微涡喷发动机主轴内冷通道传热数值研究

对推力为100N,转速为1×105r/min的微型涡喷发动机BUAA100的特点进行了介绍,然后对该发动机的主轴内冷通道基于Navier-Stokes方程和能量方程建立了计算模型,采用迭代法解决了前螺母简易离心泵进口边界条件和通道下游边界流动、换热相互耦合的问题,进行了数值模拟研究.给出的主轴内冷通道、简易离心泵创新设计方案和数值研究方法,可供其它微发研究参考.     

涡轴发动机性能在线监测技术研究及试验验证

研究了基于模型的涡轴发动机性能在线监测技术,开发了涡轴发动机性能在线监测软件,并进行了真实台架试车试验验证.试验结果表明:软件能够自动判断发动机是否已进入准稳态工况,并根据当前的大气条件、燃气涡轮转速、动力涡轮转速,实时计算发动机其它状态量与性能量,如压气机增压比、动力涡轮前温度、轴输出功率、耗油率等.与模型计算结果相比,被试发动机压气机增压比稳态测量值最大偏低2.3%左右,反映了被试发动机与基准发动机之间的性能差异,验证了涡轴发动机地面台架试车性能在线监测技术的有效性.      

涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.     

WZ-5发动机改装高温涡轮的试验研究及分析

WZ- 5发动机改装 WJ5A- 1发动机的高温涡轮,在工程上单台发动机总寿命已安全运行达 10 0 0 0 h,现已证明 :结构设计及改进是成功的;WJ5A- 1发动机的前二级燃气涡轮与压气机基本上是匹配的;燃气涡轮第一级导向器与动力涡轮导向器面积调整是合理的;在相对换算转速为0.95时,其喘振裕度与 WZ- 5发动机基本上一样;动力涡轮导向器面积总共放大了 5.32 %,对燃气涡轮特性没有带来很大影响。      

Redesign of an 11 cm-diameter Micro Diffuser

In order to improve the performances of an 11 cm-diameter turbine engine, this article suggests to substitute a new-style micro diffuser redesigned based on a new concept for the traditional diffuser having poor performances. The new diffuser comprises integral blades and splitters, which are taken for a series of ducts in designing. This article investigates the effects of the cross-section area distribution along the flow path on the redesigned diffuser's performances. Having furnished with the new diffuser in place of the original vaned one, the 11 cm-diameter prototype engine is tested on the rig for its performances. CFD and experiments have shown that the improved diffuser with the unchanged original size has gained excellent performance parameters of pressure coefficient over 0.65 and total pressure recovery coefficient over 0.9. Equipped with the redesigned micro diffuser, the engine increases the thrust by 11% and decreases the specific fuel consumption by 9%.     

布雷顿-空气底部复合循环和外涵回热式燃气-空气轮机

介绍了俄罗斯新发展的一种外涵回热式燃机FTY-18ⅡC，这种燃机的外涵增压空气经与内涵燃机的排气换热后驱动热空气涡轮。该涡轮与内涵燃气动力涡轮共轴输出功率18MW，轴端热效率44％。对FTY-18ⅡC的布雷顿-空气底部复合循环方式与常规回热循环及LM2500的布雷顿-空气底部联合循环和WR21的间冷回热循环做了比较。估算了将斯贝MK202涡扇发动机改装成这种外涵回热燃机的最大功率为17．9MW，热效率为39．1％。     

涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡技术研究

针对动力涡轮转子空心、薄壁、大长径比、带弹性支承和挤压油膜阻尼器、内置测扭基准轴的结构特点,提出了一种改进的"多转速、多平面、分步平衡"的方法,设计了一组精密平衡卡箍,建立了一套涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡的平衡步骤和平衡工艺,给出了动力涡轮转子的平衡判定准则,在全转速范围内进行了动力涡轮转子的高速动平衡,最高平衡转速大于20,000r/min。所建立的平衡方法和工艺已应用于某型涡轴发动机动力涡轮转子的高速动平衡,效果良好。      

涡扇发动机加减速控制规律设计的功率提取法

为了简单、快速和准确地设计双轴涡扇发动机加、减速控制规律,提出了一种加、减速控制规律设计的新方法——功率提取法:在发动机稳态特性计算模型的基础上,分别从高、低压转子提取额外功率,使得高压压气机工作点(线)沿等换算转速线移动,并保证低压转子转速满足预定的要求,在同时考虑风扇和压气机喘振裕度限制、涡轮进口总温限制以及燃烧室熄火边界的条件下,利用适当的描述形式,可以快速而准确地获得最优双轴涡扇发动机加、减速控制规律.对某型涡扇发动机加速控制规律的改进设计结果表明,提出的加、减速控制规律的设计方法具有直观、快速、准确而有效的优点.      

涡轮轴断裂条件下的涡扇发动机性能建模

为了研究双轴混合排气涡扇发动机高压轴断裂失效后的动态性能，建立了轴断裂条件下涡扇发动机过渡态的共同工作方程，以及各部件考虑容积效应和气体惯性力的模型部件。在此基础上，分析了地面起飞状态和巡航状态下涡扇发动机高压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理。研究表明:涡扇发动机高压轴断裂会在不超过05s的时间内导致压气机喘振、涡轮前温度超温、涡轮转速超转等继发性危害事件。在不同飞行状态下出现的轴断裂，上述事件发生的先后次序各不相同。尤其在地面起飞状态下，涡轮超转事件极可能先于压气机喘振现象而发生，012s内涡轮即可达到其破裂转速。这些都需要在航空发动机被动安全设计中给予足够的重视。      

大涵道比分排涡扇发动机涡轮轴断裂过渡态性能仿真

为了研究双轴大涵道比分排涡扇发动机轴断裂失效后的动态性能,找出涡轮轴断裂后最先发生的危害事件,建立能够模拟气流参数毫秒时间量级动态响应的大涵道比分排涡扇发动机共同工作方程和性能模型.计算分析了地面起飞状态和巡航状态下某大涵道比民用涡扇发动机分别在高、低压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理,为主被动安全设计提供参...     

基于功率保持的辅助动力装置引气性能计算模型

以带负载压气机辅助动力装置(APU)为对象,分析了其结构特点与工作原理,针对目前工程上常用的APU引气性能计算模型的不足,建立了基于APU与空气涡轮匹配的总体性能数学模型和负载压气机变几何部件特性插值模型。在此基础上,研究了APU功率调节规律,获得了轴功率负载、APU涡轮前温度、排气温度与负载压气机进口导叶角度之间的匹配关系,进而实现了APU全包线内和全工况下的引气性能计算。利用GTCP131-9A试验数据对模型进行了验证,结果表明:引气流量计算误差小于3%,引气压力计算误差小于4%;功率保持下的APU涡轮前温度限制值仅与轴功率负载大小有关,与进气温度无关。研究结论对于带负载压气机APU总体性能计算和调节规律设计提供了参考。      

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

微型涡喷发动机控制算法研究

针对微型涡喷发动机的工作过程,在研究发动机控制规律的基础上,开发了微型涡喷发动机起动过程、加减速过程、稳态过程和停车过程的控制程序;结合微型涡喷发动机的数字电子控制器,采用动态预估自适应滞后补偿控制规律,完成了控制软件设计.发动机地面试车试验表明,该控制程序可满足发动机控制要求.     

涡轴发动机加速过程中的寿命延长优化控制

在涡轴发动机加速控制中,同时考虑发动机性能和寿命,优化加速控制策略,设计寿命延长控制.分析了加速过程中的气动稳定性、强度、燃烧稳定性以及功率等限制条件,采用序列二次规划法(SQP)优化算法进行加速控制中的燃油流量优化;根据燃气涡轮第1级静子冷却叶片温度最大值及其叶片型面与端壁的最大温差是影响发动机寿命的主要因素,采用两种寿命延长优化算法,一种是改变涡轮前温度的限制值,另一种是将涡轮前温度和动力涡轮转速同时作为优化目标,根据加权法进行折中.针对某涡轴发动机加载控制过程分别对两种寿命延长控制优化算法进行了仿真,结果表明两种方法均能有效降低涡轮前温度,并对动态性能影响较小,因此优化后的控制策略能有效延长发动机寿命.      

Research on the aerodynamics of intermediate turbine diffusers

Intermediate turbine diffusers represent the flow path between the high pressure and the low pressure turbine of a high-bypass ratio turbofan aero engine. Caused by the different rotational speeds of high and low pressure spool, these components have to diffuse and guide the flow safely to a larger diameter without disturbances or boundary layer separations. The large radial offset between in- and outlet of intermediate turbine diffusers leads to a pronounced S-shape. The trend for further increased bypass ratios will require more attention to this component since its shape influences the overall weight of engine and nacelle considerably. The complicated aerodynamics of these annular ducts has to be understood to realize short S-shaped diffuser designs. This article tries to review the flow evolution through intermediate turbine diffusers and discusses the influence of the different effects in a systematic way. Investigations by various researchers are presented and test turbine rigs for experiments under engine realistic duct inlet conditions are described. Special focus is laid on different measures for the designer to produce more aggressive diffuser layouts whilst keeping the losses low. The application of flow control, shape optimization and endwall contouring are promising actions to shorten the diffuser length and, furthermore, to gain an engine weight reduction. The paper ends with a discussion of new design concepts for turbine ducts as well as for future engine architectures. It can be concluded that intermediate turbine diffusers will become a key component for keeping the overall engine weight and fuel burn low.     

径流与斜流涡轮设计的通流反问题方法

自主发展了径流及斜流涡轮的准三维流线曲率法通流设计程序,应用该程序给出了一项500 N推力级微型涡喷发动机斜流涡轮的气动设计和叶片造型.通过计算流体力学检验和整体叶轮强度检验,该微型斜流涡轮超过了预定的设计指标.为实现径流涡轮和斜流涡轮设计反问题的统一,流线曲率法的S_2,m流面准径向平衡方程是沿流线方向m和流线的准法线方向口写出,该系统也可用于轴流涡轮的设计.采用了在所有计算站上的"全可控涡法"进行气动设计.      

某型涡轴发动机喘振攻关与验证

针对某型涡轴发动机夏季试车时常发生加速喘振故障的问题,使用故障树初步分析引起喘振的主要原因,并通过径向扩压器叶片进行流场仿真、串装、多台发动机对比计量、试车试验等,对喘振原因进行深入分析。研究表明径向扩压器进口叶根倒角变大对发动机加速性能有一定程度的改善作用,大气条件对发动机加速性有一定影响,径扩面积越大、叶根圆角与进气边转接越顺滑,越有利于加速性能。     

涡轴发动机整机吞砂试验及性能退化评估

为系统掌握砂尘侵蚀对涡轴发动机整机和零部件的影响,分析了国内外整机吞砂试验条款的差异及适用性,开展了某涡轴发动机整机吞砂试验研究。依据气动热力过程约束方程和发动机整机匹配约束条件,建立了涡轴发动机试验数据快速评估模型,完成了整机及各部件性能退化评估,并利用公开文献数据进行了对比分析。结果表明：功率和耗油率随吞砂时间呈二次函数规律退化,吞砂10 h功率损失10.2%,耗油率升高3.2%;吞砂造成压气机一级叶片弦长变短0.7%～3.4%、厚度减薄1.0%～3.0%,压气机流量下降4.1%、效率下降3.1%、增压比下降4.5%;燃气涡轮冷却气膜孔存在轻微堵塞和表面烧蚀,冷气量减少1.5%,效率下降0.5%;而动力涡轮效率因叶片表面光洁度提高有小幅提升。     

一种涡轴发动机系统应急状态快速响应控制方法

针对直升机应急状态下特殊快速响应需求,基于涡轮放气原理,提出了一种新的应急状态快速响应控制方法.在应急状态下,除了燃油控制外,同时将涡轮放气量作为发动机控制变量,采用多变量鲁棒方法设计了应急状态直升机/涡轴发动机三变量快速响应控制器,该综合控制方法不仅实现了直升机垂飞通道的控制,而且在保持输出功率通道稳定,即自由涡轮转速恒定的前提下,借助于涡轮放气实现了燃气涡轮转速的闭环控制,有效实现了发动机功率快速跟随能力.最后,以直升机UH-60/涡轴发动机T700综合模型为对象,仿真验证了在直升机应急状态急升-急降过程中,直升机垂飞速度、发动机自由涡轮转速以及燃气涡轮转速跟踪指令的情况,结果表明:相比传统的PID(proportional integration differential)控制,基于快速响应控制方法建立的闭环系统响应迅速,动静态品质良好,能够达到直升机应急状态的特殊设计要求.      

某型涡轴发动机性能衰减与部件退化评估

为在某型涡轴发动机持久试验中进行性能健康检查,采用多点匹配方法建立了个体发动机性能衰减计算模型,基于非线性气路分析方法对部件性能退化进行了计算,集合已有经验确定性能偏离部件,完成了某型发动机持久试验中不同阶段的性能衰减评估.结果表明,某型发动机性能衰减及部件性能退化成阶段性分布,前期压气机和燃气涡轮性能变化最快,随后处于相对稳定阶段,动力涡轮性能在目前试验时数范围内基本无变化.该方法的验证为涡轴发动机使用过程中的性能健康与评估提供了有益的经验.