CFD技术在飞机和发动机一体化设计中的应用探讨

在运输机型号设计实践中,飞机机体和发动机之间存在着干扰问题,有时会严重影响飞机的气动特性.本文从飞机和发动机一体化设计需求出发,对飞机机体和发动机一体化设计中对CFD技术的应用和需求进行探讨.     

飞机／推进系统一体化设计

飞机 /推进系统的一体化设计是从整个飞机系统出发来进行机体、发动机的研究设计。这一设计方法要求根据具体飞机的设计要求 ,从整体出发 ,在综合考虑飞机、发动机等性能的基础上 ,优选出飞机 /发动机的设计方案 ,使得飞机的性能最优。对飞机 /推进系统一体化设计的概念、程序和研究内容 ,以及如何获得最佳匹配进行了介绍 ,给出了实例。     

飞机和发动机控制一体化设计方法标准研究

针对国内飞机与发动机控制一体化设计标准全面展开研究工作,围绕飞机、发动机控制架构和使用分析、系统功能、性能需求设计分析、系统工作环境、与飞机/发动机接口关系设计分析、系统可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性要求设计分析等提出了标准编制的内容要求,并对标准验证中试验验证要求提出建议,未来为标准制定提供技术支撑和借鉴。     

基于飞机/发动机性能一体化的发动机控制规律优化设计方法研究

针对发动机控制规律的选取对飞机/发动机性能一体化设计的影响,基于飞机/发动机性能一体化设计方法,开展了发动机控制规律优化设计方法研究。从先进战斗机飞行任务出发,开展了飞机/发动机性能一体化设计方法研究,进行约束分析和任务分析,以起飞总重最低为目标优选飞机/发动机设计方案,验证了设计方法的合理性。采用飞机/发动机性能一体化设计方法,分别研究了不同节流比和不同控制规律设计对飞机/发动机性能一体化设计的影响。研究表明:在飞机/发动机性能一体化设计过程中,采用合理的发动机最大状态控制规律同时选取恰当的发动机节流比,可以有效扩大约束可行域,同时能够降低发动机的燃油消耗量,降低飞机起飞总重。     

机动飞机／发动机设计参数的一体化选择

发展了一种机动飞机／发动机设计参数的一体化选择方法和软件。根据机动飞机的飞行任务要求，确定设计目标和约束，其中包括飞机性能约束和发动机部件设计约束，并以此对飞机的主要设计参数和发动机循环参数进行一体化优选。该软件由飞机几何、飞机质量、飞机气动性能、发动机非安装和安装性能、发动机质量和外廓尺寸、飞机性能、优化等模块组成。此软件已应用于已有机动飞机／发动机的改型方案论证和未来高机动飞机／发动机方案的分析研究，本文给出部分计算实例。使用此软件的经验表明，计算结果合理，计算精度和所需时间适合于飞机／发动机系统方案论证和初步设计。     

飞机设计中发动机转子碎片非包容性设计

基于一种双发常规布局飞机进行飞机设计中发动机转子碎片非包容失效设计的研究,通过研究相关适航规章,以及相关咨询通告等文件,得出第3节到第7节所描述的对咨询通告AC20-128A适当裁剪的工程方法和步骤,并在实例机型设计中进行验证,缩短了飞机研制周期的同时,也表明在发动机转子碎片非包容失效事故发生后,飞机系统及机体结构等采取的设计措施、防范措施符合相关适航条例要求,也即结构剩余的强度、灾难性事件发生概率等满足AC20-128A第10条c中的定性和定量要求,表明该型实例飞机完全满足相关适航条例的要求,并获得中国民用航空局(CAAC)和美国联邦航空局(FAA)的认可。     

民用飞机发动机一体化气动设计相关技术初探

飞机发动机一体化气动设计是翼吊布局飞机设计的重要组成部分。为解决飞机与发动机之间的一体化设计问题,人们在设计过程中从不同角度尝试众多解决方案,形成很多典型技术专利,积累了宝贵经验。通过分析较为典型的方案,以展现一体化气动设计技术发展的脉络和趋势。     

飞/发性能一体化技术在航空发动机设计中的应用

分析了国内外飞/发性能一体化设计技术的发展,中国现处于飞机和发动机双方通过协调确定各自技术状态阶段,尚未开展系统一体化设计。详细阐述了前机身、进气道与发动机在流场、流量及隐身性能,发动机尾喷管与飞机后机身在安装性能、隐身性能,飞机功率提取、环控引气与飞/发性能、稳定性等一体化设计技术的研究内容。详细分析了在航空发动机研制中应用飞/发性能一体化技术的主要关注点,并指出了飞/发一体化设计技术推广应用的方向。     

航空发动机气动声学设计的理论、模型和方法

根据对飞机噪声控制技术历史发展演化过程的总结分析，研究了民用航空发动机气动与声学一体化设计的目标、方法、流程、理论模型和发展趋势等。基于对航空发动机气动设计过程的分析，给出了航空发动机气动与声学一体化设计的流程和方法。分别从“发动机总体热力循环设计”“发动机部件通流设计”“发动机部件三维详细设计”等三个流程，介绍了航空发动机声学设计理论和技术国内外的发展情况，详细论述了发动机气动声学设计的理论、模型和方法，分析了目前航空发动机声学设计理论的主要问题及未来的研究重点，并以具体发动机设计实例分析了不同设计阶段航空发动机的气动与声学一体化设计方法思想。     

航空发动机稳态总体气动特性的逆向仿真研究

由于缺乏发动机稳态工作的气动参数数据,飞机/发动机气动一体化设计遇到了困难。为此对某型航空发动机的离散试车数据点进行了多元高次多项式拟合,建立了该型号发动机的稳态特性曲线。在此基础上进行了发动机的总体气动性能逆向仿真研究,建立了该型号发动机进出口气动参数随工况变化的关系曲线,为某型飞机的机体/发动机一体化气动设计提供了依据。      

飞航导弹/涡扇发动机一体化设计-优化设计

利用飞机／涡扇发动机一体化设计的思路，建立了飞航导弹／涡扇发动机一体化设计的优化设计模型并给出了算例和分析。根据飞航导弹的要求对涡扇发动机进行了循环参数优化选择并预测了未来涡扇发动机的发展趋势。在考虑导弹空重、有效载荷和气动特性的情况下，预测了未来先进飞航导弹的性能。建立的飞航导弹／涡扇发动机一体化优化设计模型还能够用于已有飞航导弹的任务剖面的优化设计，具有很好的工程实用价值。     

民用航空发动机ETOPS型号设计和符合性验证方法研究

航空发动机延程运行（ETOPS）资格是飞机延程运行的基础,为了给国内航空发动机ETOPS 型号设计及适航符合性验证提供指导,研究ETOPS 适航规章形成的历程及航空发动机早期ETOPS 资格的设计和试验要求。分析发动机ETOPS 适航条款与飞机ETOPS 适航条款的关系,提出一种民用航空发动机ETOPS 型号的设计及符...     

航空发动机防振安装系统的设计

航空发动机防振安装设计要求 (1) 要合理选择发动机防振安装装置的刚度,使传到飞机机体上的振动量降低到所允许范围之内。为此,要保证发动机防振安装系统的自然频率不得与飞机结构的各阶额率耦合,同时,其扭转频率应小于额定功率状态下螺旋浆转速的30％,其它模态频率不大于额定功率状态下螺旋桨转速的70％。     

飞机/发动机一体化评估系统研究

本课题研究了一种快速的飞机/发动机一体化评估方法和软件,其主要特点是根据飞机飞行任务要求,同时对飞机/发动机系统的主要设计变量(如飞机起飞推重比、翼载、机翼几何参数和发动机循环参数等)进行有约束多目标优选,求得最佳方案。优选的目标函数和约束条件由飞机战术技术要求和飞行任务确定。 应用此评估系统,曾对某型歼击机进行改型方案论证。计算结果表明:优选后的飞机性能有明显改善;飞行任务要求不同,最佳方案飞机的推重比、翼载、机翼外形和发动机循环参数也不同。使用本系统方便和快速,每计算一个方案在IBM4341计算机上,所需CPU时间在1min以内。本评估系统适用于战斗飞机/发动机的设计和改型,经扩充后也可推广到民用飞机/发动机的方案论证工作。     

通用飞机发动机一体化试验平台的设计与应用

为测量发动机装机后的推力等性能指标,设计了一个通用飞机发动机一体化试验平台。该平台采用可调式品字布局,能有效兼容不同类型飞机推力测量试验需求。测控系统采用网络式多数据源融合测试结构,可通过多种方式同步测量多台发动机性能数据和推力数据。使用该试验平台对大型运输机发动机的装机推力进行了直接测量,结果表明:试验平台各系统工作良好,测试精度满足飞机推力测量技术要求。     

飞机和发动机控制一体化通用要求标准研究探索

通过分析国外现代军民用飞机和航空发动机研制发展趋势，对我国急需的飞机与发动机控制一体化通用要求标准技术内容展开论述，并初步提出标准制定的主要框架和内容，为我国飞机和发动机一体化研制提供标准支撑并提供制定依据和发展方向。     

翼身融合布局飞机机体-发动机气动干扰效应

翼身融合（BWB）布局飞机是一种相对较新的飞行器概念，具有商业运输飞机的潜在用途。研究表明，翼身融合布局客机可获得比常规布局客机更好的性能。但是，由于各方面限制，BWB飞机不宜使用传统的机翼安装或机身安装的发动机布局，发动机背部安装成为首选布局。然而，背部安装发动机容易产生激波、分离、进气畸变等空气动力干扰问题，发动机与机身一体化的气动设计已成为BWB飞机发展的关键技术。针对BWB布局飞机的机体和发动机之间的气动干扰进行了数值研究，结果表明，背部安装发动机对BWB布局飞机的全机气动特性和发动机本身的推力性能都会产生较为明显的影响。     

发动机安装车技术分析

发动机安装车是一种重要的飞机保障设备及工艺装备,用于拆装发动机以及机体大部件承载运输等,在保障飞机使用和维护、总装试飞等方面有重要作用.现代喷气战斗机发动机安装车是较为复杂的机械设备,由多种机构和系统构成.建立在对国外众多战斗机发动机安装车产品实例进行充分研究的基础之上,首先概述发动机安装车的发展,然后重点总结和分析发动机安装车的相关技术,包括设计要求和协调设计,技术特点,结构组成,连杆系统关键技术,标准化、通用化、系列化设计,发展趋势等,接着分析先进发动机安装车实例,最后进行总结和展望.     

民用发动机空中慢车性能设计方法

空中慢车是应用于飞机空中下降过程的最小推力状态.为实现飞机与发动机性能的优化匹配,空中慢车需要在设计阶段综合考虑飞机性能和用户系统、发动机自身运行特性3方面的要求,包括飞机正常下降率、引气、功率提取、发动机附件运行和本体运行限制等设计需求.通过空中慢车设计需求分析并结合发动机推力控制模式,给出了基于引气压力的慢车设计方法和设计流程,并根据型号应用经验讨论了设计中的常见问题和对应处理方法.     

背撑发动机进排气对翼身融合民机气动特性影响

针对翼身融合(BWB)背撑发动机布局民机的发动机与机体流动干扰问题,以项目团队研究的某BWB布局民机方案为研究对象,采用CFD方法研究了发动机进排气对全机低、高速气动特性的影响规律及其流动机理。结果表明:进排气效应主要影响飞机的高速阻力特性,随着发动机进气流量的减小,机体/短舱之间流动干扰加剧,机体零升阻力增加；进排气效应对低速状态升力和俯仰力矩的影响主要由发动机的抽吸作用对机体表面流动的干扰引起。发动机不同的进气流量会对全机的升阻力特性产生较大影响,在BWB布局机体/发动机一体化设计中,要充分考虑机体与动力装置之间的干扰影响,同时权衡不同进排气状态对机体和发动机当地流动的影响。