涡轮电推进系统建模及控制规律设计

为了研究涡轮电推进系统的工作特性及控制规律设计方法,建立了涡轮电推进系统总体性能仿真模型。基于部件法建立了涵道风扇性能计算模型;基于电机效率图建立了发电机及电动机性能计算模型;基于面向对象的建模方法建立了电推进模块计算模型。将建立的电推进模块计算模型加入涡扇发动机部件级仿真模型中,构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组,即其性能仿真模型。采用逆算法研究了不同几何参数控制规律下,涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程,并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型,形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法,应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。计算结果表明:本模型设计点性能计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果最大偏差仅为0.22%,验证了建模方法的有效性;当涵道风扇推力改变时,可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振等问题,通过联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积,可以有效改善这些问题;设计出的节流过程控制规律可以保证不超温、不超转,具有足够的喘振裕度,且在节流过程中还能进一步降低耗油率;该控制规律还具有连续、单调的特点,利于工程实现。

基于时间预测的升力风扇起动过程控制规律设计

为了减少轴驱动升力风扇起动时间,针对轴驱动升力风扇式组合推进系统提出了较为通用的控制规律设计方法。建立了一种基于趋势外推和参考升力风扇转速变化曲线的剩余起动时间预测模型;基于该时间预测模型和控制规律逐点寻优设计方法,进行起动过程控制规律逐点寻优,通过进行多轮次寻优并利用每轮的优化结果更新参考转速曲线,便可获得起动过程控制规律。应用该方法设计了起始状态低压转子转速为50%的起动过程控制规律,其起动时间仅需3.1 s与常规逐点寻优方法对比缩短了22.5%,且起动过程严格满足安全工作限制;进一步设计了起始转速为90%以及在50%~90%之间的多组起动控制规律,结果表明该方法不仅适用于低转速起动,在高转速起动时依然有效。

STOVL推进系统模式转换过程建模及分析

在通过对离合器组件的动力学分析建立离合器动态性能计算模型的基础上,根据短距起飞/垂直降落(STOVL)推进系统各部件在不同工作状态下的耦合关系,建立了STOVL推进系统模式转换过程的共同工作方程组,即其动态性能仿真模型,并提出了STOVL推进系统短垂模式与常规模式相互转换的控制策略,对比了不同离合器接合速度下模式转换过程中的性能参数特点。结果表明:建立的仿真模型在模式转换过程中与国外文献数据相比最大误差为3.76%;提出的控制策略可保证模式转换过程中STOVL推进系统无超温、超转现象,且喘振裕度变化在0.1%以内;模式转换过程中离合器接合时间越短,其瞬时摩擦产热量越大,但总产热量越小。