涡轮叶片累积损伤指数模型及服役可靠性评估

高压涡轮(HPT)叶片是民用航空发动机的关键结构件之一，直接关系到发动机的性能、可靠性与使用寿命。提出了一种HPT叶片服役可靠性评估方法，基于服役条件下的历史工况参数，结合发动机性能模型、叶片关键点应力、温度计算模型、蠕变损伤评估模型对叶片蠕变损伤进行计算，之后考虑服役条件下的多模态数据，针对蠕变失效建立了累积损伤指数模型，融合历史协变量信息对叶片进行服役可靠性评估。仿真结果表明：采用文中定义的蠕变累积损伤指数，可充分利用发动机服役条件下的历史使用信息、状态参数及截尾失效数据，实现特定使用条件下的涡轮叶片服役可靠性评估及剩余寿命预测。相较于传统的可靠性分析方法，累积损伤指数预测模型能够基于单机服役条件提供更加可靠的评估结果，可为航空发动机运行风险评估与视情维修决策提供更好的支持。     

双重失效模式下民用航空发动机高压涡轮叶片报废特性与可靠性分析

基于某型民用航空发动机下发后观测涡轮叶片报废状态的双重失效模式,计算了高压涡轮(HPT)叶片由自新使用循环数(CSN)引起的报废率.并结合疲劳损伤累积理论,探究了叶片报废率与失效分布函数之间的关系,得到了涡轮叶片失效分布与寿命期望的计算方法.基于大量涡轮叶片的观测数据,拟合出涡轮叶片按CSN计的失效分布,研究发现:某型...     

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.      

基于安全寿命法的高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验

基于英军标Defence Standard 00971对盘类零件的安全性要求,采用安全寿命法对某型发动机高压涡轮盘的低循环疲劳寿命试验进行了研究.通过有限元法对发动机工作条件下的高压涡轮盘进行了应力分析,考虑了温度场对应力分布的影响,按照Defence Standard 00971的要求确定了高压涡轮盘的关键部位及其标准循环,制定了高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验方案,给出了基于试验结果确定高压涡轮盘安全寿命的方法.分析表明:中心孔和螺栓孔的应力系数分别为1.0和1.017,均在合理范围内;提高高压涡轮盘转速同时截短涡轮叶片的试验方法能有效模拟热应力对寿命的影响,对高压涡轮盘低循环疲劳寿命试验具有重要指导意义.      

某涡扇发动机智能应急控制系统

以某型涡扇发动机为例,介绍应急航空发动机控制,并根据不同的紧急事件,给出两种应急控制模式:增推力控制和快速反应控制.仿真结果显示:释放限制后,增推力控制可以为发动机额外提供16.6%的推力,但同时涡轮前温度上升10.8%;而在标准循环下,快速反应控制将低压转子上升时间从原来的2s缩短至1.675s,响应速度明显加快,与此同时,压气机稳定裕度下降6.05%,高压涡轮导向叶片热机械寿命下降5.16%.      

高转速小尺寸涡轮叶片动应力测量方法与应用

根据小推力发动机涡轮叶片动应力测量试验要求,提出了一种基于引电器的高温环境旋转件动应力测量系统方案,以实现高温度条件下高转速、小尺寸涡轮叶片的动应力测量。详细阐述了测量系统组成及关键技术,并利用该系统完成了高压涡轮叶片的动应力测量,试验过程中,测试系统工作稳定,信号频率跟随性良好。试验结果表明,该型发动机转速在34920r/min时叶片振动应力达到112.7MPa,会带来涡轮叶片的高循环疲劳损伤。     

CFM56-7B发动机高压涡轮叶片疲劳寿命预测

基于CFM56-7B发动机运行产生的QAR数据,通过建立模型、确立边界条件、有限元软件仿真,在最大起飞功率状态下完成了高压涡轮叶片温度场以及应力、应变场的计算。考虑到实际叶片在多轴非比例循环载荷下工作,选用SWT模型作为疲劳寿命的预测模型,得到叶片的疲劳寿命。结果表明,仿真计算得到的叶片疲劳寿命为14778个循环,与实际叶片的平均寿命的误差率仅为5.09%,此方法可用于监控涡轮叶片的剩余寿命、维修计划的制定。     

基于典型飞行任务的CCA技术优势分析

基于典型飞行任务,在F-119发动机方案的循环参数基础上,对采用冷却冷却空气（CCA）技术的航空发动机性能开展研究,分析CCA技术对发动机总体性能及涡轮叶片温度的影响规律,评估采用CCA技术的涡扇发动机对其所装配飞机的飞行性能的影响。结果表明：针对仅预冷高压涡轮动叶冷却气方案,当保持冷却空气流量不变时,采用CCA技术可将涡轮冷气温度降低16.98%~41.21%,使得高压涡轮动叶表面最高温度降低8.89%~16.80%;当保持叶片表面最高温度不变时,采用CCA技术可减少高压涡轮动叶48.61%的冷却用气,且发动机的推力和耗油率等总体性能基本不变;针对同时预冷高压涡轮导叶和动叶冷却气方案,通过调整循环参数,在保持冷却空气流量和叶片温度不变的前提下,可使涡轮前最高温度提高6.91%,从而提高典型飞行状态下的航发推进性能,进而有效提升所配装飞机的起飞载质量、最大爬升率、最大马赫数、使用升限及航程等飞行性能。     

某型发动机涡轮转子温度和应力测试研究

为确保某型发动机的安全使用,通过对该发动机涡轮转子的温度和动应力进行实测,据此对涡轮转子叶片和盘进行强度和寿命计算。对涡轮转子的叶片和盘进行强度初步计算,确定应力最大点,在发动机实际工作状态下,得到测试部位的实际温度和动应力;利用测试结果,计算确定涡轮转子叶片和盘的疲劳寿命。该研究首次得到了涡轮转子叶片和盘的温度和动应力数据。计算结果表明:涡轮转子叶片的寿命不低于2000 h,涡轮盘的寿命不低于5000 h。     

典型使用条件对发动机涡轮叶片蠕变寿命消耗的影响研究

为开展发动机涡轮叶片使用寿命监视及掌握典型使用条件对高压涡轮叶片蠕变寿命消耗的影响规律,利用发动机性能仿真程序与使用载荷多场耦合分析方法建立了涡轮叶片寿命消耗综合分析模型,并通过引入寿命消耗因子,定量给出了飞行高度、环境温度、飞行马赫数、高压转子转速等使用条件对涡轮叶片温度与应力以及蠕变寿命消耗的影响规律。结果表明,各使用因素均对涡轮叶片的蠕变寿命消耗具有较大影响,其中以高压转子转速的影响最大,转速升高1%其对数寿命消耗因子升高约0.4。     

航空发动机多状态寿命控制策略与仿真研究

航空发动机寿命控制是航空装备维修保障工作的重要内容，针对当前航空发动机状态寿命多、使用控制策略单一、状态寿命消耗浪费严重等问题，利用多目标决策模型，分别考虑多种状态寿命消耗约束，提出基于航空发动机多状态寿命的控制策略；在利用Simio 3D 构建发动机使用流程仿真模型的基础上，将所提寿命控制策略进行注入，验证所提策略的合理性和可行性。研究结果能够为航空装备使用单位和维修人员制定发动机寿命控制策略提供技术支持和方法参考。     

竞争风险模型下变环境的发动机叶片可靠性分析

针对航空发动机转子叶片的恶劣工况导致其存在多种故障模式,各种故障的失效与使用环境紧密关联,给航空发动机转子叶片的可靠性分析或风险控制带来了难度这一问题,从转子叶片的磨损和裂纹两种主要故障模式特点出发,研究了变环境下的转子叶片磨损故障模型和疲劳裂纹故障模型,提出了一种基于竞争风险模型的转子叶片可靠性分析方法,并给出了求解算法；以某高压涡轮转子叶片为例进行了分析研究.结果表明:在可靠性分析中采用单个故障模型比竞争风险模型风险更大；且在竞争风险模型下,如果不考虑推力环境的影响,以不可靠度要求0.1为例,相应风险增加了33%,验证了所提方法的实用性.      

中等推力航空发动机喷口控制方法对比研究

为提高中等推力航空发动机工作性能,对其喷口控制方法进行对比分析,并通过台架试验对喷口等落压比和喷口转差控制方法进行试验验证。结果表明:相比于等落压比控制方法,转差控制方法更利于精确调整发动机在节流状态下的性能,且可降低发动机耗油率,更适合作为中等推力发动机的喷口控制计划;对全包线的各典型点进行验证,转差控制方法仍能满足发动机的控制性能要求,且实施方便、效果好。     

小涵道比涡扇发动机动态特性数值计算

研究了涡扇发动机动态数学模型以及数值模拟方法,对于进口条件变化、发动机加速、发动机减速、发动机加力等情况下动态工作过程,改进的发动机动态性能数值模拟程序具备了数值仿真的能力,并对小涵道比涡扇发动机动态特性进行了数值计算分析,结果表明:对于飞行条件快速变化的情况,当发动机推力增大到一定程度后,会有逐渐减小的趋势,而缓慢变化时,就没有这种振荡现象;对于燃油质量流量增大、减小情况,变化的快慢对应耗油率的峰值是不同的;同样,随着加力温升的变化速度不同,发动机推力和耗油率达到的峰值也不同.      

航空发动机加力燃油流量寻优控制方法

为了实现带加力航空涡扇发动机最大推力寻优,作为途径之一,提出了一种新的加力燃油流量寻优控制方法。在常规开环的加力燃油流量控制计划的基础上,叠加一个闭环的寻优修正,以余气系数、加力燃烧室出口温度、喷口面积等参数为约束条件,并给出了不可测约束参数的解析计算方法以及解析余度校验方法。以某航空发动机动态模型为例进行了寻优控制方法的仿真验证,结果表明,采用新的加力燃油寻优控制方法,在包线范围内平均可以将发动机最大推力提高6%左右,并具备较好的寻优控制安全性。     

航空发动机推力衰退缓解的神经网络控制

针对航空发动机气路部件性能退化导致的推力下降问题,提出一种基于变增量线性规划(LP)优化 神经网络控制方法用于航空发动机推力衰退缓解控制。该方法通过内环控制转速和发动机压比,外环修正发动机指令信号以缓解发动机推力衰退。其中内环非线性自回归滑动平均(NARMA-L2)转速控制器由神经网络训练得到;外环指令修正回路利用变增量LP优化方法调整发动机指令信号。以某型小涵道比涡扇发动机为对象进行仿真验证,结果表明,在4组仿真条件下,设计的控制方法在保证性能退化的发动机不超限的条件下使推力衰退至少缓解了46.5%,验证了该方法的有效性。     

CFM56系列发动机高压涡轮面向维修的设计改进分析

分析了主动间隙控制活门漏油、高压涡轮叶片榫头裂纹、高压涡轮叶片腐蚀和高压涡轮冷却部件堵塞等四个典型故障的解决方法,总结出高压涡轮主动间隙控制系统、高压涡轮叶片、高压涡轮导向器及高压涡轮罩环的设计改进措施,为我国设计出维修性好和性能高的大涵道比涡扇发动机的高压涡轮提供了参考。     

考虑发动机性能退化的涡轮叶尖间隙预估方法研究

针对有主动间隙控制的某型高压涡轮,建立了考虑发动机退化的叶尖间隙预估模型,重点研究了发动机在长期使用、性能退化过程中涡轮前燃气温度和蠕变变形对叶尖间隙的影响。研究中,首先分析了间隙预测中发动机性能退化影响的引入方式,建立了对应的间隙预估流程。随后以某型发动机典型工作历程为对象,对比研究了传统间隙控制方案、考虑发动机性能退化影响两种条件下的涡轮叶尖间隙尺度变化规律,并据此开展了间隙控制策略的优化调整。研究中发现,由于发动机性能的退化,导致涡轮前燃气温度升高,使得机匣、轮盘和叶片的热变形量增大,其中在最大巡航阶段对机匣的影响最大,其伸长量达到了6.914mm,与未退化前相比增大了17%,同时由于发动机的长期使用,叶片和轮盘受蠕变变形影响,导致叶尖间隙的变化。研究结果表明,采用优化后的主动间隙控制方案,各个工况下的叶尖间隙值均控制在合理范围内,尤其在高温起飞阶段,与退化状态下的间隙值相比提高了53%,有效避免了叶片严重碰摩等故障发生。     

高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析

采用一维定常计算方法,考虑各种部件效率的影响,在双燃烧室发动机总增压比为32,涡轮前总温为1900K时,与高温升燃烧室涡轮前总温为2400K时进行了总体性能对比,并指出了双燃烧室结构发动机2个燃烧室的热量分配方法.结果表明:温升同为1463K时,高温升燃烧室发动机比双燃烧室发动机单位推力高2.7%,耗油率低3.8%.双燃烧室结构发动机更有利克服超声速下的冲压损失, Ma大于1.5之后,增力比大于高温升燃烧室发动机.      

Reduced-dimensional MPC controller for direct thrust control

With the development of the aircraft gas turbine engine, a control system should be able to achieve effective thrust control to gain better operability. The main contribution of this paper is to develop a novel direct thrust control approach based on an improved model predictive control method through a strategy that reduces the dimension of control sequence. It can not only achieve normal direct thrust control tasks but also maximize the thrust level within the safe operation boundaries. Only t...