飞机进气道/ 发动机台架联合试验及匹配特性研究

为了确定发动机地面装机条件下的进气畸变大小,对1种全尺寸进气道与发动机地面台架开展进发联合试验研究。试验速度条件为飞机静止状态,对应飞机迎角为0°,马赫数为0。参试进气道为2元外压式超声速进气道,参试发动机为大推力双转子带加力涡轮风扇发动机。采用地面台架联合试车的方法,获得了不同进气道条件下的进发匹配特性数据,包括在发动机不同工作转速下进气道出口流场的稳态总压特性、动态畸变特性等参数,并与进气道缩比模型风洞试验结果进行了对比分析。结果表明:全尺寸进气道的出口畸变随发动机空气流量增加而增大,与风洞试验结果一致,但防护网对于畸变的影响效果相反。     

超声速进气道进发匹配安装性能快速计算方法

为了研究超声速进气道与发动机的匹配特性,改善推进系统的安装性能,结合准一维进气道流场计算方法和基于部件法的发动机总体性能仿真模型,发展了一种考虑进发匹配的超声速进气系统安装性能快速计算方法。该方法能够计算不同飞行条件和不同进气道工况下,超声速进气系统的性能和安装阻力。利用文献中的数据对本文的模型进行了校核,并以两斜一正外压式进气道为例,研究了亚声速飞行时的附加阻力和进气道的调节方法。与文献中数据对比表明,进气道总压恢复和流量系数误差小于1.4%,发动机安装推力计算结果误差小于9%。超声速进气道在亚声速巡航状态下由于发动机节流带来较大的附加阻力,而进气道调节可降低高马赫数下的溢流阻力并增加进气道的稳定裕度。     

某型航空发动机进气压力畸变试验研究

针对飞机在大攻角飞行时易引起进气道和发动机进口流场畸变的情况,对某型发动机的综合抗进气压力畸变能力进行了整机试验研究。试验采用插板式畸变模拟器研究发动机综合抗总压畸变能力,获得了各规定风扇换算转速下发动机临界畸变指数,完成了畸变条件下遭遇加速试验,发动机过渡态工作正常。结果表明:该试验方案可行、数据可靠、结果有效,该型发动机满足飞机/发动机相容性试验要求。     

基于振动抑制的发动机进气畸变耙研制

针对航空发动机进气流场压力畸变测试需求，基于耙臂的振动抑制，首次采用浮动内环连接结构，研制了一种发动机进气畸变测试耙。强度计算结果表明，所设计的进气畸变测试耙的动、静强度均有足够的储备裕度。测频试验和动应力测试试验结果表明，内环与耙臂连接结构对进气畸变测试耙整体振动抑制效果明显。进气畸变测试耙工程应用效果良好，可满足发动机进发匹配以及进气逼喘试验的需求。     

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。     

基金成果简讯

温度压力组合畸变试验和评定方法【项目编号】2003ZI24001【项目负责人】叶巍【依托单位】中国燃气涡轮研究院完成情况简介:本项目研究了温度压力不同方位对临界温升与压力畸变指数的相关性。建立了发动机稳定裕度损失与压力温度畸变的相关方程。摸清温度和压力组合畸变对发动机稳定性影响的机理和在发动机系统中的发展特征,可定量地评定进气畸变影响     

二元外压式超声速进气道起飞过程的进发匹配特性

超声速进气道在起飞过程中存在一段特性较差的区域,表现为在零速度附近时进气道出口的总压恢复系数较低,总压畸变指数较高,对发动机高效、稳定工作带来不利影响,是进发匹配研究关注的重点问题之一。本文对一种带有辅助进气门的二元外压式超声速进气道开展进发联合试验和进气道CFD数值仿真,研究起飞过程中进气道流场结构、总压恢复系数、总压畸变指数随发动机转速的变化情况,通过流动机理分析提出了拆除防护网来改善进发匹配效果的技术措施,通过全尺寸进气道与发动机联合试验验证了改进措施的效果。同时,针对试验条件与真实飞行环境存在差别的问题,进行了地面效应影响的数值计算,给出了影响量值,为台架进发联合试验结果推广到飞行条件提供了依据。     

基于飞行试验数据的进气道畸变预测与试验验证

采用响应曲面的试验设计方法,构建了基于试飞数据的进气道压力畸变预测模型,进行不同飞行工况进气道畸变模型预测与飞行试验验证研究。研究结果表明:模型预测与飞行试验结果相比,综合压力畸变指数平均相对误差为421%,稳态周向畸变指数平均相对误差为799%,结果吻合良好,能够满足对该型进气道畸变预测要求;大迎角、侧滑及其组合飞行时,进气道内部附面层气流分离是造成进气道出口畸变的主要因素;进气道出口低压区的位置与飞行姿态角相对应,并在周向上向压气机的旋转方向有小范围偏转,偏转角度与发动机状态相关;采用“模型预测+飞行试验”的模式能够完整、安全高效地考核评估飞机进气道的畸变特性,具有很好的工程适用性。     

测耙数量对进气道稳态畸变特性测量的影响

在现代战斗机进气道相关试验中,受低速辅助进气门打开和隐身大S弯管道、大迎角侧滑角飞行姿态等复杂因素影响,进气道流场畸变较大,不同测耙数量的测试结果相差较大。国内外对进气道出口流场稳态畸变的测量及计算有较多研究,但鲜有测耙数量对进气道稳态畸变测量影响的全面对比研究。本文采用测耙测量进气道大压力梯度区和低压区并计算其稳态畸变,针对进气道风洞试验、全尺寸进发联合台架试验和进发匹配试飞,对常用的6支耙和8支耙形式测量结果进行对比研究。结果表明,对于形状复杂的战斗机进气道而言,进气道出口流场的测试需要尽可能采用8支测耙的测量方式,才能取得满意的结果。特别是舰载战斗机在舰面环境下,受舰首来流及偏流板反射等因素影响,进气道流场更加复杂,且发动机工作在特殊加力状态,对进发匹配稳定性要求也更加苛刻,更有必要采用8支测耙的测量方式。     

两型超声速进气道平飞减速时的稳定性

通过飞行试验，研究了一种二元斜板式及蚌式超声速进气道在马赫数1.5快收发动机油门平飞减速至马赫数为1.05过程中的畸变及稳定性水平。对比表明：减速过程中二元进气道总压畸变、稳定性裕度均随发动机换算转速的下降减小后保持稳定，而蚌式进气道畸变先上升再下降后保持稳定，稳定性裕度先下降再略微上升后保持稳定。减速过程前半段，蚌式进气道畸变更大，二元进气道稳定性裕度下降更快；减速过程后半段，两型进气道畸变水平接近，稳定性裕度均较低。分析也表明，仅使用流量系数的相对差值计算的进气道稳定裕度反映的进气道流通能力信息比使用总压恢复系数与流量系数之比的相对差值更全面，推荐采用前者作为进气道稳定性裕度评价指标。     

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%。     

双轴涡喷发动机地面台架进气畸变试验

 介绍进气总压畸变对双轴涡喷发动机性能和稳定性影响的试验及其结果。试验在地面台架进行。发动机为低压和高压各三级、中等增压比加力式双轴涡喷发动机。 稳态周向压力畸变由90°扇形纱网造成。测定了不同堵塞比的纱网或叠合纱网产生的畸变幅度随发动机空气流量的关系曲线。 在有畸变和无畸变条件下,对装有两种不同展弦比的第一级超音级压气机叶片的发动机,分别测定喘振边界线和工作线,给出低压和高压压气机喘振裕度变化规律,对比试验结果进行了初步分析。 改变发动机喷口面积比由100～142％,在三种畸变和无畸变条件下进行了充分的稳、动态试验,发动机未出现不稳定工作情况。给出无畸变时工作线随喷口面积比变化曲线。 试验采用公司自行设计调试成功的燃油阶跃装置,逼喘双轴涡喷发动机42次。分别获得高压和低压压气机喘点84个以及进喘过程的示波曲线,简要分析了喘振过程参数变化特征。     

某型发动机喘振特征分析及消喘系统验证试验

分别采用吊舱进口安装扰流板和提高发动机慢车以上状态供油量进行某型发动机地面逼喘试验,研究了两种方法的特点,分析了喘振过程中发动机参数变化情况和喘振原因.结果表明,安装扰流板间歇缓推油门杆和提高供油量快推油门杆逼喘试验均能够有效反映干扰因子对发动机稳定性的影响:安装扰流板后的加速过程中,总压畸变和空气流量减少引起喘振,前者是主要因素,风扇先喘压气机后喘;提高供油量后的加速过程中,燃烧室油气比始终偏大,稳定工作裕度降低,高压燃气堆积并堵塞了空气流,压气机和风扇先后喘振.喘振过程中消喘系统可靠投入工作.获得了该型发动机的临界畸变指数.为该型发动机空中逼喘试验及稳定性评定奠定了基础.      

基于喘振裕度估计模型的发动机高稳定性控制

为解决超机动飞行中发动机喘振裕度不可测量的难题,提出一种发动机喘振裕度的建模方法.喘振裕度的模型分为常规飞行时的无畸变模型与超机动飞行时的损失量模型两部分.无畸变模型是基于喘振裕度特征选择算法筛选最优模型输入,以非线性拟合方法建模实现;损失量模型则基于在线攻角预测模型实时评估发动机进口畸变度,进而计算获得.而后利用上述估计模型对发动机的稳定性进行实时预测,在不改变发动机原控制回路的基础上,对涡轮落压比控制指令进行喘振损失补偿,实现高稳定性控制.最后,通过大攻角机动飞行的数字仿真,验证了上述方案可以准确控制发动机喘振裕度在11%~13%,保证了发动机工作的稳定性和高效性.      

涡扇发动机进口畸变条件下的优化控制规律

提出了一种满足涡扇发动机不同进口畸变要求的控制规律.在涡扇发动机低进口畸变条件下通过提高增压比来提高性能,在高进口畸变条件下降低增压比并辅助导叶角调节以提高发动机裕度.根据不同的进口畸变条件下的裕度要求,提出了带边界缓冲区的差分进化算法(DEBZ),在包线内优化获取发动机增压比及导叶角控制规律.结合模型、控制器和控制规律完成涡扇发动机全包线仿真.仿真结果表明:采用该控制规律在畸变指数为2的条件下,涡扇发动机推力性能能够提高8%以上,而在畸变指数为8的条件下,涡扇发动机的可用裕度可以满足稳定要求,同时推力性能能够提高1%以上.      

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。     

进口动态总压流场对燃机稳定性裕度影响

为了得到某燃机发生喘振的原因,在燃机进口进行了动态流场测试,对流场中存在的较大涡旋尺度、较大瞬间动态压力畸变以及与进口涡壳共振产生的转速基频脉动等动态流场特点进行了详细研究,获得了进口动态总压流场特点.试验数据和资料分析表明:进口动态流场的特点使发动机稳定裕度损失加大,从而造成发动机喘振.      

畸变条件下航空发动机喘振/失速适航符合性方法

为研究畸变条件下航空发动机对喘振/失速特性适航条款的符合性验证方法,将用于发动机稳定性评定的畸变试验方法应用于适航领域。以某型大涵道比涡扇发动机为研究对象,采用数值模拟方法研究了其在0°～30°迎角条件下的部件特性,并依据所得畸变图谱设计了不同结构的畸变发生器。结果表明:所设计的畸变发生器可以在一定程度上较好地模拟出不同迎角工况的畸变图谱、风扇的气动特性及流场特征,喘振裕度最大偏差4.32%。总结出发动机喘振裕度与不同迎角和畸变发生器之间的变化关系,用以确定适航条款要求的稳定工作范围。依据中国民用航空规章,发展了一种进气畸变条件下航空发动机喘振/失速特性符合性验证方法,并明确了其在型号合格审定过程的任务阶段。      

对进气道插板试验数据的一点探讨

以实际进气道 /发动机插板逼喘试验数据为依据 ,对发动机进口畸变流场的试验数据进行了分析 ,并对进一步改进动态数据采集的设计提出了一点看法 ,供探讨。