航空发动机五头部燃烧室中的喷雾与点火研究

多头部点火是航空发动机贫燃预混预蒸发(LPP)燃烧室开发的关键过程.为探究五头部燃烧室点火初期至火焰完全传播至整个燃烧室的点火联焰机制,建立了一套包含5个直线阵列LPP喷嘴的可视化燃烧实验系统.基于高重频高能脉冲串激光系统,采用10 Hz PLIF/PMIE和10 kHz PIV及2 kHz OH*自发光高速成像等可视化测量技术,研究了空气流量(110~250 g/s)和油气比(0.032~0.066)对喷雾流场特征和点火联焰特性的影响规律.结果表明,燃油压力和空气流量的变化显著影响喷雾场的MIE、LIF信号分布及燃油雾化效果.随着燃油压力的增加,喷雾液滴粒径与数密度上升,液滴速度脉动减弱导致湍动能降低.相反,空气流量增加促进了燃油雾化,降低液滴间速度差,进而减小湍动能.在点火及联焰过程中,空气和燃料的流量是关键参数,空气流量250 g/s时火焰传播迅速,多头部火焰能在150 ms内迅速被全部点燃;而流量降低至200 g/s时,火焰传播速度较慢,多头部联焰时间大于500 ms,并且存在无法全部点燃的风险.

短距垂直起降飞机推进系统典型构型及控制系统

短距垂直起降飞机具有短距起飞、垂直降落、水平飞行等多个模式,对推力控制性能提出了特殊的要求。本文总结20世纪80年代末以来出现的超声速短距垂直起降飞机推进系统,分别介绍其组成与原理,比较推进系统参数及性能指标,并给出推进系统控制技术的发展状况。发展趋势表明,以X-32B为代表的共用型布局具有最高的推进复用性,且飞行控制较为容易。而以F-35B为代表的复合型布局与常规飞机气动布局相似,推进系统能够适应工作点的显著变化,且具有较高的推进系统复用性,是短距垂直起降飞机推进系统的发展趋势。同时,复合型推进系统使得飞机控制系统与推进控制系统存在强耦合,因此在推进系统控制中应用基于模型的约束动态逆控制对控制量解耦,以提升飞行品质,降低飞行员负担,满足快速推力响应需求,实现短距离起飞与垂直起降。

影响流量管流量系数的因素分析

对某航空发动机整机试验装置的流量管三维流场进行数值模拟,通过布置虚拟测点,建立流量管虚拟试验校准和测量的仿真方法,研究流量管流量系数获取方法、校准试验测试布局,分析来流雷诺数、壁面粗糙度、流量管圆度对流量系数的影响。结果表明,附面层位移厚度法和校准试验法获取的流量系数接近。在同一流向布置测量截面,流量系数随流量管内雷诺数的减小而减小,随流量管壁面粗糙度的增大而减小;低雷诺数工况下,流量系数对粗糙度变化不敏感。对于低雷诺数工况或者在流量管壁面粗糙度较大时,应采用附面层位移厚度法或校准试验法获取流量系数。流量系数对流量管圆度的变化不敏感,建议采用校准试验方法获得有变形的流量管的流量系数。尽量采用校准试验法获取流量管宽雷诺数范围的流量系数,采用实际测量工况下的雷诺数对应的流量系数,修正流量管测量数据,才可保证流量管测量精度。

航空发动机飞越噪声预测优化算法研究

发动机风扇和喷气噪声是飞机起飞过程中发动机最主要的两个部件噪声源,在飞机起飞过程中,可以用发动机风扇噪声和喷气噪声近似替代发动机整机噪声进行噪声预测,这对新型发动机的降噪设计和民用航空器的噪声适航性评估具有重要意义。本文提出一种新的航空发动机整机飞越噪声预测方法,该方法基于Heidmann风扇噪声模型和Stone喷流噪声模型获取地面风扇噪声与喷气噪声数据,考虑噪声传播过程中多普勒效应、几何发散衰减、大气声吸收衰减的影响,将风扇噪声和喷气噪声分别映射到飞机起飞航迹线上,在飞行状态合成得到起飞航迹线上航空器噪声适航审定程序所要求的发动机整机噪声,计算实际飞机起飞时噪声适航审定中所需测量的每隔0.5s动态声压级的预测值,并计算最终的有效感觉噪声级。以CFM56-7B发动机为算例,将模型计算得到的有效感觉噪声级与试验结果进行对比,验证了该方法的有效性和准确性。本文方法可用于航空器适航噪声预测,为我国自主实现航空器噪声适航审定提供技术支持。

基于Weibull混合分布的航空发动机零部件寿命建模

针对航空发动机在维修工作中存在重要零部件使用寿命及失效率难以估算的问题,搜集了发动机重要零部件燃油计量活门、整体驱动发电机、液压机械组件的使用寿命数据,并运用Weibull混合分布及单Weibull分布分别建立了上述重要零部件的寿命模型。在模型求解过程中采用了经典的三参数相关系数优化法,求出发动机重要零部件的可靠度、失效率及故障概率密度函数。通过计算得出Weibull混合分布模型的线性相关系数r_(g)比单Weibull分布模型的大;同时K-S假设检验结果显示,Weibull混合分布的统计量观测值D_(n)均小于临界值D_(30,0.1)。结果表明:相对于单Weibull分布,Weibull混合分布模型更精确地表征了发动机重要零部件的寿命数据,从而有效地提高寿命参数的估算精度;Weibull混合分布模型的可靠性有助于发动机管理工程师制定视情维修方案;并对航材备件的数量有指导意义,具有较高的推广应用价值。

涡轮动力模拟器甩油盘热流模型与流场特性研究

甩油盘作为涡轮动力模拟器(TPS)的重要零件,能有效地促进模拟器内循环系统润滑油的回流,提高轴承的润滑性并降低系统温升,为整机安全可靠运行提供了基础性保障。为了解决TPS内循环系统润滑油的回流问题,对TPS甩油盘及其内部循环流道进行了研究。首先,确定了涡轮动力模拟器轴承发热量及散热系数随转速的变化、甩油盘内部流体控制方程和边界条件;然后,构建了一类TPS甩油盘及其内部循环流道的完整内循环热流模型,并对比了轴承处温度仿真结果与实验结果以确保模型的合理性;最后,数值仿真得到了不同转速下内部循环流道的温度场、压力场和速度场。研究结果表明:转速增加能显著引发系统内最高温度上升,甩油盘作用下的内循环流场温度变化较为平稳,典型工况条件下仿真与实验得到的最高温度相对误差最大为12.3%,表明了热流模型的合理性。研究结果对于指导TPS甩油盘结构设计和提高整机运行安全稳定性具有重要的价值。

航空发动机燃油系统部件寿命建模研究

为解决燃油系统部件可靠性难以估计的问题,收集了燃油系统重要部件燃油泵组件、液压机械装置、燃油流量传感器、燃油喷嘴的工作时间数据,针对不同部件的工作时间分别绘制Weibull概率图,用三参数相关系数优化法对Weibull分布模型进行参数估计,并依据参数估计值得到不同部件的可靠度函数、失效率函数及故障概率密度函数,最后对燃油系统部件进行可靠性评估与分析。结果表明:航空发动机燃油系统部件作为一种复杂的机械电子系统,Weibull分布模型可有效评估其使用寿命,可用于对航空发动机燃油系统部件进行可靠性分析。

小尺寸无静叶对转风扇/压气机气动设计与变工况性能分析研究

无静叶对转风扇/压气机能有效减小发动机陀螺力矩,在轴向长度方面具有优势。然而,无静叶往往导致下游叶片攻角变化较大,变工况性能难以保证,且这一特点随叶尖切线速度的增大而恶化。本文利用小尺寸涡扇发动机风扇叶片根部周向速度较低的特点,尝试对其进行风扇与压气机无静叶对转方案设计。通过速度三角形分析了无静叶对转风扇/压气机的性能特点,开发了无静叶对转风扇/压气机一维设计程序进行参数方案的筛选优化,设计得到小尺寸无静叶对转风扇/压气机构型方案,设计点效率为85.1%,压比为3.16。结果表明,对转压气机的下排叶片相对进口气流角的变化范围较常规转叶+静叶相对进口气流角范围更小,而对转下排叶片的进口速度却将增大1.5~3倍,因此,需要合理选择对转风扇/压气机的轮毂比及转速比,才能保证对转风扇/压气机变转速工况下的设计点效率及失速裕度。减小对转风扇/压气机转速比有利于提高设计点效率和裕度,但本文受发动机总体指标限制,对转速比选择进行了折中。

基于MATLAB的民航发动机涡轮叶片寿命建模

针对民航飞机维修工作中发动机涡轮叶片普遍存在故障率较高的问题,收集某型民用航空发动机涡轮叶片的可靠性数据,并运用三参数Weibull分布建立该型发动机涡轮叶片的可靠性寿命模型。在模型求解的数值计算过程中,为保证模型的计算精度,采用经典的牛顿迭代法及三参数相关系数优化法对涡轮叶片的寿命数据进行拟合分析及计算;同时为减少计算工作量及提高数值计算过程中人工智能的参与度,基于MATLAB软件对上述数值计算方法编写计算程序,最后对计算结果进行K-S假设检验。结果表明:对涡轮叶片寿命数据进行可靠性分析时,运用Weibull分布建立的数学模型符合客观规律;同时牛顿迭代法、三参数相关系数优化法及MATLAB计算程序的有效利用,保证了计算结果的精度。

涡轮叶片多排气膜叠加特性及机理分析

实际涡轮叶片的气膜孔由于强度要求,需要保证有限的开孔率。为探究在涡轮叶片上相同开孔率条件下,不同气膜孔排布方式下的气膜冷却效率及叠加特性,研究了单排、三排、五排圆柱孔和扇形孔在不同吹风比下的气膜冷却效率分布及气膜叠加与掺混机理。研究发现:孔形是影响气膜叠加预测准确性的重要几何因素,扇形孔叠加预测的准确性明显高于圆柱孔。肾形涡的强度是两者差异的主要原因。吹风比和孔排数也会显著影响到叠加预测模型的准确性。吹风比的增大会引起预测误差逐渐增大。吹风比决定了冷却射流的动量并影响了气膜掺混强度,这就造成了叠加预测误差随孔排数的增多逐渐增大这一现象。气膜射流吹飞会造成叠加预测误差显著增大。

关于氢能航空动力发展的认识与思考

近年来,在全球碳减排目标的驱动下,各国对发展氢能航空的热情空前高涨,在氢能飞机和氢能动力领域加速布局研究计划。通过研究国内外氢能飞机及动力发展历程和研究进展,发现人类对氢的认知始于其燃烧特性,认为氢能航空发展兴于“双碳”目标,指出燃氢涡轮发动机是航空业实现减碳目标的关键,分析了燃氢涡轮发动机和氢燃料飞机的性能优势,研判出氢能航空及动力发展难在全产业链重构和全链条颠覆创新,提出了创新氢能航空发展机制、加快发展燃氢涡轮发动机、健全氢能航空产业链条、实现全链条颠覆性创新和加强氢能航空基础建设等五方面的发展措施建议。

基于SSA-LSTM的高高原民航飞机空调系统故障预测

在民航高高原航线的复杂气候环境下,机载设备整体性能要求更高。在低温、低压、强紫外线等条件下,飞机关键部件会加速老化。国内航空公司通常采用事后维修的方式对飞机进行维护,针对传统事后维修方法响应时间长、成本高以及存在潜在的安全风险,难以人为精准把控维修周期和维修深度的问题,提出一种大数据驱动的飞机空调系统故障预测方法。引入融合麻雀算法的长短期记忆网络(Sparrow Search Algorithm-Long Short-Term Memory,SSA-LSTM),利用无线快速访问记录器(Wireless Quick Access Recorder,WQAR)收集的数据,与其余两种预测方法进行对比研究,结果表明SSA-LSTM具有明显优势。通过预测和早期潜在故障识别,为航空公司从事后维修向预防性维修的转变提供了支持。

基于非线性目标函数的时间卷积网络RUL预测

机械设备剩余使用寿命(RUL)预测是系统维护策略的重要组成部分。在建立深度学习预测方法的目标函数的过程中,退化模型通常以分段线性函数的形式建立,异常值对预测结果的影响很容易被放大。提出了一种基于分段非线性退化的时间卷积网络回归模型。非线性函数能较好地描述传感器的退化趋势,减少线性模型预测引起的系统偏差。在美国航天局公布的涡扇发动机(C-MAPSS)数据集上验证了该模型的有效性,实验表明该模型比目标函数为分段线性函数的模型具有更低的误差,优于现有的一些预测方法。

航空发动机燃油系统定压活门参数优化设计

定压活门在燃油系统中为多个伺服机构供油,针对其稳定性、稳态精度、鲁棒性等设计要求,以及多个设计参数相互竞争又相互矛盾的选择,提出了一种基于优化算法的参数设计方法。建立了定压活门数学模型,基于稳态模型进行了参数设计分析。结果表明:定压活门存在流量稳态工作区,在流量稳态工作区内,阀芯截面积增大,流量敏感度增大,但阀芯截面积过大会增大定压活门的体积。根据定压活门压力范围计算了稳态参数,以调节时间和超调量为目标,取3组不同定压腔容积,将弹簧腔容积、阻尼孔径、运动阻尼、阀芯质量作为参数,基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了动态优化。Pareto解集表明调节时间和超调量相互矛盾。选取1组解经AMESim仿真验证,优化后的结构参数能够使调节时间缩短20%以上,超调量降低15%以上,定压活门动态性能得到改善。

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。

预冷涡轮组合循环发动机及其关键技术研究综述

预冷涡轮组合循环发动机技术是继涡轮基组合循环发动机、火箭基组合循环发动机、涡轮火箭组合循环发动机之后新的技术路线。为了深入了解预冷涡轮组合循环发动机的发展现状,评估该循环方案的发展潜力,从换热器预冷及射流预冷角度出发,综述了先进预冷发动机循环方案、射流预冷技术以及预冷器技术发展进程,并提出采用化学燃料预冷的若干技术方法,致力于提高预冷涡轮组合发动机总体性能,为高超声速组合发动机的发展提供新的思路和方向。预冷涡轮组合发动机技术是高超声速飞行领域的关键创新。通过不断优化预冷器的设计、提高换热效率,同时考虑到结构紧凑性和重量管理,能显著提升发动机性能。研究显示,采用先进的预冷技术能够拓展飞行马赫数,实现更高的燃料效率和性能。尽管技术挑战依然存在,如氢脆问题和预冷器的抗结冰需求,未来的研究将继续探索新的材料和设计方案,以克服这些难题。总体上,预冷涡轮组合发动机技术代表了空天飞行器推进系统的未来方向,预示着在高速飞行和可重复使用空天飞行器方面的重大突破。

基于红外辐射的发动机涡轮叶片温度测量方法综述

介绍了辐射测温技术的基本原理以及研究中的关键问题。归纳了基于红外辐射的发动机涡轮叶片温度测量方法的国内外应用现状,对测量时产生的误差进行了分析,并提出降低误差的措施。指出在环境辐射方面,需要充分考虑燃烧气体和环境表面辐射的影响,建立准确的反射模型,融合算法,矫正辐射干扰误差;在发射率模型方面,应根据具体情况预先建立发射率模型和无发射率模型,结合机器学习等算法提高测量精准度;在光学系统设计方面,需选择合适的光学材料和涂层,增强系统在不同环境下的灵敏度;在数据处理方面,可利用神经网络、遗传算法、约束优化等方法,最大程度减小误差,提高计算精度。

空气涡轮起动机异常振动诊断的STFT分析

采用短时傅里叶变换分析方法,对某型空气涡轮起动机在交付前试验流程的起动过程振动响应进行非平稳特征分析,有效识别振动幅值偏大,判定异常振动,避免其交付后出现振动故障。通过对比空气涡轮起动机起动过程的正常状态与振动异常状态的短时傅里叶时频谱分析,获得异常振动的时频谱特征,对导致异常的零部件和装配因素进行了分析。结果表明:将短时傅里叶变换应用于空气涡轮起动机起动过程的振动信号分析能够对振动的非平稳特征进行有效识别。

自激扫掠喷嘴气液两相流场特性研究

为研究自激扫掠喷嘴内、外流场结构,分析高频扫掠液柱的变形和破碎过程,首先采用高速阴影成像法,在0.1~4.0 MPa压降范围内,对喷嘴的扫掠频率及扫掠张角等基本工作特性进行了测量;其次,采用实验测量结果对气液两相数值模型进行了校核;最后,采用校核后的数值模型对喷嘴内、外气液两相流场结构开展了模拟研究。研究结果表明:喷嘴内部为单相流动,无气相介质的回流;液柱的高频扫掠使其在喷嘴出口形成了一个扇形液面;液柱的自旋增强了气相对液柱的剪切作用;在扇形液面两侧,液柱的反向偏转会导致其变形和破碎;在扇形液面中间,液柱的横向扫掠形成一个高速气相区,气相速度可达液相的3倍,提高了韦伯数,使得“液丝状”的液柱进一步破碎并扩散。

基于自适应因子曲面的航空发动机瞬态性能自适应方法

高保真的部件级性能模型对于航空发动机的状态监测和故障诊断至关重要。然而,不准确的特性图可能导致模型的预测结果与实际发动机性能存在显著差异,尤其是在发动机瞬态时更为明显。针对目前的自适应方法主要关注稳态工况,且其校正范围较窄的问题,提出了一种新的航空发动机瞬态性能自适应方法。该方法将瞬态性能自适应因子的求解转化为稳态性能自适应计算,并建立自适应因子曲面,以对模型的特性图进行大范围校正。通过模拟两台具有不同特性图的发动机,验证了所提出自适应方法的有效性。研究结果表明,这种新的自适应方法拓宽了特性图的校正范围,能够显著减小模型对于测量参数和整机性能参数的预测误差。