基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

脉冲爆震外涵加力分排涡扇发动机性能分析

为了研究外涵带脉冲爆震燃烧室分排涡扇发动机的性能,基于部件法建立了外涵装有脉冲爆震燃烧室（PDC）的分排涡 扇发动机性能模型,分析了PDC工作参数、外涵循环参数和飞行工况对整机性能的影响。结果表明：PDC频率提高,PDC增压比和 加力温度提高,发动机单位推力增大,耗油率升高;PDC当量比增大,PDC增压比和加力温度先提高后降低,发动机单位推力先增 大后减小,耗油率一直升高;脉冲爆震外涵加力由于只利用外涵部分气流组织燃烧,耗油率远低于传统加力的,当PDC频率超过 41 Hz时,脉冲爆震外涵加力发动机的单位推力大于传统加力涡扇发动机的;涵道比增大,参与爆震燃烧气流增多,发动机单位推 力增大,耗油率升高。风扇压比提高,发动机单位推力先增大后减小,耗油率一直降低;在飞行高度一定时,飞行马赫数提高,发动 机单位推力减小,耗油率升高;在飞行马赫数一定时,飞行高度增加,发动机单位推力先增大后略微减小,耗油率先降低后略微升 高;在不同飞行工况下,脉冲爆震外涵加力发动机的耗油率远低于传统加力涡扇发动机的。     

基于遗传算法的常规复合式高速直升机飞行性能参数优化

单旋翼带尾桨式的传统直升机受旋翼气动特性的不利影响，其最大飞行速度等性能受到制约，因此高速直升机成为国内外研究的热点。为研究基于遗传算法的参数优化对常规旋翼构型复合式高速直升机飞行性能的影响，本文采用动量叶素理论和Young曲线拟合相结合的方法建立了悬停和低速下负拉力状态螺旋桨气动模型，构建了基于遗传算法的飞行性能优化模型。以X3高速直升机为样例，对悬停、低速（200km/h）和高速（400km/h）分别进行优化，分析了直升机功率、操纵量和姿态角变化。结果表明，基于遗传算法的参数优化方法能提升特定速度下复合式直升机的飞行性能。悬停、200km/h和400km/h优化后的直升机总功率均降低，比基准值分别低16.3%、10.9%和19.6%。高速时最优直升机总功率主要依赖优化旋翼部件，通过显著降低旋翼总功率来实现。悬停状态的优化参数趋势和操纵量变化与400km/h优化后的相反，而200km/h优化后的旋翼参数变化趋势与悬停状态一致，螺旋桨参数变化趋势则相反。本文为未来高速直升机总体参数选择、飞行性能优化等提供一定的帮助。     

机翼水平失速诱发发动机失速的飞行试验

利用飞行试验的方式,选取相同高度和马赫数条件,对某尾吊布局飞机进行机翼水平失速试验,考核几种发动机功率状态对进气畸变的响应。试验结果表明:除飞行慢车状态外,其他几种功率状态均捕捉到了发动机失速掉转现象,且捕获的发动机失速为典型的可恢复失速;尾吊布局的发动机,进气畸变水平随攻角的增大而增大;发动机随着功率状态的增加趋向于更易失稳的状态。另外,飞机姿态变化速率分析表明,飞机姿态剧变是发动机失速掉转的诱因之一。     

考虑污染物排放的开式转子发动机总体性能建模及分析研究

开式转子发动机兼具涡桨发动机高推进效率和涡扇发动机高飞行速度的特点,是未来民用单通道客机理想动力装置之一。为了掌握开式转子发动机的性能变化规律,明确开式转子发动机相比于常规大涵道比涡扇发动机节油和降低污染物排放的优势,本文基于螺旋桨相似理论和动量理论,建立了考虑前后排桨扇相互影响的对转桨扇模型;与双轴燃气发生器进行匹配,建立了三轴齿轮传动开式转子发动机模型;同时建立了发动机污染物排放计算模型;对同技术水平的开式转子发动机和大涵道比涡扇发动机进行了性能对比。结果表明：所建立的对转桨扇模型与实验结果误差较小,最大误差不超过3%。飞行马赫数增大,桨扇功率系数增大,推力系数减小,耗油率增大;飞行高度增加,桨扇功率系数和推力系数均增大,耗油率呈减小的趋势。相比于同技术水平的大涵道比涡扇发动机,开式转子发动机在典型工况下的耗油率降低9%以上。在飞机起飞着陆循环内,开式转子发动机的UHC,CO和NO_x三种污染物排放指数相比于大涵道比涡扇发动机降低10%以上,表明开式转子发动机可有效降低航空污染物的排放。     

旁路放气循环高速单轴涡喷发动机安装性能模拟

针对Ma3.5旁路放气循环单轴涡喷发动机,提出一种压气机旁路放气计算方法,建立基于进/排气系统特性数据库的涡轮发动机安装性能计算模型,分析压气机旁路放气对压气机共同工作线和发动机高空高速推力性能的影响,给出压气机旁路放气量的调节原则,计算发动机安装性能、进/排气安装阻力沿飞行轨迹的变化规律。计算结果表明:当飞行马赫数大于2.3后需打开压气机旁路放气,旁路放气阀门面积和放气流量均随着飞行马赫数的增大基本呈线性增大趋势;通过压气机旁路放气,可显著改善单轴涡喷发动机在高空高速飞行条件下的稳定性和安装推力性能,在飞行马赫数3.0附近,可实现安装推力提高30%以上;在跨声速至飞行马赫数2.0区间内,推力安装损失最大,约为非安装推力的25%～30%。     

直升机垂直飞行状态气动参数辨识方法研究

准确计算直升机的悬停升限依赖于诸如桨尖损失系数,非均匀旋翼诱导速度分布,旋翼下洗引起的直升机增重效应及发动机与旋翼之间的功率传递系数等气动参数的准确度。然而,由于复杂的旋翼空气动力现象,准确预估以上气动参数有较大难度。本文提出了一种确定直升机垂直飞行状态上述气动参数的方法,该方法通过建立直升机垂直飞行状态的运动方程,实测直升机垂直飞行时的相关信息,采用参数辨识的方法得到直升机垂直飞行时的气动参数,然后,利用辨识结果确定直升机的悬停升限。结果表明该方法能有效地确定直升机垂直飞行时的气动参数及相应的悬停升限,且具有飞行试验简便,不受直升机装载和外界环境条件变化限制的特点。     

军用直升机涡轴发动机清洗技术

简要介绍了涡轴发动机的清洗技术及其包括的主要内容,并以某涡轴发动机清洗工作为实例,对该发动机清洗前后的飞行试验数据进行了评估,结果表明该发动机清洗后比清洗前轴功率提高1.2%～2.6%,单位耗油率降低2%～3%。     

涡扇发动机全加力状态收油门过程中分流环参数变化的飞行试验

通过在飞行条件下对某型涡扇发动机端部厚度分别为1.0mm和1.5mm的分流环静压和变形量进行实时数据采集,得到了不同飞行高度、速度条件下,分流环内外壁面静压值以及分流环的变形量.结果表明:飞机在发动机全加力状态飞行时急收油门过程中,分流环内外壁面静压差值会产生急增,差值增量随飞行速度的增加而增加,分流环厚度越小,增量越大;分流环内外壁面压差是导致分流环变形的主要原因,并给出了该型分流环变形量随压差的变化关系.      

基于直升机/发动机非线性综合仿真模型的ALQR控制器设计

构建了UH-60A直升机六自由度非定常、非线性气动力模型以及完整的直升机/涡轴发动机非线性综合仿真模型。使用增广LQR方法设计了直升机飞行控制器,包线内大量仿真结果及与 控制器效果的对比表明该控制器解耦性能、指令跟踪性能优越,鲁棒性强。此外,该控制器设计过程简单和调参方便。借助上述综合仿真模型研究了发动机闭环系统与直升机的功率匹配关系,数字仿真表明,发动机能够满足直升机机常规飞行任务下的功率需求,功率涡轮转速下垂量满足直升机飞行操纵品质规范（ADS-33E）的要求。     

基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计

为了提高旋翼转速优化直升机总体参数设计质量,基于不确定性多学科设计优化方法,对旋翼转速优化直升机的参数设计进行了研究。首先对最优旋翼转速的不确定性进行分析与建模,同时也考虑了直升机加工制造、材料老化引起的不确定性因素,对比发现最优旋翼转速是旋翼转速优化直升机设计中的主要不确定性因素;然后在协同优化框架下,分别建立了直升机飞行性能、直升机重量、飞行稳定性与变转速涡轴发动机性能计算模型;最后以续航性能为系统学科,悬停性能、飞行稳定性分别作为子学科,进行多学科的不确定性优化设计,得到了3种不确定性优化设计方案。通过对比分析可以发现：第2种方案为旋翼转速优化直升机的最佳参数设计方案,该方案满足悬停需用功率低于350 kW,飞行稳定性指数小于0.8等约束条件的概率不低于95.46%,并且直升机的最大航时期望值也较大。     

空速的GPS试飞校准方法

通过“往返试飞”消除风速影响从而由 GPS测得的地速求得真空速,运用近似理想气体理论,建立Ma数真值与真空速、大气总温的关系,解算出 Ma数真值,得到“GPS速度法”;或者考虑真实大气与标准大气的差异,在水平航线上引入气压高度常值偏差及航路气压修正系数,建立 GPS几何高度与气压高度的关系,结合“速度法”求得的任一 Ma数点的校准量,解算出气压高度真值,得到“GPS高度法”。通过对某型飞机的飞行试验,验证了这些方法的可靠性与实用性。     

一种变旋翼转速直升机/涡轴发动机非线性模型预测控制方法研究

为了实现变旋翼转速直升机/涡轴发动机快速响应控制,提出了一种基于神经网络的直升机旋翼预测模型与基于状态变量模型的涡轴发动机预测模型的新型非线性模型预测控制方法。所建目标函数除了包含转速控制指标外,还考虑了经两级变速双离合器传动机构传扭后发动机输出轴的转子动力学特性。不同飞行任务下的数值仿真结果表明:相对于PID控制器而言,非线性模型预测控制器可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下使动力涡轮转速在变旋翼转速过程中的超调量减小50%,下垂量降至0.2%以内,实现了涡轴发动机的快速响应控制的同时,有利于改善发动机使用寿命。     

发动机安装损失试验精确测温方法研究

直升机发动机装机后,一般都需进行安装损失的飞行试验,通过发动机进气温升与进气压损等数据的测量,利用发动机性能计算软件,分析装机状态下的发动机性能变化。UMA2000数据采集系统预设的蕈程相对于发动机温升的变化范围过宽,往往导致较大的测量误差,直接影响发动机安装损失的分析结论。通过在UMA2000数据采集系统引入偏置电压的方法,实现了发动机进气温升测量精度的大幅提高。     

环境小偏差条件下涡轴发动机轴功率及其不确定度计算方法

对涡轴发动机高空模拟试验性能处理方法作了研究,利用小偏差和传统的相似换算理论研究了涡轴发动机轴功率计算方法,推导出了环境模拟小偏差条件下的轴功率计算公式。试验结果表明:在小偏差条件下,该计算方法得到的误差比相似换算的误差低0.2%~0.6%。给出了小偏差条件下的换算轴功率公式和不确定度计算公式。该轴功率计算方法和不确定度计算方法可以为相关工程技术人员提供技术参考。      

涡轮轴发动机振动监测技术研究

介绍了某型涡轮轴发动机的振动特点, 针对其空中、地面的振动频谱分布情况, 提出了实施振动监测的方法。结合部队外场的实际情况, 利用单片微机研制出适合外场地面、空中使用的振动监测仪, 收到了较好的效果。      

基于安装结构实测发动机推力的载荷标定方法

针对某型航空发动机,在其安装结构的主要承力构件上进行应变计布置和桥路设计.分别对发动机安装结构部件和结构整体进行载荷标定试验,以此建立结构应变输出与载荷输入关系方程.并在此过程中对推力的标定方程进行相关性和显著性分析,相关系数和F值分别达到0.999和22000以上.推力计算值与加载载荷比较,单向和两向加载的工况下误差均在2%以内.结果表明：标定方程具有较高的精度.将标定方程代入实测飞行数据,得到发动机推力-时间历程曲线,与发动机燃油流量-时间历程曲线进行对比,两者变化趋势相吻合,进一步验证了发动机推力载荷测试方法的有效性和可行性,为飞机实际飞行时航空发动机推力的测量提供了一种可实施的技术途径.     

基于任务段的航空发动机载荷谱聚类方法

针对航空发动机飞行任务剖面分类问题,对发动机31个飞行任务剖面进行了聚类分析。选取飞行高度和飞行马赫数作为划分飞行任务剖面的参数, 依据其对应的飞行任务段均值生成聚类散点图,将剖面类型划分为5大类。结果表明:低空低速剖面在无量纲飞行高度为0~0.2、飞行马赫数为0.4~0.6区间,均值最低;高空高速剖面在无量纲飞行高度为1.2~2.2、飞行马赫数为1.0~1.8区间,均值最高;飞行任务剖面在无量纲飞行高度为0.2~1.2、飞行马赫数为0.6~1.0区间内最为集中;针对散点密集区域,可依据剖面特征进一步划分剖面类型;不同剖面间,飞行高度与飞行马赫数差异性强,利于剖面划分,而法向过载与转速差异性小,不利于剖面的划分。所提出的方法可以快速有效的对航空发动机飞行任务剖面进行聚类分析。