涡轴发动机性能退化数学建模研究

分析了航空发动机各部件性能退化原理;分别建立了压气机、燃烧室、涡轮性能退化的部件模型;根据航空自由涡轮式涡轴发动机的工作和使用特点,建立了性能退化的涡轴发动机数学模型;利用该模型,仿真研究了不同部件性能退化对涡轴发动机性能参数的影响。结果表明,建立的模型正确反映了部件退化对涡轴发动机的影响。     

涡轴发动机全状态实时气动热力学数值模拟

用“外推”法得到了某燃气涡轴发动机起动状态的部件特性,采用容积法建立了表达发动机热力过程特性的非线性方程组,解决了通常的部件法建模需要迭代的问题,建立了1个涡轴发动机全状态气动热力学实时模型;在起动建模中考虑了温升对部件效率的影响以及传热对燃气热焓的影响。给出了某发动机从起动到最大状态全过程的数值模拟结果。     

涡轴发动机起动过程的一种气动热力学实时模型

采用部件法建立了某涡轴发动机的起动模型,研究了温升对起动过程的影响,考虑部件特性在低状态下的变化和边界、环境条件对各截面输出参数的约束,给出了某发动机的起动仿真结果。仿真结果表明动力学起动模型能够对发动机的起动过程进行真实的模拟。      

基于逐级叠加法的航空发动机起动模型研究

建立起动过程数学模型的主要困难在于缺少发动机低转速部件特性。提出一种逐级叠加与试验数据相结合的方法计算低转速部件特性,并综合考虑了燃烧室效率变化和部件的热惯性对起动过程的影响,成功地把发动机慢车以上的部件法建模应用到发动机起动过程的性能模拟。通过对某型涡轴发动机仿真结果与试验数据的对比表明,这种低转速部件特性的计算方法具有一定的精度,建立的起动模型可满足研究起动供油规律及估算起动性能的需要。     

涡轴发动机健康管理跟踪滤波器技术

以反映部件健康状态的变几何涡轴发动机部件级数学模型为基础,利用线性化方法建立了反映航空发动机健康状态的线性状态空间数学模型;利用Kalman滤波器原理,构建了涡轴发动机健康状态跟踪滤波器。对线性状态空间模型和健康状态跟踪滤波器进行了仿真,结果表明：线性状态数学模型准确、实时;健康状态跟踪滤波器可准确地估计出涡轴发动机健康状态的变化。     

涡轴发动机技术参数与发展趋势评估

为了给先进涡轴发动机总体性能设计和尺寸与重量计算提供技术参数选择依据,本文收集10台一至四代国外典型的涡轴发动机技术参数,建立总体性能计算和尺寸与重量联合计算的涡轴发动机技术参数评估模型并开发计算程序,利用计算程序对收集的技术参数进行评估,获得涡轴发动机技术参数的水平和发展趋势,并预测下一代先进涡轴发动机的技术参数;以技术参数发展趋势为基础,研究各部件主要的气动、结构、强度、材料参数变化对涡轴发动机性能的影响。获得的涡轴发动机技术参数发展规律及其对发动机性能参数的影响,为先进涡轴发动机总体设计提供了依据。     

涡轴发动机性能退化分析与诊断

利用燃气涡轮发动机数值仿真软件(GSP)建立涡轴发动机性能仿真模型,采用退化因子方法得出部件性能退化后发动机测量参数的变化,并以此分析部件性能退化对发动机性能的影响。针对发动机单个部件性能对整机性能的影响权值难以定量的问题,提出采用随机赋权值的极限学习机(ELM)算法诊断发动机部件性能退化。仿真结果表明,运用ELM算法进行涡轴发动机部件性能退化诊断的平均精度可达97.5%,速度也明显快于BP等传统神经网络。     

一种通用涡轴发动机起动过程建模方法研究

涡轴发动机可靠、快速的起动过程是进入驱动旋翼飞行器安全工作的前提,高置信度的发动机起动过程模型不仅可以对起动过程进行分析与优化控制,而且减少了代价昂贵的发动机台架试车次数。本文针对起动过程复杂非线性特性的建模难题,提出一种通用的建模方法:即基于级累叠方法,根据进口条件计算各级气体流动参数来获得压气机低转速特性数据,同时根据相似原理外推出燃气涡轮、自由涡轮低转速部件特性,并将冷转动模型和部件级模型相结合。最后,建立了涡轴发动机起动模型,进行了地面状态起动过程的数字仿真,并与试车数据进行对比,最大误差小于10%,结果表明所建立的模型能准确模拟涡轴发动机的起动过程。     

带级间燃烧的涡轴发动机性能仿真

为了分析涡轮级间燃烧技术对常规涡轴发动机性能提升的潜力,针对两种带级间燃烧的涡轴发动机性能方案,分别建立了部件级稳态性能计算模型,并通过仿真对比分析了级间燃烧室不同温升及总压损失条件下发动机的整机性能,结果表明:级间燃烧室总压恢复系数和温升对单位功率和总功率影响较大,当级间燃烧室总压恢复系数为0.95、温升为200K时,保持进口空气流量不变,涡轴发动机单位功率和总功率增加17%,耗油率增加约11%;在高的级间燃烧室温升条件下,适当增加动力涡轮导向器面积,改善涡轮流通能力,有利于进一步提高整机功率,降低动力涡轮前温度;两种方案对比,在涡轮过渡段设置级间燃烧室空间上更好布置,性能上更占优势.      

涡轴发动机全状态实时气动热力学数值模拟

应用“外推”法得到了某型涡轴发动机起动状态的部件特性,采用容积法建立了表达发动机热力过程特性的非线性方程组,从而,解决了通常的部件法建模所带来的需要迭代的问题,建立了涡轴发动机全状态的气动热力学实时模型,给出了某发动机工作全过程的数值模拟结果。     

低温对涡轴发动机起动性能影响的试验与分析

为研究低温对涡轴发动机起动性能的影响,对国军标的适用与裁剪进行了讨论,开展了低温起动试验,试验以滑油箱内的滑油温度达到-34 ℃算起,冷浸4 h后进行起动,分析了低温起动过程的阻力矩、剩余扭矩、点火性能和温升效应对起动性能的影响。结果表明:-34 ℃条件下的初始阻力矩是25 ℃条件下的2.25倍,至点火转速附件阻力矩降低为1.53倍;温度越低,点火边界对应的索尔太平均直径(SMD)越小,燃烧室点火边界越窄;温升效应对低温起动性能的影响显著,考虑温升效应的起动时间延长约25%。热空气加温和起动滑油断油可以降低起动初始阻力矩,改善点火性能,从而提高了低温起动性能。研究结论对同类发动机开展低温起动试验、起动供油规律优化及相关研究提供了参考。      

涡轴发动机部件特性修正及更新方法

针对由航空发动机零部件制造、装配及性能退化引起的发动机模型与实际发动机之间的性能不匹配问题,提出1种基于粒子群优化算法(PSO)的发动机部件特性自动修正及更新方法。根据发动机部件级模型的输出数据和发动机性能分析软件GasTurb计算结果,以发动机关键测量参数所定义的目标函数最小为优化目标,利用PSO获取不同相对换算转速下的部件特性修正因子,并在线完成特性图的自动更新。并以某型涡轴发动机为对象进行仿真验证,结果表明:该方法可有效提高涡轴发动机部件级模型的精度,并直接输出更新后的部件特性。     

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。     

试车数据驱动的涡轴发动机起动过程模型辨识

针对传统的采用解析法建立涡轴发动机起动过程模型复杂的问题,提出了一种基于变步长萤火虫算法优化的有外部输入的非线性自回归网络(CSFA-NARX)的涡轴发动机起动过程模型辨识方法。以涡轴发动机起动过程试车试验数据为数据样本,利用CSFA-NARX网络模型辨识得到涡轴发动机起动过程模型,并采用留一交叉验证方法对辨识模型的性能进行验证。结果表明:得到的辨识模型输出参数,如燃气发生器转速n_g、输出轴转速n_r和涡轮后温度T₄都较好地逼近了试车实测数据,各参数验证样本最大相对误差平均值分别为0.90%、1.51%、和2.01%;在相同训练与验证样本情况下,得到的辨识模型精度优于采用萤火虫算法优化的NARX网络(FA-NARX)、NARX网络和变步长萤火虫算法优化的BP网络(CSFA-BP)模型精度。     

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

基于难度系数平衡的涡轴发动机总体设计方法

为了实现第5代涡轴发动机从概念至初步设计阶段的总体方案设计,发展一种兼顾涡轴发动机总体性能与尺寸质量的总体设计方法。统计并评估国内外典型型号涡轴发动机的技术参数,建立涉及总体性能、总体结构、部件的气动/结构/强度/材料等数据库;在概念设计阶段,应用难度系数选取涡轴发动机的技术参数,开发涡轴发动机总体性能和尺寸质量设计的计算模型及程序。基于设计准则完成涡轴发动机总体性能以及各转子部件气动、结构、强度、尺寸及质量等总体方案设计。结果表明:所提出的总体设计方法能够快速有效的实现涡轴发动机的总体方案设计,并以此方法设计完成轴动功率为1500kW的第5代涡轮发动机,耗油率为0.248kg/(kW·h),功质比为10.26kW/kg。