基于任意传感器排布的叶尖定时信号压缩感知辨识方法

基于叶片振动和叶尖计时系统的特点,推导了任意传感器角度分布下叶片振动响应的分布规律,并基于叶尖定时信号频域的稀疏性,探究了压缩感知方法在叶尖定时信号的重构和倍频辨识上的应用。通过同步信号和非同步信号的大量数值实验,分析了包括信号重构误差、传感器数量、旋转周期数、频率分辨率和信噪比等因素对辨识效果的影响,提出了压缩感知重构叶尖定时信号的基本方法和步骤。进一步将压缩感知方法应用于某型号涡扇发动机钛合金宽弦风扇叶片有限元仿真获得的振动响应数据重构,验证了该方法的有效性。结果表明:在加入了叶尖测点位置误差和30 dB随机噪声的前提下,在80%、90%和100%三种转速工况下均清晰辨识出幅值较大的激励倍频。基于任意传感器角度分布的压缩感知方法对叶尖定时信号辨识效果较好。     

某涡扇发动机加速过程仿真研究

对航空发动机控制系统进行仿真是航空发动机可靠性工程的研究方向之一.本研究针对发动机在加速过程中必须保证发动机不会发生喘振、不出现超温的情况,对加速过程进行了分析.采用部件法建立了分开排气的涡轮风扇发动机加速过程的稳态模型和动态模型.利用Matlab语言及其函数库编写了基于Newton-Raphson的稳态算法,并进行了稳态仿真,得出了高压转速、低压转速、推力等性能参数与供油量之间的关系.研究了迭代法,利用Matlab (Simulink)实现了涡扇发动机的动态仿真,给出了不同加速供油情况下的性能变化情况.最后对3种不同加速时间下的喘振裕度进行了分析,得出了不同加速时间对喘振的影响.     

涡扇发动机传感器故障诊断的快速原型实时仿真

为快速高效地完成涡扇发动机传感器故障诊断算法的硬件在环仿真试验,构建了以NI CompactRIO为核心的传感器故障诊断系统的快速原型实时仿真平台.基于一簇卡尔曼滤波器,在LabVIEW编程环境中建立了传感器故障诊断系统.分别在涡扇发动机模型稳态和动态工作时完成了对单个传感器故障的检测、隔离和重构的硬件在环仿真试验并验证了算法精度.经过大量试验,结果表明:基于卡尔曼滤波器理论的诊断算法能在传感器故障情况下确保控制系统安全运行,诊断精度最高可达1.4%;同时表明,该快速原型实时仿真平台的设计是成功的.研究工作为发动机传感器故障诊断系统的半物理仿真试验奠定了基础.      

一种改进的航空发动机高空模拟试验推力测量方法

为满足航空发动机高空模拟试验中推力高精度、快速测量要求,提出一种改进的推力测量方法。建立高空模拟试验推力测量稳态模型和动态模型,对试验振动的影响进行了仿真分析和试验验证,提出了对测量动架振动进行在线补偿的动态推力测量方法。从测量不确定度评估入手,讨论了动态推力测量方法在不确定度方面的局限性,提出了基于数字滤波的稳态推力测量方法。根据两种方法的特点,采用优选算法,在发动机过渡态时输出动态推力测量结果,在发动机稳态时输出稳态推力滤波结果。在发动机高空台试验中的检验结果表明,该方法能实现推力的高精度、快速测量。     

并行鲁棒观测器对发动机减小转速信号的故障分离

通过对减小转速故障信号产生机理的研究 ,提出了一种基于多重模型假设下的并行鲁棒观测器残差输出的故障分离方法 ,建立了实际系统的正常工作状态和 4种故障工作模式 ,将该方法应用于某型航空涡扇发动机导致减小转速信号产生的传感器的故障检测与分离。数字仿真和误差分析结果显示 ,文中提出的方法可靠性高 ,故障定位准确 ,对发动机减小转速信号的故障分离行之有效。      

涡轮冲压组合发动机模态转换多变量控制研究

为解决串联式涡轮冲压组合发动机在涡轮模态与冲压模态转换过程中的推力及流量连续控制问题,在基于EKF的在线发动机实时模型基础上,提出了基于推力控制的串联式涡轮冲压组合发动机控制规律。通过发动机内推力、总空气流量、风扇空气流量、风扇喘振裕度等多参数的闭环控制,实现涡轮冲压组合发动机的稳定模态转换。仿真分析表明,模态转换过程中推力稳态控制误差不超过2.1%,流量稳态控制误差不超过3%,模态转换过程中推力瞬态波动不超过9%,空气流量瞬态波动不超过7.6%。     

基于HILBERT变换的航空发动机转速测量研究

精确测量的航空发动机转速信号是航空发动机控制系统及故障诊断的重要依据。首先介绍了目前常用的航空发动机转速信号的测量方法-直接测频法并对该方法误差进行了分析;其次根据航空发动机工作时的转速变化特性,详细描述了通过Hilbert变换求取瞬时频率来测量转速的方法,并对该方法的端点效应问题进行了处理;最后通过仿真发动机一个转速上升过程,计算得出瞬时频率(转速)及误差大小。结果表明,该方法对航空发动机转速测量可行。     

面向对象的通用航空发动机建模技术研究

针对目前发动机性能仿真中燃气热力性质计算方法适用范围和通用性差的问题,加入一种变成分的求解方法,并利用面向对象技术构建了通用的航空发动机性能仿真系统.建模中考虑了部件特性耦合、引气、冷却和功率提取等影响.同时在程序中加入了一些异常处理机制,以便于快速准确地进行调试,增强系统的可靠性.最后利用该仿真系统进行了某型双转子混排涡扇发动机的稳态特性计算,并与试验数据进行了比较.结果表明采用的变成分法进行发动机性能仿真的推力误差一般不超过3%,耗油率误差不超过2.5%,取得了良好的精度.尤其在高空小马赫数时变成分法的精度高于传统的拟合法.      

一种航空发动机的分段实时线性动态模型

针对喷口不可调涡扇发动机实时线性动态模型的建立问题,提出了一种基于粒子群优化算法小偏差状态空间模型的方法.选取高压转子换算转速为增益调度参数,根据发动机相似原理,建立了发动机全飞行包线分段实时线性模型.全飞行包线内所提出的分段实时线性模型与非线性模型仿真对比结果表明:涡扇发动机高压压气机出口总压、低压涡轮出口温度、高压转子转速和低压转子转速的最大相对误差不超过3.5%,仿真结果验证了该方法的有效性.      

航空发动机主燃油执行机构容错控制

为了在主燃油计量活门位移传感器出现故障时仍能实现航空发动机全包线范围内的转速自适应控制,根据航空发动机转速自适应控制原理提出了一种基于零极点配置原理的容错控制方法,根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算,并运用零极点配置原理将控制参数与转速自适应控制相融合,参数在全包线范围内随发动机状态变化进行自适应调整,通过半物理模拟试验对该容错控制方法进行了验证。结果表明：该容错控制方法能够在全包线范围内保证数字电子控制系统稳定工作,并具有较好的稳态和动态性能,发动机高压转子转速稳态波动量在±0.15%以内,超调量和下降量分别在0.63%和0.61%以下,而且容错控制方法实施方便、自适应性强,对提高航空发动机数字电子控制系统的工作可靠性具有重要作用。     

基于LMI极点配置的高空台飞行环境模拟系统PI增益调度控制研究

针对高空台飞行环境模拟系统的温度和压力在整个工作包线内的鲁棒性能控制问题，提出了一种基于LMI极点配置的PI增益调度控制设计方法。在考虑变比热容腔微分方程、管道热传导、调节阀流量特性、液压伺服动态、传感器增益对飞行环境模拟系统造成的建模不确定性的基础上，建立了完整、准确的飞行环境模拟系统非线性模型；对非线性模型进行了线性化，并根据线性模型推导了基于LMI极点配置的PI控制器设计算法；在飞行环境模拟系统的工作包线内选取了36个稳态点设计了基于LMI极点配置的PI增益调度控制器；设计了两种飞行环境模拟试验来验证设计的PI增益调度控制器的鲁棒性能。仿真结果表明，飞行环境模拟系统温度的稳态误差和动态误差均小于0.1%，压力的稳态误差小于0.5%，动态误差小于0.7%。     

航空发动机低压转子系统的动力学相似设计方法

提出了航空发动机转子系统动力学相似设计方法,以便采用模型替代实际结构对其动力学特性进行研究。基于转子系统的动力学等效原则,通过动力学优化方法建立全尺寸原型的相似等效模型。综合采用方程分析和量纲分析推导转子系统的动力学相似准则,并根据转子设计参数的相似关系建立相似等效模型的缩比模型。基于模型修正方法对三维设计模型的相似误差进行修正,得到预测精度较高的动力学相似模型。以双转子发动机低压转子试验模型的动力学相似设计为例,通过有限元仿真对动力学相似设计方法的有效性进行了验证。结果表明:在设计转速范围内,通过该方法得到的动力学相似模型能够有效预测全尺寸原型的临界转速和不平衡响应,前三阶临界转速的相似误差分别为3.09%、1.75%和0.31%,对应振型的相关性均大于0.93。该方法具有较高的实用价值,可为发动机整机动力学相似设计提供参考。     

基于Levenberg-Marquardt算法的航空发动机模型求解混合算法

为了降低航空发动机非线性模型求解的收敛性要求，将模型非线性方程组的求解问题转化为最小二乘问题，提出了基于Levenberg-Marquardt(L-M)算法的混合算法。为了使L-M算法跳出局部解，混合算法使用动力学方法修正局部解；为了提高计算效率，利用Broyden拟牛顿法加速L-M算法。以涡扇发动机为研究对象，应用混合算法、L-M算法、牛顿法和Broyden拟牛顿法进行稳态和瞬态仿真。结果表明：在稳态工况下，L-M算法和混合算法收敛范围更大，在随机初值条件下能达到90%以上的收敛率，远高于牛顿法和Broyden拟牛顿法不到20%的收敛率，且混合算法计算速度与Broyden拟牛顿法相当。在瞬态工况下，L-M算法和混合算法能够在牛顿法和Broyden拟牛顿法都不收敛的强瞬变工况收敛，且混合算法瞬态计算时间仅为Broyden拟牛顿法的1.13倍。仿真结果表明该算法在航空发动机模型求解上具有良好的适用性。     

航空发动机电子控制系统的小型化SIP技术

针对电子装备小型化的需求,开展了对航空发动机电子控制系统的系统级封装(SIP)技术研究.以一个航空发动机电子控制系统设计为例,采用芯片堆叠结构,将多个裸芯片管脚用键合线引至电路衬底上的连接点,辅以印制板电路,构成完整的电路系统.通过设计优化和信号完整性仿真分析来控制信号质量,试验验证了在保证电路板信号质量的情况下,采用SIP技术,面积缩小约80%,质量减少约70%.研究显示系统级封装技术是未来航空电子控制系统小型化、高可靠的发展方向之一.      

基于动态边界的跨声速压气机过渡态三维模拟方法

针对航空涡轮发动机部件的过渡态,提出了一种基于压气机部件三维模型的过渡态性能计算方法,采用动态边界条件,以转速和出口静压为过渡过程的控制参数,二阶向后欧拉法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,通过三维非定常模拟获得压气机的过渡态性能和内部非定常流场特征。以NASA跨声速压气机Rotor 67转子为模型,采用该方法模拟了压气机从60%设计转速加速至100%设计转速的过渡过程,获得了压气机过渡态性能及转子内部详细的激波结构与演变过程。对比通用特性结果,在整个过渡曲线上,总压比相对误差最大值小于6%,绝热效率相对误差最大值小于2%,验证了该方法的可靠性。结论表明:基于动态边界的三维非定常模拟方法能够准确模拟压气机的过渡态性能,并反映出过渡态的非定常流场详细信息。     

民用大涵道比涡扇发动机动态性能模拟研究

介绍了适航条例对民用发动机动态性能的要求,并以完成初步方案设计的某民用大涵道比涡扇发动机为例,开展了民用大涵道比涡扇发动机动态性能模拟研究.研究了不同供油规律、不同转子转动惯量和飞机引气及功率提取对发动机加减速性能的影响.讨论了动态过程压缩部件工作线的偏移情况以及影响发动机动态过程的主要热效应现象,并采用相关文献的结论...     

基于试飞数据的涡轴发动机性能建模技术

为了实现军用涡轴发动机在装机状态下的虚拟预测试飞，通过罚函数法求解超定非线性方程组的最小二乘解，并采用回归分析对部件特性耦合因子进行曲线拟合，优化基准稳态模型，构建了某型涡轴发动机稳态性能计算模型；在此基础上，应用发动机加减速试飞数据，综合考虑部件容腔效应、转动部件的转子动力学和高温部件的传热效应，开发了涡轴发动机部件级过渡态性能计算模型。采用该模型对包线范围内不同工况的发动机稳态和过渡态工作过程进行了仿真预测，结果表明：与真实装机试验结果相比，发动机各工作参数的稳态预测精度在4.2%以内，过渡态预测精度在9.2%以内，满足工程精度要求。该模型能够满足虚拟预测试飞的技术需求，对涡轴发动机的设计、试飞和使用具有重要作用。     

屏蔽式总温热电偶的稳态误差分析及改型设计

针对航空发动机排气温度高精度测试的需求,采用流热耦合的数值模拟方法研究了某型屏蔽式热电偶在马赫数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6五种工况下的速度误差、导热误差、辐射误差的大小和变化趋势,以及偶丝长径比、屏蔽罩进出口面积比对屏蔽式热电偶稳态误差的影响规律。结果表明:在马赫数小于0.3工况下,辐射误差占总误差的比例最高;而在马赫数为0.6工况下,导热误差成为影响测温精度的最主要因素;合理地增加偶丝长径比能显著地降低导热误差,减小进出口面积比值会使速度误差增大辐射误差减少;因此,存在最佳的进出口面积比使得总稳态误差最小。最后选取了偶丝长径比为12,屏蔽罩进出口面积比为6对原屏蔽式热电偶进行了改型设计,使该屏蔽式热电偶的总稳态误差降低50%以上。      

FPGA-Based Independent Backup ControlSystem of Aero-Engine

An independent backup control system based on Field Programmable Gate Array (FPGA) is used to ensure air safety when the master control system of aero-engine breaks down. It can realize a smooth transition from the master control system to the backup control system, control the fuel flow and airscrew speed by setting the programmable logic in FPGA. This system can improve the reliability and safety of aero-engine. This paper proposed the general plan, operating principle, control algorithm, switching logic, channel synchronization and Built-In Test (BIT) of the backup control system. The research has been applied in a certain type of aero-engine control system and passed the rig test. Speed control error is less than 0.2% and fuel flow control error is less than 0.35%. During the channel switching, the fluctuation of the fuel flow control is within 1.5%. It turns out that the system works stably and meets the design requirements.     

航空发动机高速锥齿轮瞬态动力学分析与试验研究

针对航空发动机中央传动锥齿轮由行波共振引起的掉块故障,采用瞬态接触动力学分析方法与试验验证相结合的手段,对行波共振发生时从动锥齿轮的共振特性和应力分布开展研究。基于声测法开展了航空发动机中央传动锥齿轮行波共振试验,研究中央传动锥齿轮行波共振特性,获取了从动锥齿轮行波共振动频、危险转速以及破坏断裂特征。仿真计算结果与试验结果对比分析表明:试验中出现三节径共振皆是前行波共振,四节径共振是后行波共振;三节径共振危险转速范围为74.2%～76.2%,四节径共振危险转速范围为102.8%～104.2%。数值仿真与试验测试中结构静频值具有一致性,三节径误差小于2%,四节径误差小于5%,验证了仿真计算模型的准确性。仿真计算四节径行波共振时从动锥齿轮齿根处和辐板应力集中,应力分布形式与齿轮故障复现试验断裂形式基本一致,辐板正面应力值大小与试验结果基本吻合,误差在0.5%～9.5%,满足工程级应力预测要求,验证了瞬态接触动力学分析方法对齿轮行波共振应力预测的有效性。试验表明该齿轮结构是否存在初始缺陷是发生齿轮断裂故障的重要因素之一。