开式转子发动机对转桨扇性能建模研究

对转桨扇开式转子发动机性能计算的难点在于对转桨扇部件的性能计算。传统方法是将对转桨扇简化处理为涡轮螺桨进行计算,但精度较低。本文基于传统涡轮螺桨性能模拟方法,考虑前排桨扇出口气流对后排桨扇的影响,对前、后排桨扇进行独立建模,建立了开式转子发动机对转桨扇部件级性能计算模型,并使用美国NASA风洞试验数据进行验证。结果表明,对转桨扇性能模型计算精度较高,采用此模型可较准确地模拟不同设计参数和不同控制规律下的对转桨扇性能,并评估其对开式转子发动机总体性能的影响。     

开式转子发动机对转桨扇匹配特性研究

先进开式转子发动机均采用了高推进效率的对转桨扇。虽然对转桨扇不是发动机热力循环参数,但是其提供了绝大部分的推力,对开式转子发动机的性能优劣起着关键的制约作用。本文采用对转桨扇性能计算模型,考虑了输入总功率、前后排桨扇功率分配比例、前后排桨扇直径比例等几个关键因素,对对转桨扇的匹配特性进行了研究,为开式转子发动机核心机和对转桨扇的最优化匹配设计提供依据。     

开式转子发动机计算模型及调节研究

目前先进的开式转子发动机多采用变桨距、双排共轴对转桨作为推进部件。采用双排桨的气动计算方法,根据单排桨特性图计算对应的双排对转桨特性图,验证对转桨性能计算模型。在双轴涡轮喷气发动机计算模型的基础上,添加动力涡轮、行星差动齿轮和双排对转桨,组成开式转子发动机计算模型。采用该模型研究了开式转子发动机的调节计划,对比了等转速和等叶尖速度调节的不同,以及对开式转子发动机高度速度特性的影响,并使用美国PROOSIS模型对计算结果进行验证。结果表明：开式转子发动机模型计算精度较高,可较准确地研究不同设计参数和调节规律下发动机的总体性能,其中固定桨扇叶尖速度的调节计划在较低飞行速度下具有高推力、低油耗的优点,可以获得较好的全包线性能。     

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。     

开式转子发动机研究进展

开式转子发动机以高推进效率、低燃油消耗率和低污染物排放的"一高两低"优势,成为经济友好型航空发动机的典型代表,是下一代民用飞机潜在的动力备选方案之一。本文主要从开式转子发动机总体性能仿真技术、对转桨扇设计技术、传动附件设计技术、部件及整机试验技术等四个方面,分析开式转子发动机研发历史及相关技术研究进展。结合国内开式转子发动机研究现状,梳理出开式转子发动机的发展脉络,归纳出开展开式转子发动机研究所涉及的关键技术,并对未来的研究重点和发展路线进行展望,以期为开式转子发动机相关技术的后续研究提供技术支持。     

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。     

开式转子发动机齿轮传动系统设计技术研究

等速对转行星齿轮传动系统是对转风扇开式转子发动机的关键技术。与齿轮驱动单级风扇(GTF)发动机的行星齿轮传动系统相比较,该系统的结构更为复杂,工作条件更恶劣。本文以对转风扇开式转子发动机齿轮传动系统概念设计为基础,开展了行星齿轮传动系统初步设计、齿轮疲劳强度分析、行星轴承寿命分析和传动系统润滑设计技术研究,为开式转子发动机的发展提供参考。     

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。     

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.      

齿轮传动对转桨扇发动机总体性能建模

为了开展齿轮传动对转桨扇发动机总体性能计算,在双轴涡桨发动机性能模型基础上完善了减速器与对转桨扇性能计算模型,通过构建求解方程组完成了齿轮传动桨扇发动机总体性能建模。计算表明,本模型设计点性能计算结果与公开文献计算结果误差不高于0.1%。本模型可在控制规律设计中选择桨距角为被控参数,且桨距角的调节对对应桨性能及转速影响最大;选定燃气发生器某一参数作为被控参数,再从前后桨桨距角、转速及自由涡轮转速中选取两个被控参数,组合形成的10种三变量组合控制规律均能在本模型中完成计算。结果表明,本模型可支持开展桨扇发动机控制规律设计与性能计算,具有良好的适用性与收敛性。