高空超声速涡扇发动机喘振特征及扩稳措施的飞行试验研究

基于可调斜板式进气道及涡扇发动机,研究了飞机高空超声速减速条件下,进气道斜板板位快速调零后涡扇发动机的喘振特征,及放大尾喷口临界截面面积和提高风扇转速的扩稳措施对发动机稳定性的影响。结果表明:进气道可调斜板快速调零引起的发动机进口压力波动,会导致进气道与发动机流量不匹配,进气畸变增大;较低风扇换算转速下,进气畸变等降稳因子会导致发动机稳定裕度不足;放大尾喷口临界截面面积,提高了发动机的稳定性,喘振概率大大降低;增加最小燃油流量,提高高空发动机慢车状态风扇转速,可避免发动机进入低转速易喘振区域。     

涡喷发动机对湍流型动态畸变响应的试验研究

 本文介绍涡喷发动机对湍流型动态畸变的响应。湍流型动态畸变是用发动机进口截面的叶根或叶尖挡板造成的,挡板的周向范围为180°,这个范围内的堵塞比为50％。这两种动态畸变发生器分别在发动机进口截面的叶根或叶尖部分产生相当强烈的湍流型动态畸变,在发动机转速（n）=1.0时,都会引起涡喷发动机出现“漂移型”喘振。本试验还对小一导（涡轮第一级导面器出口截面减小12％）的涡喷发动机进行研究,试验结果表明,（n）=0.9,同样挡板所造成的湍流型动态畸变也引起发动机“漂移型”喘振。（n）=0.87时,在“净”进气条件下,发动机出现的不稳定为深喘振,而在网格造成的进气畸变下,发动机出现的为古典喘振。这些结果表明,除了转速之外,发动机的不稳定性态还与进气条件有关。     

飞机进气道锤击波载荷评估方法研究

进气道锤击波载荷是由航空发动机喘振超压引起的,其峰值压力可达到自由来流总压的2倍量级,为进气道结构设计的最大载荷。为了给新研飞机进气道设计提供最大载荷依据、降低结构质量,对增压比等影响发动机喘振超压的因素进行归纳总结,并进行了实测和评估分析,认为锤击波压比值的上限是由稳态压力畸变引起的喘振确定的,最大锤击波载荷基本上随发动机压比的增大呈线性增大;分析了锤击波载荷的特征和评估曲线,认为通过积累新研发动机地面试验数据和CFD手段可有效解决飞机设计的载荷输入,应用概率统计方法可有效降低复合材料结构的大"S"弯进气管道结构质量。     

航空发动机进发匹配优化研究

为降低进气压力畸变对发动机的需用稳定裕度需求,分别从发动机和进气道2个方面开展优化匹配研究。在发动机方面,通过降低转速的方式来降低进气畸变,评估结果表明:采用该方案对发动机剩余裕度增大效果不明显。在进气道方面,局部优化进气道防护网结构,经过进发联合试验验证表明:采用该措施可降低进气压力畸变相对量20.4%～32.6%。经过发动机逼喘试验验证,畸变改善效果显著,大大降低了发动机喘振概率,可在现役飞机进气道上推广使用。     

基于实验的发动机插板式进气畸变压力谐振分析

某型涡扇发动机插板式进气畸变实验中,当插板升高到35%以上,进气截面各个测点畸变扰动出现约为32 Hz大幅振荡.用气流压力波动方程计算了进气道容腔谐振频率为34 Hz.表明该谐振是由插板与发动机之间的容腔引起的.不同转速和流量下,计算和实验的结果都基本稳定.由分析可知:150 Hz以下脉动压力是大幅稳定和周期性的.高频部分主要是小幅随机压力脉动,其速率和加速度变化比较剧烈.在发动机喘振前,谐振频率压力振荡能量大大增加,其它低频和高频成分能量迅速减少,形成典型的谐振型压力振荡.      

某型战斗机进气道／发动机相容性研究

简述了在某型战斗机设计过程中,对进气道／发动机相容性问题所作的研究。该研究主要是建立在3项基本试验的基础上,即通过进气道缩比模型吹风试验获得不同飞行状态下进气道出口的畸变参数和图谱;通过发动机低压压气机部件畸变试验获得畸变对低压压气机特性的影响;在上述3项试验的基础上,经过分析和评估,获得偏离进气道调节规律的上边界－发动机喘振限制边界和下边界－进气道喘振限制边界,最后选择了3个飞行状态下进气道出口流场图谱和平均紊流度,研制成模拟板,在高空台上进行了全台发动机进口畸变模拟鉴定试验,通过上述试验研究和评估,为某型战斗机试飞提高了必要的安全保证,并为进气道／发动机相容性设计定型提供了依据。     

基于辅助进气门的进气道/发动机一体化稳定性控制研究

为了实现发动机在大机动飞行时高品质稳定运行,提出了一种基于辅助进气门调节的进气道/发动机一体化稳定性控制方法。基于进气道CFD模型,通过飞行条件和辅助进气门开度计算出口性能参数,考虑总压畸变对风扇特性的影响,建立了进气道实时模型和总压畸变模型,并将其与发动机部件级模型匹配,建立进/发一体化模型。为了直接控制发动机安全裕度,选取发动机部分可测参数作为输入,通过非线性拟合方法建立风扇喘振裕度实时估计模型,相比于直接压比控制可以充分发挥发动机的潜能。进/发一体化控制是通过调节辅助进气门开度,控制进气道出口总压恢复系数,以满足发动机进口截面需求,并基于H∞鲁棒控制实现对发动机的转速和安全裕度的控制。仿真结果表明,所提出的方法可以实现发动机在大机动飞行过程中安全稳定工作,推力损失不超过2%。     

进气道温度畸变问题的研究

重点研究稳态温度畸变对发动机稳定工作的影响。温度畸变分为周向温度畸变和径向温度畸变两种情况。温度畸变将使发动机喘振裕度降低。情况严重时可使发动机工作不稳定,或发动机熄火,从而危及飞行安全。本文半给出进气道温度畸变和稳定性因子的确定方法,作为进气道／发动机匹配研究的基础。     

扰流板进气总压畸变试验

在吊舱进气道进口安装扰流板进行试验,研究扰流板进气畸变的影响因素及总压畸变特征。试验得到了进气道出口若干马赫数下进气总压畸变的定量数据,研究了进气道出口压力分布和畸变指数随飞行马赫数、扰流板堵塞比、进气道出口马赫数的变化关系。试验结果表明：进气道出口对应点总压恢复系数随扰流板堵塞比和进气道出口马赫数的减小而增大,几乎不随飞行马赫数发生变化;受扰流板、飞行侧滑角以及发动机低压转子转向影响,进气道出口局部区域存在高压区,高压区域的大小和位置随飞行马赫数、扰流板堵塞比、进气道出口马赫数的变化而变化;各总压畸变指数随扰流板堵塞比和进气道出口马赫数增大而增大,飞行马赫数对畸变指数影响很小。同时,数值计算了不同飞行马赫数下进气道出口总压畸变特征及周向稳态畸变指数,与试验结果结论一致,验证了试验结果的可靠性,也证明了数值计算在总压畸变研究中的有效性。研究工作为进一步的空中逼喘试验奠定了基础。     

一种平面埋入式进气道的地面工作特性及流态特征

对一种平面埋入式进气道的地面工作特性进行了实验研究, 结合数值仿真技术, 分析了地面工作状态下该类进气道的流态特征, 并探讨了其出口总压图谱的形成成因.结果表明:(1)虽然进气道出口截面的二次流较弱, 但通道内却存在强的以对涡为特征的旋流, 该对涡因埋入式进气道进口侧棱的存在而产生, 与后唇口前缘的气流分离共同导致了进气道出口截面的大面积低总压区;(2)地面工作状态下, 埋入式进气道的总压恢复系数随出口马赫数的上升而下降, 周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数则随着出口马赫数的增加而增加.在相同的出口马赫数下, 地面工作状态的总压恢复系数高于飞行状态, 各种畸变指数也明显偏高.但当发动机的进口工作马赫数为0.35左右时, 进气道出口截面的综合畸变指数W小于10.0%, 满足常规发动机的稳定工作要求;(3)计算和实验结果对比表明, 所得到的进气道出口总压恢复系数相对误差在1.2%以内, 但畸变指数整体偏大.      

某型涡扇发动机扰流板进气总压畸变试验研究

在吊舱进口安装扰流板,试验研究某型涡扇发动机进口的总压畸变流场,得到了该型发动机若干状态下进气总压畸变的定量数据,研究了发动机工况、扰流板相对深度对吊舱进气段总压恢复系数、发动机进口各畸变指数的影响,确定了该型发动机进口综合压力畸变指数与进气段平均总压恢复系数的特性,为该型发动机的扰流板式空中逼喘试验和气动稳定性研究奠定了基础。     

轴流压气机失速初始扰动形式的实验研究

对一单级轴流压气机的旋转失速发展过程进行了实验研究。应用SFC分析方法识别出失速的初始扰动有旋转波和小失速团两种形式,并且发现,压气机结构型式对失速的初始扰动形式有很大的影响。单级压气机与弧立转子相比,其失速初始扰动形式更为明显地表现为旋转波扰动。      

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

某型涡扇发动机进气总压畸变的试验研究

由可移动插板式畸变发生器产生进气总压畸变流场,以综合畸变指数评定流场畸变程度,分析了进气总压畸变对涡扇发动机气动稳定性的影响,得到了稳态总压场不均匀度与总压紊流度随插板深度及发动机转速的变化关系,确定了该型发动机的最大（或临界）综合畸变指数和总压畸变敏感系数。     

45°周向压力畸变对轴流压气机影响的实验研究和机理分析

设计了一种45°周向压力畸变模拟发生器, 并在某高速轴流压气机实验台进行了实验研究.在中等转速下, 详细研究了45°周向压力畸变对该轴流压气机级的转子的性能影响, 以及整个轴流压气机级(转子进口、转子出口和静子出口)的压力周向分布.研究结果表明, 在中等转速下, 畸变区的范围在转子出口转移和扩大并不明显, 但是在静子出口扩大了近100%;在转子出口畸变强度明显增强, 而在静子出口强度衰减;与均匀进气的情况相比, 压气机转子压比提高了1.8%, 近失速点换算质量流量减小了2.5%.      

Experiments of effects of inlet-air distortion on aerodynamic performance in transonic compressor

The inlet-air distortion which was caused by high angle-of-attack flight was simulated by plugboard.Experiments were conducted on a transonic axial-flow compressor's rotor at 98% rotating speed.The flow-field characteristics and mechanism of performance degradation were analyzed in detail.The compressor inlet was divided into four sectors at circumference under inlet-air distortion.They were undistorted sector,transition sector A where the rotor was rotating into the distortion sector,distorted sector and transition sector B where the rotor was rotating out of the distortion sector.The experimental results show that compared with undistorted sector,there is a subsonic flow in transition sector A,so the pressure ratio is decreased by a large margin in this sector.However, the shock wave is enhanced in distortion sector and transition sector B, and thus the pressure ratio increases in these sectors.Because of the different works at circumference,the phase angle of total pressure changes 90° when the inlet total pressure distortion passes through compressor rotor.In addition,the frequency and amplitude of disturbances in front of the rotor strengthenes under inlet distortion,so the unstable flow would take place in advance.In addition, the position of stall inception is in one of the transition sectors.      

涡扇发动机熄火故障在线检测方法

采用机载可测量的高压转子物理转速、低压转子物理转速和发动机进口总压等参数,建立了基于换算加速率的熄火故障在线检测方法。经全包线发动机工况计算仿真和试验验证,熄火过程的高低压转速加速率幅值为减速和喘振过程的1.5~5.0倍,高压轴断裂过程的高压转子加速率幅值是熄火过程的6.0~10.0倍,低压轴断裂过程的低压转速加速率幅值是熄火过程的2.0~3.5倍。这些特征能够将熄火与减速、喘振和断轴等瞬态过程明确区分。经发动机试车验证,该方法检测时间为0~0.3s,检测率100%,未发现误检和漏检。      

大涵道比涡扇发动机总压进气畸变数值模拟

基于数值缩放理念,以一台大涵道比涡扇发动机为研究载体,将三维彻体力模型与二维多子平行发动机模型进行有机结合,初步搭建了适用于分析复杂进气畸变对航空发动机整机流场特性影响的多维耦合计算模型。利用该多维耦合模型定量分析了稳态周向总压畸变及插板式总压畸变进气下发动机内部的流场特性。计算结果表明即便是进口单纯的方波周向总压畸变进气,在经过大涵道比风扇转子作用后在下游内外涵进口的畸变流场特征也将具有显著差异;在内涵进口形成的总压/总温复合畸变在四级增压级中均得到不同程度的衰减;插板式总压畸变进气下风扇转子进口近轮毂处受周向静压梯度驱动将产生一定程度旋流,并导致风扇转子出口轮毂处形成低压区。