固体姿轨控发动机喉栓运动时序实验设计方法

固体姿轨控发动机通过伺服机构控制喉栓位移实现推力矢量调节。为实现推力精确调控，需拟合大量地面试验数据，得出发动机喉栓位移与推力矢量间的数学模型。提出了一种面向喉栓式固体轨控发动机喉栓运动时序实验设计方法，实现了单次试验中不同燃烧室理论压强及喉栓位移组合最大覆盖，为最低试验成本下精准构建喉栓位移与推力输出模型提供训练样本。以四阀固体轨控发动机作为对象，基于零维内弹道实现燃气发生器压强求解。采用Φp准则评估喉栓位置组合遍历性，并对其进行优化，获得合理的喉栓运动方案。算例结果证明实验设计后方案在整个运动周期内几乎遍历各种组合状态，较实验设计前Φp值提升近40%，验证了本文实验设计方法在时序工程问题中的优良性能。采用实验设计方法可提高固体姿轨控发动机地面试车数据利用效率。     

基于改进联合稀疏电容层析成像算法滑油监测研究

由于电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）的“软场”特性，使其应用于航空发动机滑油管道监测时难以准确获得被测对象的位置和大小信息。针对图像重建过程中的病态问题，在对称交替乘子法（S-ADMM）算法基础上，提出一种采用L2,1-范数作为核范数、(L1-εL2)范数作为正则化器的改进联合稀疏电容层析成像算法。仿真实验采用COMSOL5.3和MATLAB2014a搭建仿真实验平台，仿真结果表明，改进算法与Landweber迭代算法相比，成像误差降低了35.82%，相关系数提高了56.51%；与S-ADMM算法相比成像误差降低了35.02%，相关系数提高了41.82%，图像误差降低至0.1435、相关系数提升至0.9308，且成像时间保持在0.1s。实验结果表明，改进联合稀疏成像算法提高了滑油监测方面的成像质量，具有实效性和适用性。     

航空发动机高压转子“可容模态”设计及实验验证

为降低航空发动机高压转子的振动，提高高压转子对复杂工况的可容度，本文建立带双阻尼器的高压转子动力学模型，开展模态分析和响应分析，研究高压转子关键结构参数对“可容模态”的影响规律。构造了可容度评价函数η，建立了“可容模态”设计方法。设计了高压转子模拟实验器，通过模态校核实验验证了计算模型和计算方法的准确性，通过“可容模态”实验验证了设计方法的可行性。研究发现，利用当量临界转速ωˉ估计转子系统前两阶临界转速的方法可行，高压转子实验器的临界转速满足ωcr1≤ωˉ，ωˉ≤ωcr2≤2ωˉ；高压转子实验器在两阶“可容模态”下连续“共振”时长达到7125s，实验器转子关键部位的振动位移峰值不超过79.42μm，振动速度有效值不超过2.33mm/s，最大波动不超过10.59%。结果表明，所建立的发动机高压转子“可容模态”设计方法是行之有效的。     

一种民航发动机滚动轴承故障预警方法

为了提前感知滚动轴承故障，避免民用航空发动机非计划维护带来的损失，提出了一种故障预警方法。对轴承振动信号进行特征工程，提取其时域和频域特征，引入梯度提升决策树（Gradient boosting decision tree，GBDT）算法，量化了特征重要度；在特征相关性分析的基础上，利用核主成分分析（Kernel principal component analysis，KPCA）方法实现特征融合与主元提取，再次结合GBDT构建了故障预警模型，使用交叉验证法实现了模型泛化能力评估。结果表明：KPCA+GBDT模型的泛化性能显著，模型的F1分数高达0.991，对应的受试者工作特性（Receiver operating characteristic，ROC）曲线下面积的值为0.998，体现出该方法用于支撑航空发动机健康管理与维护决策工作的工程应用价值。     

流量比对高位预旋进气涡轮转静盘腔换热影响的数值研究

为提高冷气与涡轮盘的换热效果，针对高位预旋30°进气的转静腔耦合涡轮盘系统进行了数值模拟，研究了不同转静腔入口流量比率和转速对系统换热效果的影响，并对涡轮盘壁面平均努塞尔数Nuˉ、盘体最高温度、盘体温度均匀性进行了分析。结果表明：转速为1×10⁴r/min时，随着转静腔1和2的入口流量比率P从1增加到6，左壁面Nuˉ稍有上升，右壁面Nuˉ先增后减，在P=3时最大；盘体最高温度降低，且P<3时降幅较大，之后较小。盘体温度均匀性受P影响较小，P>2后，左右两侧径向温度均匀性几乎一致，轴向温度均匀性均优于径向，盘缘处轴向温度均匀性最差，越靠近轴心均匀性越好。在转速为6×10³~1.2×10⁴r/min时，随转速增大，系统换热效果增强。当转速<1×10⁴r/min时，随P增大，冷气与涡轮盘之间换热不断改善；转速>1×10⁴r/min后，P在3附近综合换热效果较好。     

基于光滑粒子流体动力学方法的液滴蒸发问题数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），开展了SPH新算法在蒸发燃烧领域的研究。建立了适用于SPH方法的蒸发数值模型，推导了基于傅立叶热传导公式和菲克扩散定律的SPH离散方程；借鉴VOF方法（Volume of Fluid）的思想，提出了SPH粒子的液相质量分数的概念，以有效表征蒸发过程中的相变问题。采用SPH方法对高温环境中单个液滴的蒸发过程进行数值模拟，结果符合D2定律，与理论模型相一致；在强迫对流环境中，液滴的蒸发过程受到对流作用及表面张力的影响，蒸发速率加快；进一步对双液滴在静止、对流环境中的蒸发过程进行数值模拟研究。结果表明，液滴的间距、滴径对多个液滴的蒸发过程影响至关重要，液滴间距至少在两倍的液滴直径以上，相互之间的影响才可以近似忽略。通过本文研究，拓宽了SPH方法在蒸发相变领域的应用范围，研究结果也能够为进一步的燃烧问题研究奠定基础。     

离心力场对内燃波转子火焰传播特性的影响

为了揭示离心力对内燃波转子火焰传播特性的影响，建立了内燃波转子燃烧过程的简化模型，数值模拟了不同离心力场强度下波转子通道内的燃烧过程。研究结果表明，离心力只在一定范围内对火焰传播起到加速作用，且这种影响与预混气当量油气比Φ有关，当Φ=1.0时，作用范围为［0～250g］，在Φ=0.6，0.8时，作用范围为［0～700g］；离心力场对内燃波转子火焰传播特性的影响机制是导致火焰锋面变形，进而引起火焰传播速度变化。     

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析，以协同吸气式火箭发动机（SABRE 4）为研究对象，采用部件法建立了发动机稳态模型，计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究，得到了发动机的飞行包线。计算结果表明，在吸气式飞行弹道内，核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中，随着飞行马赫数增大，预冷器换热量不断增大，进入预燃室的氢流量减小，预燃室总温降低，HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比，空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷，可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制，发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。     

电帆推进在等离子体环境下推力影响因素分析和试验研究

为了分析电帆推力的影响因素，根据电帆推进原理设计了电帆地面模拟装置。首先分析了真空中带电导线和等离子作用机理，得出了电帆推力公式。利用朗缪尔探针测量了电帆模拟试验环境中等离子体参数，计算产生推力的大小，最后通过微推力测量系统测量电帆产生的推力，与计算结果进行了对比。根据推力公式和仿真结果表明，提高电压、增加带电粒子密度和速度、增加电帆长度均可增加推力。在试验中电帆上电压从300V增加到800V时，推力从9μN增加到26μN。仿真和试验结果表明，电压、带电粒子密度和速度、电帆导线长度都对推力有影响。根据试验结果，电帆推力公式的经验推力系数在1～2取值。     

放电室长径比对射频离子推力器影响的数值模拟研究

为获得推力器的性能与推力器工况之间的变化规律，利用等离子体密度平衡方程、中性气体密度平衡方程、中性气体功率平衡方程、电子功率平衡方程构成的全域模型对氙工质射频离子推力器开展了数值模拟研究。结果表明，放电室长径比（L/R）的改变引起放电室壁上消耗功率的变化，从而影响推力器的性能。在放电室体积和工质流率不变的情况下，放电室的开口面积越大，越有利于射频功率的转换和推力器性能的提升。此外，改变工质流率导致离子间碰撞平均自由程和碰撞频率发生变化，进而使推力器的射频功率转换效率、推力效率、推功比随工质流率的增加而增加，工质利用率随着工质流率的增加而减小。     

基于压缩感知的叶端定时信号参数辨识方法

叶端定时技术作为一种非接触式测量手段,在实际应用中的主要问题之一是测量信号欠采样。压缩感知方法是解决信号欠采样问题的有效手段,但由于求解过程中引入了正则化项,在提高稀疏度时,降低了幅值重构精度,而转子叶片振动幅值参数的准确辨识对于叶片动应力重构具有重要意义。将叶片振动方程设计矩阵与压缩感知字典相结合,在不依赖先验信息的条件下对叶片振动参数进行辨识。首先,根据振动方程设计矩阵形式及关注的最大振动频率,构造压缩感知字典;其次,通过叶端定时信号稀疏表示中的非零元素所在位置,从压缩感知字典中提取对应原子构成设计矩阵进而求得振动参数;接着,叶端定时（BTT）模拟仿真结果表明,所提方法可有效辨识叶片单模态、多模态振动参数;最后,开展旋转叶片振动测试试验,同时利用应变片和叶端定时系统采集振动信号,结果表明,与应变片测量结果相比,提出的方法振动频率辨识相对误差仅为0.14%;对比4个叶片的位移-应变传递比,其中偏离均值的最大百分比仅为2.15%。     

基于压缩感知的整体叶盘多模态振动叶尖定时信号重构方法

叶尖定时测量技术是近年来发展的一种非接触式旋转叶片振动监测方法,具有非入侵性的优点,但是该系统测得的振动信号通常是欠采样的。为了能够重构叶尖定时欠采样信号,本文根据压缩感知理论以及叶尖定时采样原理引入了叶尖同步振动信号稀疏模型以及叶尖振动信号重构方法。对整体叶盘有限元模型进行瞬态分析得到叶尖振动信号,使用优化的正交匹配追踪算法以及基追踪对欠采样信号进行重构并和传统方法进行对比。计算结果表明：在信噪比为30dB的噪声环境下,限制频域的正交匹配追踪算法(OMP-RFD)可以准确地识别出叶尖振动信号的主要频率成分。最后使用试验所获得的叶尖振动信号进行重构,验证了OMP-RFD算法有效性。综上可知：压缩感知方法可以很好地应用于叶尖定时测量装置中,能够使用较少传感器识别叶尖同步振动欠采样信号参数,有效提高噪声环境下识别高阶频率的成功率以及准确度。     

基于叶尖定时的航空发动机涡轮叶片振动测量

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统应用于涡轮转子叶片的技术瓶颈,突破高温传感器结构设计、安装以及冷却等技术难点,通过设置系统触发信号保持时间,解决H型涡轮转子叶片对叶尖定时信号的二次触发问题,并给出核心机状态下转速基准实现方法。将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片振动监测中,有效获取涡轮转子叶片共振时的振动频率和幅值,并与应变计测量叶根动应变结果进行比对。结果显示:基于叶尖定时的非接触振动测试系统和接触式动应力测试系统均可监测涡轮转子叶片振动,成功辨识转子叶片8 200 r/min时的12阶激励阶次激发的一弯振动模态,两种分析方法识别共振频率相对误差在4%以内。     

基于非接触式测量的旋转叶片动应变重构方法

基于叶端定时非接触式测量和振动响应传递比的概念,开展高速旋转叶片动应变重构方法的研究。在频域内推导了叶片任意测点位移与任意测点动应变的传递比,给出了单模态共振下响应传递比关于位移和应变模态振型的解析表达式;建立旋转叶片的三维(3D)有限元模型,开展考虑旋转预应力效应的叶片模态分析,提取位移和应变模态振型,获得任意转速下叶端位移与叶根关键点动应变的传递比。开展高速旋转叶片叶端定时非接触式测量实验,采用周向傅里叶算法对叶端定时信号进行处理,获得叶片在不同转速单模态共振下的叶端位移,结合响应传递比,重构5个旋转叶片的关键点动应变。结果表明:旋转叶片在9000r/min和13000r/min转速下发生1阶共振时,与应变片实测结果相比,叶根处应力最大点、次大点和边缘点3个关键点的动应变平均重构误差均小于15%,验证了旋转叶片动应变重构方法的有效性。     

航空发动机压气机静子通道压力信号时频特征

进行发动机整机试验,获取了压气机第一级静子通道内的压力信号.通过时频分析,从压力信号中辨识出了以550 Hz和2200 Hz为中心的时频结构;辨识出了压气机前3级转子叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号.同时,还观察到在试验发动机减速过程中,放气带打开前,压气机前3级转子的叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号幅度显著增强,这表明减速过程中压气机第一级转子尖区的流动分离逐渐趋于严重.因此,监控压气机静子通道压力信号时频特征的变化,可以获得特定的压气机转子的流场信息,从而为压气机稳定性控制提供重要依据.      

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。     

基于叶尖定时的航空发动机压气机叶片振动测量

基于叶尖定时的转子叶片非接触振动测试系统的基本原理和数据分析方法,将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片排故(改型)中,获取叶片共振时的振动频率和幅值,并通过有限元分析方法得到叶尖位移与关键点的位移-应力换算系数。依据反算的关键点动应力可实现(改型)前后转子叶片的高周疲劳寿命预测。某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片非接触振动测试结果显示:由于加工工艺原因导致原型叶片叶型厚度变大,引起叶片固有频率升高,转子叶片在发动机工作转速范围内发生3阶激励激起的一弯振动,导致叶片发生故障。改进加工工艺后,非接触振动测试系统结果显示叶片振动状态较好。      

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

喘振状态下叶片振动响应的试验研究

在某单级轴流压气机试验台上,进行了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的试验研究,利用电阻应变片、动态压力传感器、滑环式引电器和磁带记录仪等,录取叶片振动应变和动叶出口压力信号,然后回放磁带,做信号处理,在对时域和频域数据分析的基础上,论述了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的特征。     

涡轮3 维叶尖间隙对典型故障特征的响应特性分析

为了有效地克服传统叶尖间隙在航空发动机涡轮叶盘的健康监测中传递信息能力有限的不足,充分考虑了在航空发动机运行过程中涡轮叶片叶尖的3维特征,提出包含径向间隙、叶片叶尖端面轴向偏转角和周向偏转角在内的涡轮3维叶尖间隙的概念,并将3维叶尖间隙特征参量作为叶片故障信号载体,通过有限元方法分析了3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片典型裂纹故障的响应特性。结果表明:3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片尾缘裂纹的故障特征信息有良好的反映效果。