发动机地面起动供油边界探索方法

<正>航空燃气涡轮发动机起动是一个复杂的非线性过程,影响因素众多。起动性能受两方面因素制约:一是要获得满足要求的起动时间,即加速性好;二是要保证发动机不超温、不失速、不喘振。前者需要尽可能提高起动供油量,提高涡轮前温度,但不得超过限制值,以获取较高的剩余功率;后者需要尽可能降低起动供油规律,避免涡轮后温度太高或压气机工作不稳定。为此,要求起动供油规律不能太高或太低,应限制供油规律的上下边界。     

TB2-117A型发动机喘振停车故障分析及排除

喘振是燃气涡轮发动机压气机一种不正常的工作现象,也是燃气涡轮发动机的特有故障。发动机喘振时,不但性能变差,还会引起自动停车。如果处置不当,使发动机在喘振工作条件下时间稍长,压气机、涡轮等部件就会因高温和振动而严重损坏。研究压气机喘振的目的是要弄清喘振的原因和条件,制定预防措施,以便正确使用与维护。一、故障现象     

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.     

航空燃气涡轮发动机起动性能分析

快速、可靠的起动能力是航空燃气涡轮发动机的最重要的特性之一,影响其起动的因素多而复杂,而航空燃气涡轮发动机宽广的工作范围又给起动控制系统的设计带来了困难。本文根据某型航空燃气涡轮发动机起动试验过程中的情况,通过数字仿真和试验数据,综合分析了影响起动性能的各种因素。      

喘振载荷作用下转子系统瞬态响应研究

通过对发动机喘振载荷的空间域和时域分布的分析,提出非对称旋转失速团可产生的径向激振力,使转子系统发生横向振动。发展了利用压力脉动数据判定横向旋转气动载荷的处理方法,对燃气涡轮发动机在喘振载荷作用下转子系统的瞬态响应进行了计算分析。计算结果表明,在由喘振引起的气动载荷上转子系统会产生强迫振动和自由衰减振动相交替的低频周期振动。     

WZ-5发动机改装高温涡轮的试验研究及分析

WZ- 5发动机改装 WJ5A- 1发动机的高温涡轮,在工程上单台发动机总寿命已安全运行达 10 0 0 0 h,现已证明 :结构设计及改进是成功的;WJ5A- 1发动机的前二级燃气涡轮与压气机基本上是匹配的;燃气涡轮第一级导向器与动力涡轮导向器面积调整是合理的;在相对换算转速为0.95时,其喘振裕度与 WZ- 5发动机基本上一样;动力涡轮导向器面积总共放大了 5.32 %,对燃气涡轮特性没有带来很大影响。      

某型燃气涡轮起动机空中起动调整试验

利用某型燃气涡轮起动机进行空中辅助起动发动机试验,以期突破其仅用于地面起动发动机的限制,扩展起动机及发动机的起动包线.试验中通过对起动机供油规律的不同方式调整,获得了一定的起动机空中起动调整规律,并保证了该型起动机在5 km及以下高度成功起动.本文的研究工作对于起动机设计、试验及发动机空中起动研究具有一定的工程实用价值.     

采用弯扭导向器改型涡轮级提高发动机性能的三维粘性流场的数值研究

对某型涡喷发动机涡轮级导向器进行了全三维弯扭设计以后,在保证涡轮前总温、总压和燃气流量的前提下,合理调整尾喷管面积,提高涡轮后背压,保证在设计转速下涡轮输出功与原型涡轮级相同,从而保证了压气机的设计点和喘振裕度,同时提高了发动机推力。带来这样效果的原因是弯扭导向器使涡轮级的效率提高,导致涡轮出口总压的提高。本文对改型和原型涡轮级进行了全三维粘性数值模拟和气动分析。      

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。     

某型涡扇发动机起动和加速过程数值模拟

借助国内外涡扇发动机过渡态数值模拟研究的最新成果,开展了某型涡扇发动机起动加速过程的数值模拟研究。首先参照风机和泵类机械低转速部件特性相似理论,结合指数外插法,成功地发展了航空燃气涡轮发动机低转速部件特性扩展方法和计算程序;其次,基于燃气涡轮发动机部件匹配原理,写出描述部件内动态流动过程的三个基本方程：动量守恒方程（功率平衡方程）、流量连续方程和能量守恒方程;最后发展了具有一定计算精度的涡扇发动机起动加速过程的数值计算模型和程序,对某型涡扇发动机的起动和加速过程进行了数值分析,并与试验数据进行了对比分析。结果表明,给出的数值计算结果与试验数据具有较好的一致性,表明发展的模拟涡扇发动机起动加速过程的数学模型和程序是合理的。     

涡扇发动机消喘系统设计与试验研究

在某型涡扇发动机气动失稳特征的基础上,建立了航空发动机失速/喘振特征工程数学模型,研制出发动机消喘系统数字仿真平台,完成了消喘系统的方案优化设计,并在地面台架和飞行台试验中得到了验证。其气动失稳工程数学模型、数字仿真优化设计技术和试验验证方法可广泛应用于航空发动机、地面和舰船燃气轮机、以及其它民用叶轮机械气动失稳测控设计领域,同时也为制定航空发动机消喘系统设计规范奠定了坚实的技术基础。     

飞行模拟机的某型涡扇发动机起动模型

为了建立适用于飞行模拟机的发动机起动模型,对涡扇类发动机起动过程的建模和仿真方法进行了研究,提出了飞行模拟机起动模型的建模基本原则,以此为指导,基于部件级建模方法建立了主导发动机正常起动动态性能的主要特性模型,并通过构建故障因子建立了典型故障模型,实现了发动机正常起动和起动过程中的故障模拟.正常起动仿真和故障仿真结果与测试数据的对比表明,所建立的正常起动模型正确地反映了发动机在各起动阶段的加速性能,故障模型很好的再现了故障逻辑和故障效应,满足了用于飞行模拟机的发动机起动仿真要求.      

飞行模拟机的某型涡扇发动机起动模型研究

为了建立适用于飞行模拟机的发动机起动模型,对涡扇类发动机起动过程的建模和仿真方法进行了研究,提出了飞行模拟机起动模型的建模基本原则,以此为指导,基于部件级建模方法建立了主导发动机正常起动动态性能的主要特性模型,并通过构建故障因子建立了典型故障模型,实现了发动机正常起动和起动过程中的故障模拟。正常起动仿真和故障仿真结果与测试数据的对比表明,所建立的正常起动模型正确地反映了发动机在各起动阶段的加速性能,故障模型很好的再现了故障逻辑和故障效应,满足了用于飞行模拟机的发动机起动仿真要求。     

涡扇发动机整机环境下风扇部件气动稳定性评定方法

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的耦合, 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, 计算比较了均匀进气和畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇部件稳定工作边界的异同, 从计算结果可以看到, 均匀进气条件下, 在发动机环境下和单独部件环境下所得到的风扇部件稳定工作边界变化不大;而畸变进气条件下, 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.      

加力式双转子混合排气涡扇发动机全状态数学建模技术

根据部件法建立了加力式双转子混合排气涡扇发动机全包线稳态数学模型.基于该模型,利用容积动力学原理,建立了起动数学模型.将该原理扩展到慢车状态以上,建立了包括起动、加减速、开关加力、停车等完整过程的全状态动态数学模型.以此为基础,给出了加力式双转子混合排气涡扇发动机在飞行包线内的高度特性.根据加力式双转子混合排气涡扇发动机原理,设计了简单的起动调节规律、加减速调节规律、加力调节规律及停车调节规律;计算了海平面标准大气条件下的从起动、加减速、开关加力、停车的完整动态过程.理论分析与仿真结果表明:该建模方法能够正确完成加力式双转子混合排气涡扇发动机的全包线的稳态计算和全状态动态计算,准确反映了该发动机在整个飞行包线内的全部工作过程.      

可变喷管涡扇发动机加速性和稳定性预测

为研究可变喷管调节规律对涡扇发动机加速性和稳定性的影响，基于某型涡扇发动机变几何部件特性，应用变比热容方法建立了发动机加速动态仿真模型，针对不同的喷管调节方案对发动机加速性和稳定性进行了计算和综合分析，结果表明，所建立的仿真模型不仅可用于可变喷管涡扇发动机加速过程的加速性及稳定性预测，也可用于可变喷管涡扇发动机加速过程喷管调节规律的优化设计。     

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。      

涡扇发动机起动控制规律设计的功率提取法

根据涡轮发动机加减速控制规律设计的功率提取法原理,结合低转速部件特性预测方法,建立了用于双轴分排涡扇发动机起动控制规律研究设计的功率提取法模型,并编制了相应的计算程序。利用程序设计了某型双轴分排涡扇发动机单一状态和起动包线内的起动控制规律,并进行了相应的分析。计算结果表明,功率提取法能够应用于涡扇发动机起动控制规律的设计,并具有较高的计算精度。     

民用涡扇发动机起动过程改进的分段组合控制计划研究与试验

针对某型民用涡扇发动机,将n-dot闭环控制算法应用于涡扇发动机起动过程,设计了涡扇发动机起动过程开环与闭环分段组合的控制计划,仿真表明:涡扇发动机起动过程采用n-dot闭环控制算法在初始阶段会出现参数摆动的情况.为此,基于油气比作控制变量进行消喘的原理,对n-dot闭环控制算法进行了改进,以消除起动初始阶段的参数摆动.试验结果表明:改进后的分段组合的控制计划能够有效抑制参数摆动现象;并且,对于不同大气条件的起动测试,起动过渡态过程高压转子转速的数值差距不大于1.0%,延时不超过0.9s;而对于不同飞行状态的起动测试,起动过渡态过程高压转子转速的数值差距不大于1.0%,延时不超过1.2s,具有良好的稳定性和重复性.