大型连续式跨声速风洞轴流压缩机故障分析与预测

大型连续式跨声速风洞是开展飞行器外形精确模拟、气动弹性评估和机体/推进一体化设计技术研究的重要地面试验设备,具备运行范围宽、动态指标要求高、系统组成复杂和投资规模巨大等特点。轴流压缩机是连续式跨声速风洞的动力源,被称为风洞的“心脏”,对风洞性能指标实现、安全稳定运行具有决定性作用。风洞轴流压缩机与工业轴流压缩机、航空压气机相比有其相似性,也有其独特性。系统分析工业轴流压缩机中常见的故障类型、诊断预警方法、故障处理方案和健康监测等,对大型连续式跨声速风洞轴流压缩机设计制造和运行维护具有重要的借鉴意义。通过分析国内典型轴流压缩机故障处理案例,结合大型连续式跨声速风洞轴流压缩机关键技术研究,为大型连续式跨声速风洞轴流压缩机研制提供了参考建议。

2.4 m连续式跨声速风洞气动设计与研究

连续式跨声速风洞由轴流压缩机驱动运行,具有运行范围宽、流场品质高、运行时间长等优点,是国际上最主要的跨声速风洞类别。近年来我国飞行器型号研制对大型连续式跨声速风洞的试验需求快速增长,为了弥补我国大型连续式跨声速风洞设备短板,中国航空工业空气动力研究院建设了2.4 m连续式跨声速风洞,该风洞是我国第一座大型连续式跨声速风洞。为了获得最佳的风洞流场品质和气动性能,航空工业气动院研发了多项适用于连续式跨声速风洞的气动外形设计技术,包括风洞的喷管、试验段、二喉道等高速部段的气动设计技术和低速部段气动设计技术。本文详细介绍了连续式跨声速风洞的总体设计要求和主要部段的气动设计方法,并通过CFD计算和风洞试验开展研究与验证。通过应用先进风洞气动设计技术指导风洞建设及调试,2.4 m连续式跨声速风洞的流场均匀性、噪声和湍流度已达到国际先进水平,试验数据品质与国际先进风洞一致。

2.4 m连续式跨声速风洞大飞机精细化测力试验技术

为满足大飞机研制对风洞测力试验数据精准度的需求,并适应2.4 m连续式跨声速风洞运行特点,中国航空工业空气动力研究院成功研发了多项精细化的测力试验技术。这些技术中,低热膨胀系数高强度天平和天平温度效应补偿与修正技术有效地减小了温度变化对天平数据的影响;角度传感器和视频相结合的直接测量方法与改进后的角度叠加测量方法,均提高了模型姿态角的测量精度;基于线性回归的天平初始载荷计算方法可以一次性获得各种试验状态下的天平初始载荷,并提高气动载荷计算的准确性;基于前后置减振器的主动振动抑制技术能降低模型振动对测量数据的干扰并拓宽迎角范围;弹性变形视频测量与CFD修正技术可以有效分离高雷诺数试验结果中的弹性变形对气动力的影响量。本文对这些试验技术的原理进行了详细介绍,并给出案例证明这些试验技术能够有效提高测力试验的精准度;与ETW风洞的对比试验显示,大展弦比民机模型的升力系数偏差约0.002,阻力系数偏差约0.000 2。

连续式跨声速风洞气流湍流度计算及阻尼网设置分析

气流湍流特性是衡量风洞流场水平的一个重要指标,也是影响模型动态测量数据精准性的关键参数。针对0.6 m连续式跨声速风洞,依托2种计算方法搭建了连续式风洞整流装置湍流计算模型,给出了2种方法的湍流度计算结果,并与实际测试结果进行了比较。分析发现,2种方法获得的气流湍流衰减变化趋势基本一致,湍流度衰减主要集中在前3层阻尼网,衰减约65%;方法一较实测最大值偏大约21%,方法二与实测最小值更为接近,虽然2种方法所得结果与实测值绝对值稍有偏差,但趋势及结果量级一致,因此可有效用于风洞整流装置优化设计。

NF-6增压连续式跨声速风洞流场特性与标模试验

NF-6风洞是中国第一座增压连续式跨声速风洞。对NF-6风洞试验段流场特性进行了总结分析,研究结果表明该风洞具有优良的流场品质,总体上达到了设计要求,具备了承担型号和科研试验任务的能力。通过AGARD-B标模试验,进一步完善了NF-6风洞试验段流场品质校测项目,检验了该风洞的测力试验能力。NF-6风洞标模试验结果与国内外风洞试验数据吻合较好,试验精度和风洞平均气流偏角满足国军标要求,表明该风洞具备了测力试验的能力。

增压连续式跨声速风洞防喘振措施——旁路调节的研究

压缩机的设计与制造性能尚不能充分适应风洞的运行范围 ,安全、可靠的防喘振措施是保证风洞安全运行的重要条件之一。作者讨论了旁路调节作为风洞中防喘振措施的可行性。在考虑跨声速风洞中气体压缩性的基础上 ,给出了风洞中旁路调节的估算方法 ,分析和讨论了旁路对风洞性能的影响。结果表明 :旁路的增加 ,使风洞工作点向大流量、低压缩比方向移动 ,达到有效。

增压连续式跨声速风洞的防喘振措施——直接放空的研究

安全、可靠的防喘振措施是保证增压连续式跨声速风洞安全运行的重要条件之一。直接放空作为防喘振措施的可行性得以讨论。在建立一个考虑压缩机和风洞回路相互影响数学模型的基础上 ,通过数值仿真 ,分析了直接放空对风洞和压缩机的影响。结果表明 :对于增压连续式跨声速风洞 ,直接放空只是带来风洞工作点一个短暂的过渡过程 ,不能有效地使工作点脱离喘振区。

连续式跨声速风洞设计关键技术

为研制先进飞行器,除了提高现有风洞试验测量精度和改进试验技术外,必须建立高性能连续式跨声速风洞试验设备,解决飞行器高速风洞试验模拟能力和精细化模拟问题。以试验段尺寸0.6m×0.6m连续式跨声速风洞设计为例,给出了风洞总体设计方案,分析了如何降低风洞气流脉动、如何改善风洞流场品质、提高风洞运转效率和拓展风洞试验能力等关键技术途径。该风洞作为大型连续式跨声速风洞的引导风洞,方案设计主要采用了高压比压缩机驱动系统、半柔壁喷管、低噪声试验段、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术。

0.6m连续式跨声速风洞总体性能

中国空气动力研究与发展中心(CARDC)0.6m连续式跨声速风洞是一座采用干燥空气作为试验介质的变密度回流式风洞,设计方案采用了宽工况压缩机及其与风洞一体化设计、半柔壁喷管、低噪声跨声速试验段、指片再入调节片式主流引射缝、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术。通过风洞总体性能调试,获取了风洞安全运行边界及总体性能,得到了风洞各关键部段性能参数。调试结果表明,风洞总体和各部段性能均达到预期设计技术要求;压缩机、换热器和各辅助系统设备运行性能良好;实现稳定段总压运行范围15～250kPa,总压控制精度优于0.2%;实现试验段Ma运行范围为0.144～1.640,马赫数控制精度优于0.002;轴向马赫数分布均方根偏差优于设计指标(Ma≤1.0时,σMa <0.002,1.0<Ma≤1.6时,σMa <0.008)的要求;当试验Ma≥0.5时,试验段核心气流脉动压力系数ΔCp<0.8%。调试结果验证了0.6m连续式跨声速风洞设计方案的可行性,为我国大型连续式跨声速风洞研制提供参考。

0.6m连续式跨声速风洞总压控制策略设计

总压作为连续式风洞控制系统关键指标之一,其控制精度及快速性对提高风洞试验效率、降低能耗具有重要意义。0.6m风洞为国内首座具备负压试验能力的连续式跨声速风洞,其试验工况多,压力范围广,针对该风洞压力特性,设计了总压控制策略,根据不同的压力工况确定不同的阀门组合控制方式;同时针对模糊PID对连续式跨声速风洞宽压力范围、多调节工况下压力控制适应性较差的问题,提出分段变参数加模糊PID相结合的控制算法,即先根据目标总压确定不同分段区间下基本合理的基准P、I参数,再结合模糊控制算法对基准参数进行修正。风洞调试结果表明,总压控制精度优于0.1%,控制策略能够有效满足不同工况的控制要求。

连续式跨声速风洞回路吸声降噪技术试验研究

风洞试验段噪声(气流压力脉动)是评价风洞流场的重要指标之一,对高品质流场要求的大型风洞设计提出了严峻挑战。通过中国空气动力研究与发展中心(CARDC)0.6 m连续式跨声速风洞沿程回路噪声测试,分析得到风洞主要噪声源为:风洞压缩机、高速扩散段(含二喉道段)、试验段本身(含模型支架段)。其中,来自试验段上游的压缩机噪声必须通过沿程回路吸声降噪措施进行隔离。提出了压缩机尾罩段洞壁和整流罩尾椎采用微穿孔板,风洞第四拐角段导流片填充复合吸声材料2种降噪方案,均取得了良好的降噪效果。最终通过试验段自身通气壁壁板参数优化等主动降噪方案,并采用风洞二喉道节流状态抑制试验段下游噪声前传的措施,实现风洞试验段压力脉动系数ΔCp≤0.8%的噪声设计指标要求。

大型连续式跨声速风洞热交换器概述

随着大飞机项目的启动,大型连续式跨声速风洞在国内的设计与建设已处于十分重要的时期,而作为其关键部段之一的热交换器一直是风洞设计人员关注的焦点。首先对热交换器在大型连续式跨声速风洞中的作用进行了阐述,然后介绍了国外几座典型的大型连续式跨声速风洞应用热交换器的情况,综合比较了两种热交换器的内部结构特征与性能优势,分析了热交换器在连续式跨声速风洞回路中的几种可能布局,总结出一种最优方案。最后,就国内大型连续式跨声速风洞热交换器的设计提出了几点参考意见。

大型连续式跨声速风洞总体方案与关键技术研究

大型连续式跨声速风洞具备飞行器外形精确模拟、气动弹性评估和机体/推进一体化设计等试验能力,试验段尺寸大、指标要求高、系统规模大、运行功能多。围绕大型连续式跨声速风洞的特点,简要介绍了大型连续式跨声速风洞总体设计方案,重点介绍了世界一流流场品质实现、大型轴流压缩机及其驱动系统研制等关键技术的初步研究成果。

0.6m连续式跨声速风洞轴流压缩机联锁监控系统

针对上位机HMI在监控0.6 m连续式跨声速风洞轴流压缩机时存在的不足,设计一套逻辑合理、运行可靠的联锁监控系统。结合0.6 m连续式风洞轴流压缩机的型式特点和安全特性,对启机条件联锁、运行工况监测、过程安全控制、紧急停机联锁和风洞联锁通信进行了程序设计和HMI组态,建立了一套安全监测与联锁控制系统。调试结果表明:该系统安全监测显示准确,联锁控制动作可靠,有效解决了完全依靠人工监控存在的信号遗漏问题,成功化解了轴流压缩机运行过程中出现的异常工况,达到了设计目的。

NF-6连续式跨声速风洞马赫数控制方式比较与研究

NF-6风洞通过压缩机静叶角预置进行马赫数粗调,而马赫数精确调节包括压缩机转速调节与试验段下游栅指位置调节两种方式。从调节范围、调节精度、调节速度与安全性4个方面对两种调节方式进行了对比研究。栅指调节在调节范围、调节精度方面具有一定优势,但两种精调方式均能很好地满足指标要求,而利用压缩机转速细调马赫数则具有安全性较好,且系统更简洁等特点。风洞最终选定了利用压缩机转速精调马赫数的控制方式,并确定了马赫数控制的流程。测试结果表明,风洞在全运行范围内马赫数控制精度优于±0.002。

连续式跨声速风洞大开角段整流装置设计数值模拟

采用阻尼网对大开角段内的气流分离进行控制,并合理设置其参数,是工程上有效的方法之一。为验证阻尼网工程设计方法的可靠性,以0.6m连续式跨声速风洞为背景,通过数值模拟,对工程设计方法的初步结果进行了验证,并在此基础上结合大开角段布置环境对阻尼网参数进行了优化。由计算结果知,采用方案3-4(两层阻尼网损失系数分别为1.6和1.0)时,大开角段出口截面的速度均方根偏差值(RMS)为14.5%;考虑布置环境影响,调整两层阻尼网损失系数至0.8和1.0时,RMS值为16.2%。研究结果表明,阻尼网工程设计方法结合数值模拟可以有效地应用于大开角段整流装置的设计,达到了抑制大开角段内气流分离,降低压力损失,提高出口速度均匀性的设计目标。

一种连续式跨声速风洞总压控制方法设计

总压是连续式跨声速风洞关键流场参数,高总压控制精度能提高试验数据的准确性,加快调节速度对缩短马赫数极曲线时间具有重要意义。针对连续式跨声速风洞试验工况多、调节手段多等特点,对连续式跨声速风洞压力调节系统及多种流场调节手段下的压力耦合特性进行分析研究,建立了连续式跨声速风洞总压控制精度和调节阀特性的对应关系,并以此设计出不同工况的阀门组合控制策略,采用分段变参数加模糊PID控制算法实现总压的闭环控制。风洞试验结果表明:在保证每条马赫数极曲线时间的同时,总压控制精度达到0.1%,控制方法能够有效满足连续式跨声速风洞总压控制要求。

连续式跨声速风洞大开角扩散段设计方法研究概述

随着我国自主研发大飞机项目的启动,对相应的高性能大型连续式跨声速风洞这一基础试验平台建设提出了日趋紧迫的需求。大开角扩散段在减小风洞尺寸的同时会引起气流分离,扩散段形状和内部整流装置的合理设计有着重要的意义。首先阐述大开角扩散段在连续式跨声速风洞中的作用,然后介绍了大开角扩散段在国外连续式风洞中的应用情况、布置位置和整流方式,主要分析比较目前几种大开角扩散段内阻尼网的设计方法,总结出一种最为优化的设计方案。最后对国内大型连续式跨声速风洞大开角扩散段的设计提出了几点建议。

连续式跨声速风洞动力系统运行安全研究

为提高连续式跨声速风洞动力系统的运行安全性,结合0.6 m×0.6 m连续式跨声速风洞的建设、调试和运行实践,分析风洞闭口回流布局对气流温升和管网阻力的影响,研究轴流压缩机在风洞应用中的轴系、运行工况和马赫数控制的安全特性,对关键性能进行了测试研究。研究结果表明:换热器性能满足压缩机运行和风洞总温需求;得到了压缩机轴系运行参数报警阈值和防喘振曲线设置的依据,测试出了扭转振动临界转速。压缩机防喘振曲线统一采用100 k Pa总压下的流量和压力比,风洞马赫数可采用压缩机转速和中心体位置闭环组合控制。

连续式跨声速风洞压力损失计算研究

为满足未来先进航空航天型号的发展需求,我国逐步展开了大型跨声速风洞建设工作;由于过去从未开展过大型连续式跨声速风洞建设,建设经验较为有限。连续式风洞压力损失估算及各部段气动参数计算是风洞结构、测控系统和动力系统设计的输入条件;压力损失估算结果的准确性,直接影响了风洞动力系统设计的难度。本文结合经典的压力损失计算方法,针对损失的关键部位,结合CFD数值模拟及缩比部段试验结果进行全面的分析,给出了特殊部段尤其是试验段的损失系数,并通过多次迭代计算的方式,给出了各部段气动性能。最后,将风洞压力损失估算值与某0.6 m量级连续式跨声速风洞试验结果进行对比,估算偏差在7.5%以内。