来输入实时预测发动机未来响应。由于CPSDM将发动机分为进气道、核心机、喷管、喘振裕度、推力等进行建模,在兼顾精度的同时,提高机载模型的实时性。CPSDM-SVM作为MPC算法中的预测模型,具有较高的精度和实时性。仿真结果表明,在与基于分段线化模型的传统模型预测控制方法实时性基本相同的情况下,所提出方法控制效果有明显的提升,调节时间缩短了1.17s。所提出方法稳态控制精度为0.08%,传统方法稳态精度为2.58%。因此,所提出方法在保证实时性的条件下,提升了控制精度和控制效果。

沉浸式航空发动机视景系统的设计与实现

航空发动机的研发具有精密度高、跨学科的特点,为减少沟通成本、直观展示发动机结构及半物理仿真机运行状态,应用虚拟现实技术,搭建了一套沉浸式视景仿真系统。通过研究CAD数据轻量化技术、基于物理的实时渲染技术,提出了一种相似对象动态合批的渲染优化方法,有效提高了渲染帧率;提出一种动态视差调整算法,解决了近距离观看立体画面时出现的眩晕问题。该系统实现了沉浸感强、流畅度高、精度高的视景效果,相关技术可应用于发动机沉浸式评审、虚拟培训等场景,为虚拟现实技术应用于制造领域提供技术支撑和参考。

航空发动机高温升燃烧室技术分析

随着先进军用航空发动机推重比要求的不断提高,主燃烧室向更高温升方向发展。本文基于高推重比航空发动机主燃烧室的主要特征与面临的技术挑战,综述了多旋流燃烧、中心分级燃烧、驻涡燃烧和可变几何燃烧等四类高温升燃烧组织的工作原理和发展现状,分析它们的技术优势及挑战。就当前高油气比燃烧室来说,多旋流燃烧与中心分级燃烧是主要发展方向,但随着燃烧室油气比的持续提高,燃烧组织技术将面临更大技术挑战。通过综合分析,作者提出同心圆分区燃烧也可能是一种值得研究的适合更高油气比燃烧室的优选燃烧组织模式。

一种基于神经网络的航空发动机剩余寿命预估方法

针对航空发动机剩余寿命预估中模型建立困难且计算精度低等问题,提出了一种基于卷积神经网络和长短期记忆神经网络进行航空发动机剩余寿命预估的方法。利用卷积神经网络中的卷积层与池化层提取传感器数据中的特征,并依据卷积层提取出的特征,利用长短期记忆神经网络进行时间序列预测,并使用全连接层输出航空发动机剩余寿命。在NASA的C-MAPSS提供的涡扇发动机退化仿真数据集上对该方法进行了验证。结果表明:基于卷积神经网络和长短期记忆神经网络的航空发动机剩余寿命预估方法,可以在保证预测精度的前提下,对航空发动机剩余寿命进行较为保守的预估,在保证资源不被浪费的情况下,尽可能提前发出故障预警信号,从而提高飞行的安全性,进而为航空发动机健康管理系统提供有用信息。该预测方法在对称指标和非对称指标上均优于此前提出的方法。

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明:该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机研发提供关键技术支撑和参考。

精细化涡扇发动机过渡态建模与验证

为了提高涡扇发动机过渡态性能仿真的精度并实现过渡态性能计算模型的工程应用,梳理了不同因素对涡轮发动机过渡态性能的影响机理,介绍了各影响因素的建模方法,在此基础上建立了精细化涡扇发动机整机过渡态性能仿真模型。研究分析了总温、总压和燃油流量传感器的过渡态效应及其建模方法。最终利用涡扇发动机整机地面台架加减速性能试验数据对精细化过渡态模型进行了验证,结果表明:高低压物理转速、推力、压气机出口总压和内涵排气温度的平均误差分别为0.45%,0.77%,0.61%,0.44%和1.77%,最大误差分别为2.82%,1.92%,7.45%,5.67%,5.28%,加速时间的误差小于0.26s。本文揭示了过渡态性能仿真模型误差的机理。

发动机湍流燃烧多物理耦合建模和仿真进展

航空发动机燃烧室喷雾燃烧包含液滴破碎、雾化、蒸发、掺混、燃烧等多个物理过程,各物理过程相互耦合,产生出预混、非预混、自着火等多种燃烧模式,不同的燃烧模式表现出的湍流-化学反应相互作用也各不相同,对发展普适的湍流燃烧模型提出了巨大挑战。针对多物理场耦合的湍流燃烧过程进行物理建模成为湍流燃烧建模研究的主要任务之一。此外,航空发动机湍流燃烧研究也面对着工程设计和优化的客观需求,即发展效率和精度兼顾的高效湍流燃烧仿真方法并量化湍流燃烧控制物理机制,为燃烧组织调控提供指导。综合上述内容,从发动机两相喷雾燃烧模式、自适应燃烧建模和主控物理机制分析等方面点评和回顾了近期的基础研究进展,对当前的研究现状做了初步总结。

数字发动机技术现状、挑战及关键问题

航空发动机设计仿真技术逐渐向综合化、集成化发展,同时伴随着系统工程方法论的完善,航空发动机领域的数字化变革方兴未艾。本文综述了航空发动机数字化概念、现状、需求和关键技术问题等内容,希望为我国航空发动机数字化变革提供参考和支持。面向航空发动机复杂性本质,分析了基于模型的系统工程、数字孪生、数字主线的概念和实质内涵,发展了数字发动机定义。针对技术趋势和挑战,总结了国内外数字发动机相关用例和发展现状,论述模型算法库、通用平台、数据连通和处理、耦合集成仿真技术、数据分析和决策等需要开展的工作。针对数字化转型的关键技术问题,讨论学科仿真集成方法、系统模型和学科模型的连通方法、数字孪生建模方法的国内外相关研究内容和方向。数字发动机的思路和具体研究内容可为后续规划和建设航空发动机数字孪生系统提供基础。