涡轮电力分布式推进设计参数优化选择分析

为研究涡轮电力分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion system简称TeDP）设计参数的选择，基于部件法对整个TeDP系统建立设计点性能计算模型，推导了TeDP的有效功在涡轴尾喷管和风扇系统间的最佳分配关系。在此基础上，以ECO-150-300客机作为应用对象，采用差分进化算法，以设计巡航点的耗油率作为优化目标，对TeDP的循环参数进行优化选择；然后对优化后的循环参数进行分析，并将优化结果与大涵道比涡扇发动机作对比。结果表明，优化后的巡航耗油率比原系统下降了7.68%；存在最佳风扇设计压比使风扇涵道效率最高，最佳设计压比与涵道的总压损失有关；TeDP系统的耗油率对电部件传输效率、自由涡轮效率和风扇绝热效率最为敏感，当效率分别降低1.0%时，耗油率分别上升1.0%,0.94%和0.85%；与涵道比为20的齿轮传动涡扇发动机相比，当电部件传输效率大于0.95时，TeDP才显现经济优势，当电部件传输效率接近1时，TeDP耗油率下降了5.40%。     

大涵道比涡扇发动机几何面积调整研究

理论分析大涵道比涡扇发动机高/低压涡轮导向器、内/外涵喷口面积变化对发动机整机性能及各部件的影响。采用大涵道比涡扇发动机总体稳态计算程序,在控制低压转子转速不变的条件下,计算上述部件单一几何面积变化对发动机推力、耗油率、转差、裕度、排气温度等总体性能参数的影响,及放大面积后风扇、增压级和高压压气机等压缩部件工作点及喘振裕度的变化趋势,为大涵道比涡扇发动机整机性能调试提供指导。     

涡扇发动机进气畸变计算研究

基于经典平行压气机模型理论和某型涡扇发动机计算主程序,开发了能够模拟进气畸变对涡扇发动机稳定性和性能影响的计算模型,研究了进气总压畸变和总温畸变对风扇压比、效率、喘振边界线以及发动机推力、油耗的影响。数值计算结果表明,进气总压畸变和总温畸变使得风扇的压比减小、效率降低,喘振边界线下移以及发动机净推力减小、单位耗油率上升,降低了发动机的稳定性和性能。     

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.     

升力风扇和涡扇发动机组合动力系统性能模拟与分析

基于部件匹配和多设计点分析技术,发展了加装升力风扇的涡扇发动机性能计算模型.以F135涡扇发动机为例,对模型的可靠性进行了验证.数值模拟结果表明:升力风扇不工作时,涡扇发动机性能模拟与常规涡扇发动机是一致的,当升力风扇工作时,若实现低压涡轮与涡扇发动机风扇、升力风扇工作点的匹配,不仅需要调节尾喷管喉道面积,而且可变外涵道出口面积、低压涡轮导向器喉部面积也需要调节.基于该模型,可以进行带升力风扇的涡扇发动机循环参数匹配和不同任务状态的性能分析.      

雷诺数对涡扇发动机性能及稳定性影响

综合了Wassell方法和经验数学模型两种雷诺数修正方法,对风扇、压气机、高低压涡轮的部件特性进行了雷诺数修正。运用修正后的部件特性分别对3种涡扇发动机进行了性能计算,定量计算出了雷诺数对涡扇发动机性能的影响程度。计算结果表明:在低空区雷诺数对涡扇发动机性能和稳定性影响可以忽略不计;但在高空低速区,雷诺数对涡扇发动机性能和稳定性影响显著;涡轮前总温剧烈升高;推力增大3%～6%、耗油率增大8%～10%;稳定裕度下降19%～39%。因此在高空低速区航空发动机性能数值模拟必须考虑部件特性雷诺数的影响。      

短距起飞/垂直降落发动机建模技术研究

参考常规双轴涡扇发动机数学模型,建立了适用于短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机的变循环发动机部件级数学模型;通过特性外推,建立了轴驱动升力风扇数学模型;采用神经网络映射涵道总压损失的方法,建立了滚转喷管和外涵模型.根据STOVL发动机结构和部件变化特点,建立了稳态和动态共同工作方程.参照国外文献仿真数据进行设计点计算,并按照Bevilaqua提出方法开展了由常规涡轮风扇模式到悬停涡轮轴模式的过渡态仿真.仿真结果表明:建立的数学模型在悬停状态设计点和高空巡航点与国外文献数据相比误差均小于1.5%,推力达到悬停状态要求,符合STOVL发动机的设计特点,验证了该建模方法的有效性.      

低红外特征涡扇发动机加速控制及影响规律研究

为探究红外抑制措施对发动机加速性能的影响，提出并制定了针对发动机排气系统外涵引气冷却的普适性加速控制计划，开展了低红外特征涡扇发动机加速控制及其影响规律研究。首先，建立了带外涵道引气冷却中心锥、全遮挡导流支板和尾喷管扩张壁面的发动机部件级模型，并在此基础上发展了排气系统正后向红外辐射特征计算模型；其次采用可行序列二次规划算法，针对采用了不同排气系统红外抑制措施的涡扇发动机分别制定加速控制计划；最后通过硬件在回路仿真验证上述加速控制计划对带红外抑制措施的发动机从慢车到中间状态加速过程的有效性。结果表明，与常规涡扇发动机相比，采用了高温壁面冷却虽然能降低发动机近50%的红外辐射特征，提高战机的隐身性能，但会导致发动机推力降低近6%，油耗上升4%以上，加速时间延长20%左右。     

变循环发动机建模方法研究及验证

研究了变循环发动机(VCE)关键部件建模技术.采用叶尖叶根分段建模技术建立了两段风扇的数学模型,使之更适用于VCE.基于流场分析,建立了活门开度、外涵道进口总压、动压与外涵道总压恢复系数之间的智能映射,完善了外涵道模型.建立了VCE部件共同工作方程,获得了VCE部件级数学模型.基于欧洲空间与推进系统仿真数据库进行设计点计算,并开展了仿真验证.仿真结果表明:建立的数学模型表现出的工作性能与实际发动机实验结果一致,在低马赫数下双外涵道模式推力更大、耗油率更低;相反在高马赫数下单外涵道模式推力及耗油率优于双外涵模式,验证了所采用建模方法的有效性.      

涡轮轴断裂条件下的涡扇发动机性能建模

为了研究双轴混合排气涡扇发动机高压轴断裂失效后的动态性能，建立了轴断裂条件下涡扇发动机过渡态的共同工作方程，以及各部件考虑容积效应和气体惯性力的模型部件。在此基础上，分析了地面起飞状态和巡航状态下涡扇发动机高压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理。研究表明:涡扇发动机高压轴断裂会在不超过05s的时间内导致压气机喘振、涡轮前温度超温、涡轮转速超转等继发性危害事件。在不同飞行状态下出现的轴断裂，上述事件发生的先后次序各不相同。尤其在地面起飞状态下，涡轮超转事件极可能先于压气机喘振现象而发生，012s内涡轮即可达到其破裂转速。这些都需要在航空发动机被动安全设计中给予足够的重视。      

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.      

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.      

矢量电推进系统的气动-推进耦合模型

提出了一种适用于矢量电推进系统的气动-推进耦合模型，旨在通过结合理论模型与工程经验模型，实现对矢量电推进系统气动与推进性能的实时快速评估。为了准确描述系统的气动-推进耦合效应，首先，结合涵道推进增强系数公式与工程经验模型，建立涵道推进模型；紧接着建立了涵道气动模型，并基于推进效应影响完成了模型修正；然后，分析了涵道气流抽吸效应对机翼的影响，根据涵道是否倾转分别进行了讨论，完成了耦合推进系统的机翼增升模型的建立；最后，将所有模型统一至机体坐标系下，得到矢量电推进系统的气动-推进耦合模型，并依据CFD仿真计算进行了模型验证与分析。结果表明：所提出的气动-推进耦合模型可以准确描述涵道增推与机翼增升效应，能在极快的运算速度下保持较高精度，满足动力学系统与飞行控制系统的实时计算要求。     

加力涡扇发动机喘振与消喘模拟

基于气动耦合原理,发展了涡扇发动机风扇出口分流环计算模型,并进一步基于多级轴流压气机系统的逐级单元控制体模型,建立了混合加力涡扇发动机喘振及其喘振消除的数值模拟方法,并将其应用于某型全台加力涡扇发动机过失速特性模拟。在加力状态下采用收小尾喷管喉道面积诱导了风扇压气机过失速—喘振过程,并给出了预先对加力燃烧室实施切油消除风扇压气机喘振数值模拟结果。      

高速直升机涵道风扇矢量推进系统模型悬停状态的气动力测量研究

为了提高直升机的飞行速度,出现了用涵道风扇矢量推力系统取代常规的尾桨和尾翼的复合式高速直升机.然而,涵道风扇矢量推进系统各部件间相互作用很复杂,从理论上确定涵道风扇矢量推进系统的气动特性尚有相当难度,为了研究涵道风扇矢量推进系统气动特性,利用涵道风扇矢量推进系统试验模型,通过试验实测该系统在轴流状态的气动力及舵面偏角和设计参数对系统气动力的影响,得到了一些涵道风扇矢量推进系统所特有的气动现象,其结果可作为理论建模的依据.     

某型涡扇发动机起动过程数值模拟

基于发动机设计点参数和压气机、涡轮高转速特性数据,完善了一种计算风扇、高压压气机和高、低压涡轮小转速特性近似方法,并进一步基于涡扇发动机部件匹配技术,建立了某型涡扇发动机起动过程计算模型及相应算法,给出了比较合理的发动机起动过程模拟结果.      

加力式SteamJet发动机性能模拟

为了研究射流预冷却涡轮发动机(SteamJet)的发动机特性,建立了喷水预冷却的热交换系统计算、物性修正计算和发动机部件特性修正计算的数学模型,建立了基于双轴混排加力式涡扇发动机的Steam-Jet发动机性能计算模型,并编制了相应的计算程序.计算分析了SteamJet发动机在不同风扇进口总温下沿飞行轨道的特性,以及喷水预冷却对发动机加力燃烧室的影响,并对SteamJet发动机风扇进口总温进行了合理的选择;对加力式SteamJet发动机进行了高度速度特性的计算和分析.结果表明,SteamJet发动机可大幅度拓宽涡轮发动机的工作范围,与非加力式SteamJet发动机相比,加力式SteamJet发动机具有更好的推力特性,能够满足高超声速飞行的需求.      

涡扇发动机配装反推力装置综合影响分析

针对概念设计阶段涡扇发动机开展反推力装置设计的需要,对加装反推力装置对总体性能的综合影响开展了初步分 析。选取大涵道比发动机CFM56为对象建立基准发动机模型,借助克兰菲尔德大学总体性能仿真软件Turbomatch,分析了其对发 动机压缩部件、涡轮及排气系统的性能影响,提出采用流动面积和流动损失作为反推力装置的设计要求。在正、反推力状态下对 发动机推力进行评估,结果表明：理想状态下发动机提供的反推力可达最大起飞推力的50%以上。为了获得涡扇发动机配装反推 力装置的不利影响,建立包括反推力装置在内的推进系统质量评估模型和价格预测模型,利用该模型对质量及成本进行了预测, 结果表明：特定条件下反推力装置的使用会导致推进系统的质量增加12%,价格增长13%。     

涡扇发动机内外涵道水量分布比例数值仿真

涡扇发动机经常会在雨天执行飞行任务，当雨滴进入发动机后，由于风扇旋转、液滴和液滴碰撞、液滴与叶片壁面碰撞 导致核心机与内外涵道之间的水量重新分配。针对雨滴在内外涵道的分配问题，采用了3维建模仿真方法计算水进入核心机的比例。通过拉格朗日法建立了两相流模型，同时考虑了液滴运动模型和破碎模型，研究了不同的水气比、初始液滴直径和风扇转速对内外涵道水量分配比例的影响。结果表明：进入核心机的水量取决于液滴的初始液滴直径和风扇速度，水气比对进入核心机的水量影响较小。将仿真计算结果与文献[6]中经验数据进行了比较，仿真最大误差为3.3%。证明所建立的涡扇发动机内外涵道水量分布比例数值仿真方法是合理的，对计算液滴量的内外涵道分配具有一定的参考价值。     

考虑限制保护的航空发动机起动控制技术

涡扇发动机起动控制方法直接影响发动机的起动性能.为在发动机整个起动过程中持续获得高、低压转子转轴上的最大剩余功率,提出了1种涡轮前总温Tt4闭环控制规律用于设计涡扇发动机起动控制的方法.对于起动过程中可能发生的风扇、低压压气机、高压压气机喘振和失速问题,在设计的Tt4闭环回路前加入喘振裕度限制保护控制,并考虑到在起动过程的第1阶段中在起动机带转到发动机点火前Tt4回路不起作用的特点,对Tt4回路设计了积分冻结逻辑.仿真结果表明:在满足给定喘振裕度和涡轮前总温不超温的条件下,涡轮前总温Tt4闭环控制方法能够以持续的最大剩余功率使发动机从静止状态起动到慢车功率状态.