航空发动机喷嘴结焦积碳的性质

针对航空燃料燃烧时会在航空发动机喷嘴处产生大量结焦积碳,影响航空飞行器的飞行安全和使用寿命这一问题,研究了某型航空发动机喷嘴零部件上结焦积碳的生成情况.采用扫描电镜(SEM,Scanning Electron Microscope)、透射电镜(TEM,Transmission Electron Microscopy)、能谱仪(EDS,Energy Disperse Spectroscopy)以及X射线衍射技术(XRD,X-ray Diffraction)对结焦积碳的微观形态和性质进行了分析.结果表明:喷嘴零部件上生成的结焦积碳主要有两种形态:一种是丝状焦,另一种是颗粒状焦.其中,丝状焦只出现在零部件表面较光滑的位置,包括短纤维丝状焦和不定形丝状焦,是由金属催化作用所形成的;其形成与喷嘴零部件的结构、材质及表面粗糙度有关.颗粒状焦则主要集中在活塞表面,包括颗粒团聚状焦和颗粒分散状焦,是由催化作用与燃料热裂解共同作用所形成的.      

表面钝化对超临界航空煤油静态结焦特性影响

通过静态装置,研究了不锈钢经表面磷化、酸洗钝化以及电解钝化后对超临界压力下航空煤油RP-3热氧化结焦的抑制效果,并对表面钝化层的耐久性做出评估.研究发现,不锈钢的钝化膜层有效地降低不锈钢表面催化活性,按结焦抑制效果排序为:电解钝化>酸洗钝化>磷化;化学稳定性好、耐蚀性强的钝化膜层会延长材料的使用寿命,按钝化膜耐蚀性排序为:电解钝化>酸洗钝化>磷化;综合结焦抑制效果及化学稳定性两个因素考虑,电解钝化为最佳表面钝化方案,但其在高温高腐蚀的煤油环境下长时间实验时易失去钝化效用.     

煤基费托航空燃料燃烧性能及航程

航空替代燃料肩负着能源安全以及环境保护的双重使命。对煤基费托航空燃料的基础燃烧性能及航程进行了实验和理论研究。针对民航客机典型飞行任务,选取装有2台CFM56-7B发动机的B737-800型客机进行全包线飞行的航程评价。研究结果表明,煤基费托航空燃料比石油基航空煤油密度低,但热值高。评价结果表明使用煤基费托燃料的客机航程比使用石油基航空煤油的客机缩短2.1%。同时,虽然煤基费托航空燃料的燃烧边界较石油基航煤略窄,但更易点火且不易积碳。取得的结果对煤基费托航空替代燃料的实际应用具有一定的指导意义。      

新概念旋转冲压发动机的研究与分析

为解决燃气涡轮发动机性能和成本受结构材料制约和冲压发动机不能独立使用和在地面应用的问题,在对燃气轮机、冲压发动机和内燃机3类发动机的结构进行分析和融合创新的基础上,提出了一种基于冲压压缩技术的新概念旋转冲压发动机的研究构想.该发动机主体结构为一内置有旋流燃烧室的高速旋转无叶无塞内燃转子,能融压气、燃烧和排气做功于一体.对其工作原理、结构方案和性能进行的初步研究分析表明,该发动机结构简单紧凑,体积小,成本低,效率高,功率大,可广泛用于航空与地面的各种动力.      

大流量气-气喷嘴响应面法优化设计

为研究以气氢和气氧为推进剂的同轴双剪切喷嘴设计参数对推进剂燃烧位置的影响,利用正交表指导喷嘴设计,并对燃烧室流场进行数值模拟.结果表明:在单喷嘴流量相当于航天飞机主动发动机单喷嘴流量8倍的工况下,同轴双剪切喷嘴能实现高的燃烧效率;极差和方差分析显示氢/氧的速度比是对推进剂的燃烧位置影响最大的设计参数,而中心氢流量比例和氧喷嘴的壁厚对燃烧位置的影响不显著.通过构造基于正交多项式的响应面,获得同轴双剪切气-气喷嘴的优化组合参数.     

富氢/富氧燃气同轴直流喷嘴燃烧过程数值模拟

为研究全流量补燃FFSC(Full Flow Staged Combustion)循环发动机气-气喷注器性能,以气氢/气氧(GH2/GO2)预燃室提供的758K富氢燃气和676K富氧燃气为推进剂对同轴直流喷嘴燃烧流场进行了数值模拟.考察了相同燃烧室结构、流量、入口燃气温度条件下,富氧燃气压降、富氢燃气和富氧燃气的速度比、氧喷嘴厚度和氧喷嘴缩进变化对燃烧性能的影响,获得了4个参数的影响规律.数值模拟结果对燃气气-气喷注器结构设计有参考价值.     

同轴撞击气-气喷嘴数值模拟和实验

为进一步深入研究喷嘴结构参数对气-气掺混燃烧特性的影响,针对氢向氧斜喷带撞击角度的气-气喷嘴开展了实验和数值模拟.实验研究了撞击角度对燃烧效率和燃烧室壁面温度的影响,数值仿真分析了撞击角度对喷注面板和氧喷嘴管壁温的影响.结果表明:随着氢向氧撞击角度的增大,推进剂燃烧效率、燃烧室壁面和氧喷嘴出口管壁面热载降低;氢向氧撞击角度的引入,增大了喷注面板热载.      

几种航空铝材动态力学性能实验

利用分离式Hopkinson压杆实验设备测定了4种航空铝合金材料的动态力学性能,根据材料的应力应变曲线特性,选择Cowper-Symonds模型来拟合4种材料的动态本构.在此基础上从实验结果中分析和比较了这4种铝合金在动态冲击下的破坏形式和动态力学特性.实验结果表明LF6R和LF21M具有良好的塑性,而LY12CZ和LC4CS具有一定的脆性;随着4种材料屈服应力的提高,材料切线模量也增加,二者呈线性关系;实验的4种航空铝材中LC4CS应变率敏感程度最小,LF6R敏感程度最大,LF21M,LY12CZ和LC4CS的应变率因子曲线形状相同.      

气气喷嘴推进剂入口温度对燃烧和壁温的影响

以同轴双剪切气气单喷嘴为对象,对气气燃烧流场进行了数值模拟,并进行了研究,分析了喷嘴推进剂入口温度对燃烧性能和室壁温的影响,结果表明:推进剂温度变化引起的燃氧动量比变化对燃烧和壁温起主要影响;富氢燃气状态变化对燃烧和壁温的影响大于富氧燃气状态变化.试验验证了数值模拟结果.      

一级旋流偏置对双旋流杯下游流场的影响

双旋流杯具有良好的综合燃烧性能,在航空发动机燃烧室中已获得广泛应用。但其在装配过程中不可避免地会出现细微的安装误差,为了研究这些细微误差是否会对燃烧性能产生影响,需要更细致地研究双旋流杯局部结构和气动特征对下游流场的影响作用。因此,本文在常温常压条件下采用粒子图像测速(PIV)技术测试了双旋流杯下游冷态流场,探究一级旋流偏置对反向双旋流杯下游流场的影响规律。结果表明,随着一级旋流偏置距离的增加,在无量纲偏置量下游流场无变化,而当继续增加一级旋流的偏置距离时,下游流场会出现明显的偏移,这对旋流器的安装调试提供了参考。      

活塞式航空发动机的优化与标定

联合发动机循环模拟与标定技术建立小型活塞航空发动机动力性和经济性的多目标优化模型。对校验后的BOOST模型进行DOE(Design of Experiment)正交试验,对试验数据进行统计数学建模,并对局部模型误差进行控制,进行响应面模型分析,通过MBC(Model-Based Calibration)工具箱进行优化标定,选用经济适用的NBI(Normal Boundary Inter-section)进行多目标优化.给出了优化的点火提前角、喷油量的MAP图,优化参数对扭矩和燃油消耗等目标的响应面模型,对提升小型航空发动机性能有重要的参考价值.     

航空发动机转子结构布局优化设计方法

结构是航空发动机功能、性能及可靠性设计水平的综合体现,一切技术要求、性能指标、强度指标或者结构的安全性和可靠性都应建立在合理的结构布局设计上。提出了航空发动机转子结构布局并对其进行优化设计的观点,同时以典型高推重比涡扇发动机高压转子的结构构型为例,基于试验设计（DOE）的响应面法,应用有限元计算并通过多目标遗传优化算法,分别从抗变形能力、力学环境适应能力以及转子结构效率综合进行相关优化计算,论证了合理的结构布局形式可以大幅度提升转子的力学特性。研究方法对于航空发动机转子系统的初始结构布局设计具有指导意义,可以显著减少结构设计的迭代次数,缩短设计周期。      

基于危害度航空发动机可靠性评估模型及应用

针对航空发动机可靠性指标评估的需要,提出了基于危害度故障统计分析模型.该模型考虑各故障样本对发动机危害性的影响,将出现的故障按照对发动机安全、性能、任务及维修等指标的影响进行等级分类,从故障的失效机理出发建立相应的分布模型,采用分布计算和二次分布等算法进行整体可靠性指标评估.应用该模型对英产和国产的2种同类型航空发动机进行了故障统计分析,计算了2种发动机的可靠性指标,并进行了对比分析.最后以累积工作时间和日历工作时间进行了故障的时间变化分析,提出了故障样本的时效性.      

基于ADMM算法的航空发动机模型预测控制

为了提升航空发动机非线性模型预测控制（MPC）的实时性,将交替方向乘子法（ADMM）应用于模型预测控制的滚动优化中。基于状态空间模型构造预测方程,通过引入辅助变量和对偶变量,将二次型性能指标和发动机约束改写为适合ADMM算法求解的形式。在航空发动机部件级模型上开展的仿真结果表明,基于ADMM算法的单变量模型预测能够实现对指令信号的高性能跟踪和约束的有效管理。相比于内点法（IPM）,ADMM算法在滚动优化过程中,在不同控制指令下,均具有更高的实时性,且在预测时域增加的情况下,计算耗时增加更少,验证了其在模型预测控制中应用的有效性。      

用反圆环面刀加工变曲率过渡曲面原理

基于宽行加工理论和广域曲率吻合原则,提出一种利用圆环面内侧作为刀具工作面的反圆环面刀具宽行加工叶片进排气边的新方法.该方法通过优化刀具摆角使具有定母圆半径刀具工作面的包络面充分逼近叶片进排气边曲面,从而使刀具能在给定的精度范围内以最大行宽和最少刀轨行数加工出进排气边.最后,以某型号发动机叶片的进气边为例进行了加工实验.结果表明该方法能够大幅提高进排气边的加工质量,且反圆环面刀的加工行宽比球头刀提高了5倍.     

超燃冲压发动机燃烧室设计计算方法的研究

为寻找一种适当的计算超燃冲压发动机燃烧室性能的方法并评估现有模型的优劣,提出一维化学动力学模型,且通过几个算例验证了该模型的可靠性.为研究设计过程中的性能计算方法的适用性,针对一具体的燃烧室,采用目前通用的性能计算方法,即冲量分析法、一维化学动力学及二维化学动力学方法,计算得到燃烧室内各气动参数的分布曲线,并得到上述方法在超燃冲压发动机燃烧室设计过程中性能计算适用性的初步结论.计算结果表明:一维化学动力学方法与冲量分析法都能够考虑到摩擦、通道面积变化以及燃烧释热的影响因素,具有较好的适应性.对于冲量分析法,在考虑燃烧时,还需设定放热规律; 而一维化学动力学方法则可以利用化学反应模型,会自动计算释热规律,具有更大的独立性.和前两种模型相对比,二维化学动力学方法可以更细致地捕捉到流场中的一些细节,但此种模型需要较长的运算时间.对比这几个模型,各具有不同特点,在超燃冲压发动机的设计与性能计算过程中,需综合考虑上述区别,最充分地发挥各模型的优势.     

基于超统计的多阶段航空发动机剩余寿命预测

针对传统航空发动机剩余寿命（RUL）预测模型无法客观描述多阶段性能衰退过程及对于RUL预测精度不高的问题, 提出了一个新的多阶段航空发动机RUL预测模型, 包括超统计理论、突变点检测、无迹卡尔曼滤波（UKF）与非线性预测4部分内容。提出了基于超统计理论的多阶段分割滤波（BS-MSF）算法。首先, 该算法采用超统计理论进行突变点检测, 将航空发动机的健康数据划分为多个退化阶段；其次, 应用UKF对融合的时变参数进行滤波处理；最后, 通过非线性拟合对发动机RUL进行预测, 实验采用美国NASA发布的航空发动机数据进行数据分析和验证。结果表明:所提算法在发动机性能退化中的预测具有更好的适应性和更小的拟合误差, 能更准确地预测发动机的RUL, 预测精度比单阶段方法提高5.5%。