基于平行压气机模型的发动机整机性能计算方法

为了满足航空发动机型号设计、适航审定等阶段所采用的仿真模型能够快速有效计算进气畸变对发动机性能影响的需要,开展了基于平行压气机模型的发动机整机性能计算方法研究。在发动机整机性能通用仿真系统基础上,通过继承、关联等方法,构建平行压气机部件类;以发动机整机性能仿真模型迭代计算参数作为子压气机出口边界约束,进行子压气机工作点迭代计算,从而获得压气机、发动机工作点及发动机整机性能;以某型混合排气加力式双转子涡扇发动机为仿真对象,分别计算了设计点性能和进气畸变条件下的非设计点性能,验证了计算方法的有效性,并分析了进气畸变对压气机及发动机整机性能的影响。     

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。     

某型发动机对畸变进气响应的流动耦合分析

建立了畸变进气下某型双轴发动机高压压气机，扩压器间流动耦合模型，完善了畸变进气对发动机稳定性影响模拟方法。数值模拟结果表明，考虑耦合影响给出的高压压气机出口静压畸变与其总压畸变不仅相位相反，而且随进口总压畸变强度变化而变化。据此所给出的高、低压压气机畸变响应和发动机推力响应特性也与进气道，发动机相容性理论相符合。     

进气畸变对压缩系统稳定性影响的数值模拟

采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘－滞后－容积的压气机级模型，研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响,在一定物理转速和流量条件下的压气机稳态工作点参数则采用级堆叠方法进行计算。对总压畸变、总温畸变等进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明进气总压畸变和进气总温畸变对发动机稳定性有很大的影响，畸变进气使得压气机稳定工作边界在压所机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。     

进气畸变条件下压气机转子叶片的 振动特性研究

航空发动机研制及适航要求中均明确提出发动机零部件的振动特性分析和测试要求,包括评估进气流场畸变对振动特性的影响。对某航空发动机压气机第1级转子叶片进行振动特性计算分析,开展自然进气和进气畸变条件下的叶片振动应力测试。计算分析和测试结果表明:计算分析结果与自然进气条件下测试的叶片共振转速及振动频率一致性好,其激振源主要是压气机结构因素;在进气畸变条件下激振源更丰富,与自然进气条件相比,叶片会被激起额外的振动,且在同一共振转速下振动幅值较大,进气畸变对转子叶片的振动特性产生重要影响。在发动机研制过程中,为提高叶片工作的可靠性,需要加强进气畸变条件下的叶片振动特性试验研究。     

基于试验数据统计的畸变特性关联模型

针对常规压气机进气压力畸变试验中采用多组插板、多组安装距离进行逐一尝试,导致试验效率低的问题,收集整理并统计了6台套压缩部件进气压力畸变部分参数的变化规律。利用插板前马赫数作为基准,初步得到不同插板安装状态下综合畸变指数随进口马赫数的关联模型。利用该模型对各种试验状态下的畸变指数进行预测,准确度基本能达到14.0%,为压缩部件进气压力畸变试验插板布局方案的制定提供了参考依据,并可提高试验效率。另外,关联模型还揭示,相比于气动界面与插板距离,插板深度对畸变流场的影响更大。     

基于台架“诱喘”试验的涡轴发动机稳定性与性能劣化研究

为评价涡轴发动机的气动稳定性,采用台架"诱喘"试验的方法,通过插板式畸变发生器制造发动机进口的总压畸变流场,对涡轴发动机的综合畸变指数进行了试验测算。试验表明:对压气机转子进行先进性设计改造,在中高转速工况下,其临界综合畸变指数显著增大,随转速提高,增幅由5.01%上升至33.74%。在加速工作过程中,临界畸变指数较原型机增幅达到68.32%。另外,通过分析不同插板高度下发动机各状态的性能劣化趋势,评估了发动机在进气畸变条件下的健康状态。     

进气畸变对发动机压缩部件气动稳定性的影响

发展了一种在发动机环境下评定航空涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。压缩系统模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘-滞后-容积的压气机级模型，稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计点性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响。对总压畸变进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明，进气总压畸变对发动机稳定性有很大的影响，使得压气机稳定工作边界在压气机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。发展的数学物理模型可以正确地反映发动机压缩系统的工作状况，用它判断发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

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。     

双转子涡喷发动机高,低压压气机压缩功的分配

在航空发动机初步设计阶段,要进行方案选择,包括发动机热力循环参数的选择和发动机调节方案的选择,都必需考虑到各种因素的影响,具有重要意义的是燃气涡轮发动机的稳定性。对双转子涡轮喷气发动机来讲,除了在设计点应具有足够的稳定裕度之外,还应特别重视高、低压压气机功分配问题。它关系到高、低压压气机的协调工作和高、低压转子共同工作线的走向,也就是发动机非设计状态的稳定性。简捷地定性分析了高、低压压气机功分配系数对发动机起动性、加速性及发动机巡航状态下经济性的影响,明确地给出了由八台苏、美双转子涡轮喷气发动机统计得出的高、低压压气机功分配系数的数值范围,可提供工程设计参考。     

跨声速双级轴流压气机对周向进气总压畸变的响应特性分析

基于所建立的总压畸变矩阵传递模型,对周向总压畸变下某型跨声速双级轴流压气机容畸变特性进行了详细的数值分析,揭示出了多级环境下轴流压气机对进气畸变的衰减/增益变化规律,这对理解增强多级轴流压气机抗压力畸变能力机理,提高多级轴流压气机性能和扩大其稳定工作范围意义明显。      

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

进气畸变对压气机性能影响的三维彻体力模型

基于三维彻体力模型理论初步发展了一个能有效预测进气畸变下压气机性能的压气机三维稳定性分析模型(CSAC).该模型通过求解带有源项的可压三维Euler方程组,对压气机内部全环三维流场进行模拟.叶片对气流的作用力和做功源项根据压气机三维稳态Navier-Stokes(N-S)解的相关气动参数计算得到,并给出了源项与叶片进口气动参数之间的数据库关联方法.利用该模型计算和分析了NASA Rotor 37在均匀进气下的气动性能,并与三维稳态N-S计算结果对比,验证了该模型的准确性.最后利用该模型模拟了Rotor 37在稳态周向总压畸变下的性能.结果表明:总压畸变不但降低了压气机的气动性能和稳定裕度,而且在压气机转子出口诱发总温畸变,研究表明该模型在消耗较少的计算资源下正确地反映了进气畸变对压气机性能的影响,是目前分析进气畸变对压气机性能影响的有力工具.      

基于高空气流特性的转子发动机进气系统建模与仿真

针对转子发动机进气量难以直接测量的问题,基于某型转子发动机进气系统特点分析,考虑高空气流特性对进气量的影响,建立了转子发动机进气系统均值模型,通过Matlab/Simulink仿真软件仿真得到不同海拔高度下的进气量脉谱图。仿真结果与试验数据对比分析表明:发动机进气流量及进气管压强的仿真结果与试验数据基本吻合;在节气门开度较大时,节气门开度的变化对进气流量的影响逐渐减弱;所建转子发动机进气模型精度高,可用于转子发动机进气量的仿真计算。     

进气畸变下低速轴流压气机失速起始特性试验

为探索进气畸变对压气机失速起始特性的影响,本文以一台双级低速轴流压气机为研究对象,对均匀进气和多种进气畸变形式下的失速起始特性进行了详细研究。进气畸变包括1×90°稳态单波、2×90°稳态双波和1×90°周向旋转单波3种形式,压气机转速为600 r/min和800 r/min。试验结果表明,在均匀进气和固定进气畸变条件下该压气机均表现为模态波式失速起始特征,而在旋转畸变时观察不到失速前扰动信号。均匀进气时,失速前20～30个转子旋转周期即可观察到模态波的存在,其传播速度等于42%转子转速,并诱导产生旋转失速团,而且在失速发展过程中,失速团旋转速度保持不变。稳态进气畸变时,也是由模态波诱导产生旋转失速,但在失速团发展过程中,失速团的旋转速度会发生变化。旋转进气畸变时,失速前检测不到42%转子转速的模态波扰动,也没有发现尖脉冲扰动。     

周向畸变进气下压气机动态失速特性研究

为研究周向畸变进气下压气机动态失速特性,在一大尺寸低转速压气机试验台上进行了均匀进气和180°周向畸变进气下压气机动态失速实验。采用时域观察、频域快速傅里叶变换以及时频域的同步压缩小波变换、基于同步压缩小波变换的空间模态分析和小波相干性分析等方法对动态失速信号进行分析。结果发现,畸变进气下,压气机旋转失速发生前出现0.225倍转子转动频率的一阶模态扰动,该扰动在相对畸变网不同位置区域周向传播速度不一致。宽带非定常扰动在畸变区尾缘附近最强,在畸变区前缘附近最弱,并存在周向尺度转化现象。转子转动频率扰动周向也出现强度变化,最大值出现在非畸变区中心附近的测点。周向畸变条件下集总系统模型对比实验结果的分析表明:实验和模型结果符合较好,旋转失速前非定常扰动周向强度和尺度变化主要受流量系数变化的影响,而一阶模态扰动周向传播速度不均匀现象是畸变进气下压气机系统特性作用的结果。     

某型发动机转差分析研究

对于某型双转子发动机,控制高压压气机稳定工作裕度的关键参数是转差,调整发动机的转差可改变高压转子共同工作线在高压压气机特性图上的位置。除转差影响之外,低压压气机的稳定工作裕度还取决于喷口面积。由于直接影响发动机在使用中的可靠性,发动机转差成为该型发动机验收的主要指标之一。本文分析了影响转差线的因素、转差对发动机的影响以及导向器面积对压气机工作线的影响。     

压力畸变对涡扇发动机稳定性影响的试验

为了评定涡扇发动机在稳态工作时的抗压力畸变能力，采用可调畸变速度的发动机进口压力畸变模拟器，在发动机地面静止试车台上进行了不同进气畸变度下的整机抗畸变试验，试验中获得了发动机重要参数随不同畸变度的变化数据，并得到了发动机能稳定工作的最大进气畸变度范围。     

多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。     

畸变进气时涡扇发动机整机环境下压缩部件气动稳定性评定

将基于部件匹配技术的涡扇发动机非设计点性能计算模型和基于李亚普诺夫稳定性理论的压缩部件气动稳定性评定模型有机地耦合,实现了发动机整机环境下的压缩部件气动稳定性评定,使得该模型成为一种实用的涡扇发动机压缩部件气动稳定性分析模型。以某型涡扇发动机为例,计算比较了畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇和压气机稳定工作边界的异同,从计算结果可以看到,对于风扇,畸变进气条件下,无论在高转速,还是低转速时,同样的进口畸变度,发动机环境下风扇的稳定裕度损失比单独部件下风扇的稳定裕度损失都小,即在发动机环境下评定风扇稳定性时,风扇对进气温度畸变不敏感,而在单独部件环境下评定时,风扇对进气畸变比较敏感。对于压气机,进口气流存在压力畸变时,采用高压涡轮导向器变化对压气机逼喘过程中,风扇的共同工作线向喘振边界靠近,而进口气流存在温度畸变时,逼喘过程中,风扇的共同工作线基本不变。