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。

混合动力推进系统与飞机数字化设计现状与展望

本文总结了国内外针对混合动力推进系统及飞机发展专门开发的数字化设计工具,归纳了其相应设计方法及特点。综合来看,为了满足混合动力飞机的设计需求,集成高精度电系统和热能管理系统模型,建立针对性的性能评估体系、飞机与发动机设计的数据耦合交互、研究设计与安全性分析相统一的建模方法、基于人工智能方法提高优化设计管理能力是目前面向其特点的关键发展方向,并为其后续的实验验证、适航条例制定等工程应用提供重要的技术支撑和设计依据。

2种构型升推组合推进系统装机后地面效应影响仿真

为了解近地环境下不同构型升推组合推进系统装机后的环境适应性和性能差异性,研究了地面效应对推进系统外流升力损失、内流性能损失和气动稳定性等方面的影响。构建了STOVL飞机+推进系统耦合流场模型,制定了处于同一技术水平的升力发动机和升力风扇2种构型升推组合推进系统方案,对相关参数进行了计算和对比分析。结果表明:推进系统装机后受地面效应影响,在工作环境、性能保持和功能完整性等方面,升力风扇构型明显优于升力发动机构型;相比升力风扇构型,升力发动机构型总升力减小10%,总耗油率提高5%,主发动机压缩部件喘振裕度减小10%;如要保证升力分配比为1.0,总升力同比进一步减小超过23%;为防止推进系统气动失稳,应保证主发动机进气相对温升不超过3.5%、温升率不超过50 K/s。

深空探测航天器推进系统永磁自锁式电磁阀设计及仿真

给出了一种应用于地月运输航天器的先导式高压、大流量永磁自锁式电磁阀(以下简称“自锁阀”)设计方案,对该自锁阀的电磁铁磁路设计进行了理论推导。对磁路中导磁材料铁钴钒软磁合金开展了不同热处理状态下的材料级试验,结果表明,两轮次880℃热处理条件可使材料获得较好的磁性能,其饱和磁感应强度达2.25 T以上,矫顽力低于150 A/m。根据使用工况对永磁体材料及O胶圈材料进行了选型和分析。采用有限元方法进行了磁回路静态及动态仿真,结果表明,-55~70℃工况下,永磁体对衔铁产生的静磁吸力在167~208 N之间,通电24 V条件下衔铁在70 ms内可完成全程动作。采用零维模型搭建主阀部分流通性能仿真系统,结果表明,来流压强为35 MPa氦气时,氦气流量0~350 g/s条件下,自锁阀主阀流阻低于0.35 MPa。

邮船电力推进系统安全返港评估

以某邮船为例,采用系统总体评估和事故界限区域详细评估的方法,对电力推进系统的配置方案、设备布置、电缆选型和走向、系统关联等进行分析,评估电力推进系统设计方案是否满足安全返港规范要求,为邮船其他系统的安全返港评估提供指导。

电气推进系统中主电机设备安装对系统稳定性的影响

电气推进系统是现代舰船的重要组成部分,它的工作性能与稳定性关系到舰船运行的安全性与高效性。主电机是电气推进系统中的关键部件,它的合理布置直接关系到整个系统的稳定运行。本项目拟在前期工作的基础上,从电机安装位置选择、主电机与驱动系统的协调设计等角度,对电机安装过程中的振动噪声、温度和散热、电磁兼容和电磁干扰等问题展开深入研究。在此基础上,给出了一种改善电动推进系统综合性能的优化方案。

破冰船电力推进系统在特殊工况下的控制策略

船舶电力推进系统对于提高船舶的动力性能和操控性能具有重要作用,特别是在北极和南极地区,电力推进系统的性能和可靠性直接影响着破冰船的安全性和效率。本文旨在深入探讨破冰船的电力推进系统,特别关注在特殊工况下所面临的挑战以及解决方案。分别研究了亚马尔型液化天然气(LNG)船、USCGC Healy破冰船和俄罗斯22220项目核动力破冰船的电力推进系统,采用了不同的电机类型、变频器技术、控制模式和算法,以适应不同的破冰需求和工作条件。分别总结了电力推进系统在破冰工况、倒车工况、螺旋桨冰切削模式和冰堵模式等特殊工况下的性能表现,以及不同类型的破冰船的电力推进系统各自的优势和适用性,并对破冰船的电力推进系统的发展进行展望。

基于模糊滑模速度调节器的船舶推进电机矢量控制系统研究

基于传统PI速度调节器的船舶推进电机矢量控制系统广泛应用于推进电机的转速调节,但是在推进负载受到外部扰动时,系统的动态响应速度和稳定性仍然不够理想。本文提出一种基于模糊滑模速度调节器的新型船舶推进电机矢量控制系统,并在Matlab/Simulink中建立了模糊滑模速度调节器以及整个矢量控制系统的仿真模型。仿真结果表明,和基于传统PI速度调节器的船舶推进电机矢量控制系统相比,采用该控制系统的异步电机在电机转速调节时拥有更快的响应速度和更小的超调量,并且对负载的转矩波动具有较强的鲁棒性。

计及飞行任务与能耗分析的航空燃料电池推进系统能量管理策略

为改善航空燃料电池推进系统的燃料消耗情况并提升系统运行效率,该文提出一种考虑多飞行任务模式与外部最大能耗的综合能量管理方法。在优化常规极小值原理策略的基础上,针对飞行器飞行工况的变化率进行区间划分,改变系统目标函数系数。采用最大外部能耗算法求解超级电容的充放电电压与母线电压的偏差量来实时调整哈密顿函数中的协态变量。最后,通过求解目标函数来控制燃料电池系统的输出功率。基于实时仿真硬件在环测试平台的验证结果表明,所提算法相对于传统的等效氢耗和庞特里亚金最小值原理算法,分别将系统等效氢耗降低了4.6%和3.2%,将系统的平均运行效率提升了10.3%和5.5%,在减少燃料电池系统所承受的应力同时,提升了系统输出的稳定性。

卫星推进系统管路加热带温度分布试验研究

卫星推进系统管路加热带的温度分布是影响推进系统任务实现及卫星在轨长寿命高可靠工作的致命因素。文章通过基础试验方法研究主导管路加热带温度分布的自变量及影响规律。试验结果表明:管路加热带的温度水平与温度场分布均匀性受加热丝丝径、管路管径、缠绕工艺、工作电流影响较大。另外,基于试验实测数据量化自变量影响规律并进行机理分析。文章研究成果可为卫星推进系统管路加热器的可靠性与安全性设计提供参考数据。

并联型TBCC推进系统变维度一体化数值模拟方法研究

为了缩短组合动力系统内外流一体化数值仿真时间,加快高超声速飞行器的研制进度,基于商业软件发展了一种飞行器进/排气系统多维仿真与发动机等效一维模型相结合的TBCC推进系统变维度一体化数值仿真方法,其中进/排气系统采用多维数值仿真,涡轮发动机采用部件特性的数学模型,冲压发动机采用准一维数学模型,结合商业软件通过边界条件调用,实现变维度一体化数值仿真。数值仿真对比分析表明:TBCC推进系统等效一维模型模拟结果与GasTurb 10和风洞试验结果变化规律一致吻合较好,误差不大于3.0%;采用变维度数值模拟方法对某TBCC推进系统沿飞行轨迹加速爬升过程的分析表明,进气道总收缩比从2.0增大到5.5,喷管面积比从1.2增大到7.8。涡轮模态时,TBCC喷管出现明显过膨胀现象;冲压模态时,喷管的落压比随马赫数增大从8.3逐渐增大至20.4,过膨胀现象减弱,从而验证了多维与一维耦合数值仿真方法的可行性。

小微纳卫星微小型电推进系统应用展望

随着微机电系统技术与超大规模集成电路等技术的迅速发展,小微纳卫星因较低的成本、可完成一定复杂度的任务成为了当前各国商业航天发展的重要方向,小微纳卫星的在轨机动能力需求牵引了系列化微小型电推进系统的研制与在轨搭载验证。本文首先对小微纳卫星任务对电推进系统的需求进行了论证,随后简述了微小型电推进系统的特点,介绍了国内外微小型电推进系统研制与在轨验证情况,最后对国内微小型电推进系统的研制与在轨应用进行了展望。

盾构机推进液压系统能耗特性研究

针对盾构机推进单级压力源液压系统在软弱不均、富含砂卵石等复杂地质环境下易受干扰,造成压力与速度波动,进而引起系统产生较大能量损失的问题,采用一种新型多级压力源液压系统,并针对复杂地质环境下传统比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)控制器无法抑制外界干扰的问题设计了一种抗干扰控制器。通过分析多级压力源切换负载口独立控制系统原理,建立盾构机推进多级压力源液压系统AMEsim模型,将AMEsim模型与Matlab/Simulink抗干扰控制器模型进行联合仿真,结果表明:多级压力源液压系统结合抗干扰控制器相较于单极压力源液压系统结合传统PID控制器能更好地抑制外界干扰,将系统能量损耗减小22%左右。

航空推进系统气动安全阀结构参数分析及优化

为改善某型航空推进系统气动安全阀的性能,建立航空推进系统双级气体减压器和安全阀组成的高压气路AMESim数值模型,搭建安全阀性能测试试验台,验证模型准确性,分析结构参数对安全阀特性的影响机制。采用响应曲面法(RSM),建立结构参数与安全阀压力超调量和响应时间的显著不失拟回归模型,通过方差分析(ANOVA)研究结构参数交互作用对安全阀压力超调量和响应时间影响的显著性差异,并基于自适应范围多目标遗传算法(ARMOGA),优化入口长度、入口直径和弹簧刚度参数。研究结果表明:入口长度、入口直径、弹簧刚度对超调量和响应时间的影响依次降低,入口长度与直径的交互作用最为显著;入口长度、入口直径、弹簧刚度分别为14.5878 mm、14.8980 mm、48.9668 N/mm时安全阀性能最佳,优化后超调量降低6.917%,响应时间降低6.383%。

船舶动力推进系统加速性能优化策略

针对船舶动力推进系统存在的加速速率慢的问题,提出一种加速性能优化策略。首先,分析船舶动力推进系统的结构组成,根据全回转推进器的输出功率、船舶侧推力和力矩以及推进器动作时船舶扭矩的变化,构建船舶动力推进系统的数字模型。利用调速器调节转速,以恒定增加率提升主机转速,利用传动系统将主机转速和扭矩传送至定距螺旋桨,推进船舶加速。最后,利用变频器超前控制方法,优化船舶动力推进系统的加速性能。实验表明,该方法可以优化船舶动力推进系统的加速性能,使船舶快速达到加速目标,降低船舶的燃油消耗率。

国外极地破冰船吊舱推进系统发展研究

不断上升的全球气温导致两级冰层加速消融,南北两级的战略价值也日益凸显。推进系统作为极地破冰船核心装备之一,对于提升破冰船的破冰性能和航行能力至关重要。本文介绍影响破冰船航行的极地环境条件,分析不同国家破冰船的分类及特征,总结破冰船吊舱推进系统的发展及特点,展望吊舱推进系统在破冰船领域的应用前景,为我国新型破冰船推进方案的选取提供思路和参考。

深部煤炭流态化开采装备自主行走机构多缸推进同步控制

我国浅部煤炭正逐渐开采殆尽,向地球深部开发资源已成为必然趋势和国家需求。针对2000 m以深的深部煤炭开采难题,设计了一种适用于深部煤炭流态化开采装备的自主行走机构,并重点对自主行走机构中液压推进系统的多缸同步控制难题进行了研究。首先,基于流态化开采工艺原理及装备组成,设计了一种增阻迈步式自主行走机构,可实现采掘、转化和输出等多舱体的分段式自主行走;其次,针对液压推进系统的多缸同步控制要求,分析对比了主从控制、相邻交叉耦合控制、偏差耦合控制、均值耦合控制4种控制策略以及比例、积分、微分控制(PID)算法、自抗扰控制器(ADRC)的优缺点,分别开展了在均匀负载、突变负载、时变负载3种工况下的控制性能仿真试验;再次,采用雷达图测评法对不同控制策略下的同步控制性能进行综合评价,最终选定基于ADRC的均值耦合控制方法为最佳同步控制策略;最后,研制自主行走机构试验台并开展了多液压缸同步控制试验,试验结果表明:当采用基于ADRC的均值耦合同步控制策略时,4个液压缸在不同工况下的最大同步误差均能保持在±5 mm以内,且具有优异的鲁棒性,可满足流态化开采装备自主行走机构的多缸同步推进要求。

航空燃料电池推进系统能量管理策略研究综述

燃料电池推进系统是未来绿色航空的潜在发展方向之一。面对航空燃料电池推进系统的耐久性、经济性等瓶颈问题,如何构建高效的系统能量管理策略已成为系统可靠应用的核心。该文结合国内外研究现况,在分析燃料电池推进系统架构的基础上,详细分析已有的系统能量管理策略的特征和应用场景,并针对策略适应性、实时性以及优化效果进行定性分析。同时,结合特定飞行工况下的无人机飞行仿真实验结果对不同能量管理策略进行定量分析,对未来航空燃料电池推进系统的发展趋势进行探讨,以期为航空燃料电池推进系统的快速大规模应用提供理论参考。

基于螺旋桨负载的电推进系统线性/非线性自抗扰混合控制方法研究

电推进系统采用永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)直接驱动螺旋桨为飞机提供所需的动力,由于运行工况的复杂性和强耦合性,其对动态响应和扰动抑制能力提出更高的要求。为了提高系统性能,提出一种线性/非线性自抗扰混合控制方法。在线性扩张状态观测器(linear expanding state observer,LESO)和非线性扩张状态观测器(nonlinear expanding state observer,NESO)参数整定的基础上,设计带权重系数的混合控制策略。该方法有效整合LESO和NESO的优点,通过带桨测试结果验证所提方法的可行性,为工程实践奠定理论基础。

双模糊PID控制的盾构液压推进系统同步性能分析

结合盾构液压推进系统结构特点,在多领域仿真平台Dymola上构建盾构液压推进模型。考虑到掘进过程中负载的多变性,设计了双模糊PID控制器,与PID控制的盾构液压推进模型进行对比分析,在此基础上,利用并行同步控制和主从同步控制策略,研究了盾构液压推进系统的位移和压力跟踪特性。结果表明:启动阶段,双模糊PID控制的启动推进速度平缓稳定;负载或速度突变时,双模糊PID控制下的液压推进系统均可实现推进速度和压力稳定控制,且速度和压力波动远小于PID控制模型,具有较好的压力和速度复合控制能力。通过对比四分区盾构液压推进系统的位移和压力跟踪特性,最大负载突变时,并行同步控制的位移跟踪偏差为0.68 mm,主从同步控制时为0.39 mm,降低了42.6%。由此可得,基于双模糊PID控制的盾构液压推进系统,采用主从同步控制策略具有更好的位移跟踪性能,可提高推进系统的同步控制精度。