组合循环发动机飞机/发动机性能一体化分析

采用飞机/发动机一体化分析方法,开展了两种典型组合循环发动机方案（方案一为涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合发动机，方案二为涡轮/引射冲压/双模态超燃冲压组合发动机）总体性能对比研究。基于给定的马赫数为65巡航的高超声速飞行器的飞行任务需求,进行了约束分析与任务分析,优选出满足约束条件下的飞行器起飞推质比和机翼载荷,得到了相应的飞行器起飞总质量和海平面起飞推力,并进行了两种方案的对比研究。结果表明:在完成相同的飞行任务下,方案一的起飞总质量与方案二相当,前者比后者减小了26%；方案一的起飞推力比方案二高出103%；基于涡轮发动机水平,方案一和方案二分别需要采用两台海平面起飞推力为129kN和119kN量级的涡轮发动机。此外,飞行器起飞总质量随巡航距离增加而显著增加,巡航距离为4000km时,两种方案的起飞总质量将达到85t左右。      

航空发动机推力变化对飞机基本性能影响的敏感性分析

通过给定航空发动机非安装特性和飞机基本气动特性,建立了用于计算发动机安装推力和飞机基本飞行性能的数学模型,并进行了发动机推力变化对飞机基本飞行性能影响的敏感性分析。分析结果表明,发动机推力变化对飞机最小平飞马赫数影响的敏感度很小,对最大爬升率影响的敏感度较大,对飞机最大平飞马赫数和实用升限的影响由发动机的具体状态和推力变化趋势决定。     

桨扇发动机性能仿真建模与初步分析

为了获得更高的推进效率和更低的耗油率及CO2排放，本文采用变定压比热的方法建立了桨扇发动机的性能仿真模型．计算和分析了设计点飞行高度、飞行马赫数、动力涡轮膨胀比和桨扇效率变化对发动机设计性能的影响。     

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。     

国外桨扇技术发展概况

首先梳理了国外桨扇设计方法及风洞试验验证情况,并从已有的研究结果中归纳出,在巡航马赫数超过0.70条件下,先进对转桨扇的推进效率可达85.0%以上,且基本解决了气动设计问题,噪声水平也得到明显降低。其次介绍了国外桨扇发动机验证机或型号的桨扇部件研制进展,以及相关地面或飞行试验验证情况。最后分析了未来国际上桨扇发动机的研制趋势。可为我国未来对转桨扇技术的发展提供参考。     

螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟，以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一，引入其特性图，用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡，发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型，实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数，和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

基于亚燃的高超声速冲压发动机内流道研究

为了研究亚燃冲压发动机在高超声速条件下工作的性能,采用总体性能计算方法和流体力学仿真对基于突扩燃烧的高马赫数亚燃冲压发动机内流通道进行匹配设计研究,得到了其速度特性和调节特性。结果表明,设计出的亚燃冲压发动机在高超声速范围内性能良好,能够正常工作。在接力点处,马赫数Ma=3.5,高度H=12km,得到最大推力系数为0.649,此时比冲为13 801.2N·s/kg;在巡航点处,Ma=5.0,H=21km,发动机余气系数α=1.8时,得到推力系数为0.370,此时最大比冲为12 574.0N·s/kg。研究认为,最大飞行马赫数为5~6的高超声速冲压发动机采用亚燃是可行的。     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题，依据BWB流场特征，提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱，结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法，开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究，最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案，巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%，优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能；动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离，低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气，进气道总压恢复系数满足设计要求。     

拉力式对转桨扇发动机的建模与性能评估

为了分析桨扇发动机的总体性能,为桨扇发动机的预研工作提供方案,建立了一种三轴拉力式对转桨扇发动机的仿真模型,将桨扇发动机看成桨扇和涡轴发动机匹配的结构。桨扇建模基于相似原理,从单排桨扇的气动性能入手,并考虑了桨扇轮毂的影响以及前后排对转桨扇的相互影响和空气流道的收缩,模型与实验数据的误差在2%以内。核心机建模采用三轴涡轴部件级模型。基于该模型进行了桨扇发动机的性能评估。结果表明,桨扇和进气道的耦合作用对发动机性能影响很小,可以忽略。桨扇轴距半径比对发动机性能有一定影响,可以设置在0.4~0.6以内。前后排桨距角始终保持为56°,当高度增加时,总推力下降、sfc上升。当马赫数增加时,总推力先下降再上升,sfc先上升后下降。桨距角是重要的性能调节参数,4°的桨距角变化量可以带来64%的推力变化。     

基于进发匹配的自适应循环发动机总体性能设计初步研究

建立了自适应循环发动机与进气道的流量匹配数学模型,提出了一种可行的自适应循环发动机总体性能设计方法,并以此为基础对采用FLADE(Fan on Blade)的自适应循环发动机的设计参数选取和性能优化开展了研究。结果表明,自适应循环发动机性能设计,需综合考虑超声速进气道高空大飞行马赫数设计点和发动机地面静止起飞设计点的进发流量匹配需求;发动机设计点FLADE涵道比取值,应随着进气道设计马赫数及该飞行状态下冷却用气需求量的增加而增大。     

对转桨扇三维流场特性数值研究

对转桨扇（Contra-rotating propfan,CRP）是下一代民用航空推进备选方案开式转子发动机最重要的气动部件,其气动性能对整机性能影响显著。本文对不同进距比下的对转桨扇三维流场进行数值模拟,结合压气机及螺旋桨相关理论分析了对转桨扇内部流场及其滑流区涡结构和滑流特征。结果表明,对转桨扇后排流动特征及性能参数变化幅度均超过前排。对转桨扇实际进口气流角受到轮毂附面层、诱导速度、抽吸效应的共同影响,可根据不同叶高位置轴向速度的分布规律判断三种影响分别起主导作用的位置。在对转桨扇滑流区中,桨尖涡是导致损失的主要原因,径向涡量衰减比周向和轴向涡量衰减更快。对转桨扇滑流在径向上影响至3.5倍叶高位置。气流出后排桨扇后会持续加速直至静压达到环境压力,加速区域长度约为5倍桨扇半径。     

A new component maps correction method using variable geometric parameters

Accurate engine performance models are important for model-based performance evaluation of aero engine. The accuracy of the model often depends on engine component maps, so there is a need for a method that can accurately correct the component maps of the model over a wide range. In this paper, a new method for modifying component maps is proposed, this method combines the correction of the scaling factors with the solution process of the off-design working point, and uses the adjustment of the variable geometric parameters of the engine to change the position of the working line, in order to obtain more correction results and guarantee high accuracy in a wider range. The method is validated by taking the main fan of the Adaptive Cycle Engine (ACE), an ideal power unit for a new generation of multi-purpose and ultra-wide working range aircraft, as an example. The results show that the maximum error between the corrected component maps and the target maps is less than 1%. New possibility for more precise component maps can be realized in this paper.     

基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模控制

针对涡扇发动机内部状态大范围变化条件下,单点线性控制器控制效果不佳而线性变参数控制器求解困难的问题,提出了一种基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模变结构控制。首先,采用多入多出平衡流形展开模型辨识技术,获得仿射型的涡扇发动机数学模型。随后,利用反馈线性化将平衡流形展开模型解耦,经过坐标变换获得可用于控制系统设计的线性结果,考虑了具有误差项和饱和函数的指数趋近滑模控制律来提高控制系统的鲁棒性,完成了基于平衡流形展开模型的多变量涡扇发动机反馈线性化滑模控制器设计。最后,在非线性部件级模型上开展了控制器验证。在平衡流形展开模型设计工况,增益控制和滑模控制的控制效果表明,基于平衡流形展开模型的反馈线性化方法能够获得涡扇发动机良好的控制效果。同时,在平衡流形展开模型稳定但精度无法保证的非设计飞行工况,反馈线性化滑模控制器能够进一步抑制不确定性的影响,保证转子转速和发动机压比的跟踪控制效果。     

涡轮喷气发动机共同工作规律解析分析

涡轮喷气发动机非设计状态下的许多现象都与共同工作时压气机前后各级攻角的变化有关。本文根据共同工作规律,推得了压气机前后各级攻角变化规律的简明解析公式。      

面向飞机总体设计的开式转子发动机分析模型

应用高速桨扇试验数据与涡轴核心机估算模型相结合的方法,建立了一种快速的、能用于飞机总体方案论证阶段的开式转子发动机分析模型.它使用少量的总体参数即可估算出开式转子发动机推力与耗油率特性、质量和外形尺寸,计算速度快.通过对比模型的估算结果与文献的试验数据,证明其精度能够满足飞机总体初步方案论证的要求,可用于评估采用开式转子发动机带来的收益.      

桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究

结合三维流场数值模拟方法和声学Ffowcs Williams-Hawkings方程声类比方法,对对转桨扇流动及声学特征进行仿真分析,研究了桨叶后掠角对对转桨扇的气动性能和气动噪声的影响规律。结果表明：对转桨扇桨叶后掠角从0°增加至40°,高速巡航状态推进效率可提高接近1.5个百分点,起飞状态推进效率提升不大;桨扇噪声大小与后排桨叶吸力面压力脉动强度有直接关系,增大桨扇桨叶后掠角可明显降低压力脉动强度,从而降低起飞状态下对转桨扇整个角向范围内的噪声大小;在噪声最大的75°角向位置,后掠角从0°增至40°声压级降低达3 dB以上。     

轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计

以升阻比为优化目标，在来流马赫数Ma=2—4及飞行高度H=20km-24km条件下，进行了轴对称近似等熵压缩流场的乘波前体优化设计，通过CFD验证Ma=4优化乘波体的气动特性，并研究了Ma=3优化乘波前体在非设计条件下的气动特性。结果表明：近似等熵压缩下表面的乘波前体在设计条件下具有良好的气流压缩效果，可满足机体／发动机一体化设计的需要；乘波前体升阻比在1．5—1．9之间，纵向压心位置靠后；非设计条件下，压缩波不聚焦，小于设计马赫数升阻比时降低，大于设计马赫数时升阻比略大。     

大型民用飞机辅助动力装置性能仿真

分析典型辅助动力装置(APU)系统的结构和气动热力学过程,采用面向对象的数值仿真方法,利用C++程序建立了APU各部件类;针对某150座级民用飞机选用的APU型号,将部件类组成具体的APU整机数学模型.依照此型APU的运行工况,完成了气动热力计算和非设计点性能计算,得到其设计点性能参数及用于飞机环境控制和主发起动模式下的工作包线及高度-速度特性、温度特性、负载特性.      

多级轴流压气机稳定性的数字模拟

本文基于有关试验的结果采用了一个“激盘-滞后-容积”模型作为压气机级的物理模型,以代替近年来常用的“激盘-集聚容积”模型。为了比较,在数字机上分别用这两种模型预算了一台多级轴流压气机的失速线。模拟的证实除了和部件试验结果比较外,还专门在发动机试验台上作了逼喘试验。结果表明,用新模型得出的失速线和全台试验得出的几个失速点很接近,而用旧模型预算的失速线恰位于部件失速线的右下方。这种过早预示工作不稳定的情况,在前人所作的稳定性模拟中也可以发现,这表明新模型改进了模拟效果。 在模拟稳定性的同时,也模拟了非设计工况下级间的相互匹配,所得的等转速线和试验数据也较符合。