基于可变高增压方式的航空活塞发动机变海拔工作特性仿真研究

以一台直列四冲程压燃式航空活塞发动机为研究机型,通过GT-Power构建一维热力学模型,首先对比研究了不同海拔下固定截面增压(fixed geometry turbocharger,FGT)、可变几何截面增压(variable geometry turbocharger,VGT)和两级可变几何截面增压(twinvariable geometry turbocharger,TVGT)对发动机性能的影响;然后基于搭建的TVGT增压系统,探究了高、低压级VGT叶片开度对发动机变海拔条件下工作特性的影响。结果表明:在不同海拔和转速工况下,发动机匹配TVGT增压系统后,其海拔适应性更佳。针对TVGT系统,在不同海拔下,当高压级VGT叶片开度位于0.2~0.4范围内,低压级VGT叶片开度位于0.6~0.8范围内时可以获得较高的动力性及经济性。通过对高、低压级VGT叶片开度的优化,在巡航工况转速3397 r/min时可在6000 m海拔下实现106.8%的功率恢复目标,可满足发动机对高海拔工作运行的功率恢复要求。

基于冷气射流的涡轮流动主动控制数值模拟

针对变循环发动机在工作过程中进行涡轮流量调节的需求,以某涡轮的第一级作为研究对象,采用三维数值模拟的方式,对在导叶上不同射流位置、射流角度、射流流量的流场进行计算。结果表明:涡轮流量调节量对于射流位置十分敏感,在喉部上游附近的流量调节量最大;加入射流后涡轮损失增加,损失主要发生在射流于壁面上的流动区域;加入射流后,沿径向的大部分导叶出口气流角增大,从轮缘至轮毂导叶出口气流马赫数先增大后减小;涡轮流量调节效果与射流角度、射流流量成正比,当射流位于喉部附近、射流角度为90°、相对射流量为5%时,涡轮进口流量改变量达到13.03%,说明利用叶片表面射流,可以达到调节涡轮流量的目的。

变几何涡扇发动机几何调节对性能的影响

本文以高推重比涡扇发动机为研究对象，利用所建立的以变几何部件特性为基础的变几何加力涡扇发动机性能模型，详细计算和分析了风扇和高压压气机静子叶片角度、高压和低压涡轮导向器喉道面积４个几何参数的调节对发动机性能的影响。结果表明，在本文计算条件下调节风扇静子叶片角度对发动机性能有显著影响，调节其它３个参数对性能影响不大，但可在控制主要部件在其高效率工作点方面发挥作用。

变几何喉道对超燃冲压发动机点火与燃烧性能的影响

为了研究变几何喉道对双模态超燃冲压发动机工作的影响,对可变几何喉道的双模态超燃冲压发动机在不同当量比时模态转换前后进行了比较,对几何喉道的大小对点火和燃烧性能的影响进行了试验研究。结果表明,可变几何喉道不但有利于超燃发动机点火和火焰稳定,提高发动机燃烧性能,而且可以快速的实现亚/超模态间的转换,但是几何喉道的大小直接会影响发动机点火和燃烧性能。

变几何部件对发动机性能的影响分析

变循环发动机是现代多用途战斗机的理想动力装置,实现变几何调节是其发挥性能优势的关键。主要利用所建立的发动机稳态性能计算程序,分析和计算了变几何部件对发动机性能的影响。

变几何参数对变循环发动机过渡态性能的影响分析

为了研究变几何参数对变循环发动机(Variable Cycle Engines,VCE)过渡态性能的影响,对功率提取法(Virtual Power Extraction Method,VPEM)进行了总结与发展,并以双轴混排涡扇发动机的VPEM模型为工具,研究了尾喷管喉部面积和涡轮导向器喉部面积对双轴混排涡扇发动机过渡态性能的影响,建立了应用于双外涵VCE的VPEM模型,并以此为工具研究了高低压涡轮导向器喉部面积、尾喷管喉部面积和后可变面积涵道引射器面积对VCE过渡态性能的影响。结果表明,变几何参数对涡扇发动机和VCE过渡态性能的影响规律一致,尾喷管喉部面积和高低压涡轮导向器喉部面积增加5%带来高压转子的功率变化分别为1.9%,6%和3.5%,低压转子功率变化分别为-3%,22%和-7%,RVABI面积对过渡态性能的影响并不显著。

涡扇发动机可变几何参数调节对性能影响的分析

对于混合排气加力涡扇发动机可变几何参数调节对其性能的影响进行了分析研究，结果表明在超声速飞行条件下调节几何参数对于改善性能有显著效果。

CFM56-3发动机可变几何控制系统对发动机性能的影响

CFM56-3发动机目前广泛应用于民航干线飞机,其可变几何控制系统由可调放气活门(Variable Bleed Valve)和可调静子叶片(Variable Stator Vane)子系统组成,工作情况直接决定着发动机能否稳定可靠地工作。系统介绍和全面分析了CFM56-3发动机可变几何控制系统的构成与控制原理和对发动机性能的影响,为排除该系统故障提供了依据。

可变几何排气管增压系统高原适应性计算研究

建立并校核了D6114柴油机的原机性能仿真模型,并通过压气机图谱的高原特性修正和增加调节阀将其改建成可变几何排气管增压系统模型,进行了固定海拔、固定转速和变海拔性能计算。研究结果表明:可变几何排气管增压系统通过开启调节阀可以改善中高转速的动力和经济性能,而对低速工况作用较小;除海拔2 000m以外,其他海拔下发动机转速上升到1 400r/min时需要开启调节阀;可变几何排气管增压系统可以使最大扭矩和最低燃油消耗率所对应的转速不随海拔高度的变化而变化。

非均匀来流下TBCC变几何进气道的数值优化

为提高内并联式涡轮基组合循环发动机进气道的工作特性,设计了一种带多级楔板的扩压段二维进气道。采用数值模拟方法研究了非均匀来流对其流场特性及性能参数的影响,并与非均匀来流对常规型进气道特性的影响进行了比较。模拟结果表明:采用带多级楔板的扩压段二维进气道性能受非均匀来流影响更小,扩压段内出口流场有明显的提升;模态转换状态下,与常规型进气道相比,进气道出口总压恢复系数平均增大10%,总压畸变指数平均降低15%左右,冲压出口马赫数均小于0.41,出口温升比降低。从而使得发动机推力增加,耗油率降低,改善了TBCC发动机的性能。

不同海拔下VGT对含氧燃料柴油机性能的影响

利用大气压力模拟装置,试验研究了可变几何截面涡轮增压器(VGT)对高压共轨柴油机分别燃用纯柴油和生物柴油-乙醇-柴油(BED)含氧燃料的经济性、排放特性及燃烧特性的影响。结果表明:随着海拔的升高,柴油机经济性恶化,氮氧化物(NO_x)排放降低,而一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放及烟度升高。燃用纯柴油与含氧燃料,随着VGT喷嘴环开度的增大,柴油机的经济性均有不同程度的恶化,而CO、HC排放及排气烟度也都有不同程度的升高。在高海拔地区,燃用纯柴油的经济性优于含氧燃料,但使用含氧燃料有助于改善柴油机的CO、HC排放及烟度。在中等负荷工况下,NO_x排放随着VGT喷嘴环开度的增大呈现先减小后增大的趋势;在高负荷工况下,放热率峰值和最高气缸压力均随着VGT喷嘴环开度的增大而降低,从而降低了NO_x排放。

高原环境下柴油机增压技术研究与应用

综述高原环境下涡轮增压器压气机特性变化及修正方法,为柴油机与涡轮增压器的高原匹配提供依据。分析固定截面涡轮增压器、可变截面涡轮增压器及两级涡轮增压系统与柴油机的高原匹配研究现状,探讨可变截面增压(VGT)、普通两级增压(TST)和可调两级增压(RTST)对柴油机高原动力提升的潜能。通过对比分析,基于VGT的两级可调增压系统,兼有两级增压和VGT技术的优点,具有高压比、宽流量的特点,能够显著提高柴油机高原综合性能。

基于近似模型的变循环发动机稳态性能分析及优化

针对变循环发动机可调节变量多的特点,基于变循环发动机稳态性能计算结果,提出了通过构建和利用近似模型对稳态性能进行分析、优化的研究方法,同时还建立了优化求解程序。以超声速巡航工况稳态性能的分析及优化为例,解析了主要变几何部件调节对推力和耗油率的影响,获得了满足优化条件的性能方案。与传统大范围变几何部件参数研究方法对比验证表明,该方法在提高设计效率方面作用显著。为变循环发动机性能分析及控制规律设计提供了一种研究方法。

变几何涡轮与可调喷管发动机总体性能研究

为更加全面地展现变几何涡轮和可变喷管对发动机性能的影响情况,使用部件法对发动机进行建模,然后分别在改变高压涡轮第1级导向器喉道面积、改变低压涡轮第1级导向器喉道面积和改变喷管出口面积的情况下,系统地分析了发动机性能的变化情况,对总体性能参数进行了定量的研究。结果表明:增加高压涡轮流通能力或低压涡轮流通能力,尾喷管进口总温与总压均升高,推力和燃油消耗率均增加;当高压涡轮流通能力增加10%时,推力仅增加1.69%,燃油消耗率增加2.52%,而当低压涡轮流通能力增加10%时,推力增加13.16%,耗油率也增加12.42%;扩大尾喷管出口面积,尾喷管进口总温与总压均降低,推力和燃油消耗率均减小,当尾喷管出口面积增加10%时,推力有16.19%的大幅降低,燃油消耗率减小4.02%。

几何调节对变循环核心机过渡态性能影响研究

本文针对几何调节对变循环核心机过渡态性能影响开展研究,分析了供油规律、核心机驱动风扇级(CDFS)导叶角度、外涵喷管面积对变循环核心机影响。仿真结果表明:在现有部件特性和仿真模型基础上,变循环核心机加速过程中CDFS导叶角度变化对加速时间影响较小,但会影响CDFS稳定裕度,裕度最大变化5%;减速过程中CDFS导叶角度变化对燃烧室稳定燃烧有一定影响。加速过程中,不同的外涵喷管面积调节规律对CDFS和压气机稳定裕度影响较大;减速过程中对CDFS稳定裕度有一定影响,但对压气机稳定裕度影响较小。

变循环发动机起动建模及控制规律研究

为研究双外涵变循环发动机起动控制规律,基于部件级建模方法,考虑可调部件变几何特性处理和旋转部件低转速特性外推,采用流量平衡方法构建共同工作方程组,建立变循环发动机起动数学模型。通过改变单个几何调节量,包括风扇、核心机驱动风扇(CDFS)和压气机导叶角度,低压涡轮导向器面积,前涵道引射器(FVABI)面积、后涵道引射器(RVABI)面积和尾喷管喉道面积,采用单因素分析方法,研究其对起动性能的影响,获得几何变量影响矩阵,并基于此开展起动控制规律研究。研究表明:控制规律的风扇导叶、核心机驱动风扇导叶、前涵道引射器和喷管均置于全关闭位置,低压涡轮导向器处于最大位置,后涵道引射器面积和压气机导叶角度随转速下降。经试验验证,起动控制规律正确可行,变循环发动机起动成功。研究结论对变循环发动机起动控制规律和起动性能设计提供了参考。

双外涵变循环发动机可变几何特性研究

建立了双外涵变循环发动机(VCE)总体性能数学模型,实现了变循环发动机与进气道进口流量匹配、双参数控制规律、可变几何部件性能模拟。依据单/双涵道模式、最大推力/最小耗油率模式、是/否开加力选取了起飞、亚声速巡航、超声速巡航、加速爬升4个典型航段,分析了变循环发动机10个几何可调节变量在不同飞行条件下的控制规律及其对发动机安装性能和稳定性的影响。结果表明,相比于几何不可调节变循环发动机,几何可调节的变循环发动机在亚声速和超声速巡航阶段的安装耗油率可分别降低3%和30%,加速爬升阶段的安装推力可增加42%,并且保证发动机均能具有足够的喘振裕度。

变循环发动机模态转换数值模拟

对双外涵变循环发动机的模态转换过程进行了研究,设计了变循环发动机模态转换方案,确立了模态转换时的多部件调节规律,采用稳态模型对模态转换进行了数值模拟.结果表明,所设计的模态转换方案可行,能够使变循环发动机的涵道比发生明显改变,并有效提高了发动机在部分推力时的空气流量,与设计参数相同的常规涡扇发动机相比,其安装耗油率明显降低.

变循环发动机组合变几何调节方案

基于面向对象的设计思想,设计出了一个双涵道变循环发动机(VCE)的性能计算模型,并选取了双涵道VCE具有代表性的典型工作点,进行了双涵道VCE的组合变几何调节的相关研究.结果表明:在双涵道VCE的亚声速巡航和超声速巡航工作点,合理调节风扇导流叶片角度可以更大程度发挥双涵道VCE性能优势;在亚声速巡航工作点时选取的方案4和超声速巡航工作点时选取的方案4均比双涵道VCE设计点的变几何调节方案性能更优.

变循环发动机模态转换的几何调节规律

考虑了变循环发动机转子惯性效应和部件容积效应,分析了模态选择阀门面积、核心驱动风扇级导叶角度、低压涡轮导向器面积、喷管喉部面积等几何参数及其不同组合调节方式对变循环发动机模态转换过程的影响,并与实验数据进行了对比.结果表明:所建立的数学模型能正确反映变循环发动机在模态转换过程中参数的变化规律.为确保转换过程的顺利进行,在放大(关小)模态选择阀门面积时,应关小(放大)核心驱动风扇级导叶角度.低压涡轮导向器面积和喷管喉部面积的调节可使得转换过程中参数的变化更加平稳.