航空活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究

针对高空长航时无人机的动力性和安全性要求,首先应用MATLAB/Simulink对某型一级航空活塞发动机涡轮增压系统建立联合仿真模型.模型主要分为四部分:涡轮增压器模型、发动机平均值模型、中冷器模型和废气阀模型,并根据实验数据对仿真结果进行了校核,确保模型的可行性.在此基础上从整个系统的角度出发研究活塞发动机涡轮增压系统的安全边界,通过发动机级的安全边界要求给出增压器级的安全要求,同时分析主要参数对系统安全性的影响.最后,建立基于安全边界的废气阀的调节规律,使整个活塞发动机涡轮增压系统运行在安全边界之内.结果表明:基于模型的活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究方法给可以给出系统安全运行边界,同时可以在保证安全的前提下为下一步改善发动机涡轮增压系统的性能提供依据,进一步在设计阶段确保系统的安全性.      

基于模型的废气涡轮增压与发动机匹配

根据发动机工作过程模拟计算原理,采用GT-POWER软件对一级增压活塞式航空发动机建立涡轮增压器与发动机的仿真模型,并通过发动机实验数据验证了模型的准确性。按照高空环境条件对发动机提出的功率恢复的特殊要求,研究不同海拔高度下发动机与增压器的匹配规律,给出废气阀对增压系统的调节规律。分析结果表明,该仿真模型具有可信性且涡轮增压器的选型满足安全设计及匹配要求。     

柴油机两级VNT混联系统整机效率优化

为提高柴油机的余热回收利用率,提出一种基于可变喷嘴环式涡轮VNT（variable nozzle turbine）技术的两级涡轮混联系统。该系统根据柴油机运行工况,通过控制阀门的开闭来实现混联系统中串联工作模式和并联工作模式的转换。以涡轮的有效直径为参数来表征涡轮的流通能力,利用GT-Power仿真平台研究了两种工作模式下增压涡轮和动力涡轮的流通能力对发动机功率、动力涡轮功率及涡轮增压器性能的影响规律;提出了增压涡轮、动力涡轮与发动机的匹配策略;以系统整机效率最优为目标,针对柴油机不同运行工况进行混联方式的优化控制。结果表明:针对柴油机的不同运行工况,通过两级VNT复合系统混联优化运行方案,能够有效回收柴油机废气能量,额定工况下系统整机效率提高5.1%。      

双级涡轮增压活塞发动机螺旋桨推进系统部件法数学模型与飞行特性分析

对适用于高度为10~20km的中速、低速多用途飞行器的双级涡轮增压活塞发动机螺旋桨推进系统的特性计算方法进行了研究.引用涡轮发动机的部件法,建立基于各部件特性的代数数学模型,推进系统各部件工作点则由Newton法求解系统联合工作方程组得到.给出了方程组中的活塞发动机功率保持工作条件及增压器与活塞发动机联合工作条件,分析了推进系统功率保持工况和减功率工况的调节规律,及其对涡轮增压器工作线的影响.分析了推进系统总体及各部件的高度-速度特性.研究表明:该特性计算方法收敛快,一个工况点一般迭代5~6次即可;两个燃气旁通阀的调节规律不但可以满足推进系统的设计目标,同时还可对增压器工作点进行有效的优化调节;该特性计算方法可直接推广到更复杂的多级涡轮增压系统中.      

星型航空活塞发动机增压匹配及控制参数研究

针对某星型航空活塞发动机在高海拔地区的功率衰减问题，开展增压匹配及控制策略研究。利用GT-Power建立星型发动机的性能匹配仿真模型，并通过试验对仿真模型进行了校核；在此基础上匹配了涡轮增压器，建立增压发动机模型。进行了0～8km不同飞行高度条件下的增压匹配与发动机功率随海拔高度的匹配计算；根据计算结果设计了废气旁通阀开度控制策略并得到了喷油点火控制参数的影响规律。研究结果表明：为星型活塞发动机所匹配的废气涡轮增压系统，可使发动机在8km海拔高度时功率恢复到地面功率的83%，较原机8km海拔高度功率提升了90%，可很好满足飞机对发动机高空功率恢复需求。     

航空活塞发动机两级增压匹配方法

通过对某单级增压活塞发动机的研究,将两级增压应用于该机型,采用压气机串联、涡轮并联的布置方案,并用GT-Power对发动机进行建模.按等流量模式对两级涡轮增压进行匹配,并对地面至高空10km飞机全飞行高度的运行工况进行了预测.对废气放气阀调节流量进行了计算.结果显示涡轮和压气机在全高度都运行在高效率区内,为两级增压系统的研制提供了良好的基础.      

利用涡轮增压技术 提高航空发动机性能

利用涡轮增压技术,能有效提高航空发动机的性能。本文简要介绍美国热力学系统(TMS)公司开发的三级涡轮增压器系统的设计、高空模拟试验和飞行试验等。     

船用柴油机涡轮增压技术发展现状

涡轮增压是提升船用柴油机燃油经济性、排放性及动力性的核心关键技术。船舶动力排放与燃油经济性法规日趋严格、智能化发展趋势日趋明显,推动船用柴油机涡轮增压技术向高增压、高效率、柔性化和电动化等方向快速发展。本文分别从涡轮增压系统与涡轮增压器部件角度,对国内外主要船用柴油机增压技术的基本原理、主要特性、应用机型等内容进行了详细阐述,重点分析两级涡轮增压、相继增压、可变涡轮增压和机电负荷涡轮增压等增压系统技术,以及高效宽域涡轮增压部件技术,展望了船用柴油机增压技术发展趋势。     

航空活塞发动机串联二级增压压比分配研究

针对某款航空活塞发动机建立仿真建模,并通过实验验证了模型的准确性和适用性;根据匹配要求,进行了增压器选型分析。考虑不同飞行高度中冷器效率和各部分流动阻力变化的前提下,以增压压气机耗功最小为优化目标研究了在全飞行高度运行工况下不同压比分配对发动机增压性能的影响,探究了最适压比分配规律,以此为依据总结出一套基于实验制定二级增压压比分配方案的方法,使二级增压器能全工况运行在高效率区且保持7%以上安全裕度,为基于安全性的二级涡轮增压航空活塞发动机的研制奠定了基础。      

航空涡扇发动机涡轮噪声适航性评估

通过对涡轮噪声产生机理和主要影响因素的分析研究,建立航空涡扇发动机涡轮噪声级评估模型，编写了涡轮噪声级适航评估软件,使用该软件对比模型评估噪声与涡轮静态实验噪声,验证了模型的正确性,并结合某型发动机静态实验噪声数据和飞机噪声适航规章,对该型涡轮不同阶段的噪声进行适航性评估.结果显示:涡轮噪声在该型发动机进近转速下对发动机总噪声贡献量大,为了使涡轮噪声不影响发动机适航认证,该型发动机低压涡轮叶片数应小于50或者大于100,低压涡轮叶片直径应该小于0.9m.      

离心压气机流动控制机匣新型处理方式研究

为了提高某带小叶片离心压气机的稳定裕度,采用了新型的机匣处理方式,对机匣处理前后的压气机流场进行了数值模拟分析。计算结果表明:(1)在机匣处理后,离心压气机稳定特性得到一定的改善,失速点向小流量方向拓展,压气机流量裕度在100%设计转速下提高了3.5%,在90%设计转速下提高了2.5%;(2)在机匣处理后,相同流量下的压气机压比特性和效率特性都有一定程度的损失,流量在100%设计转速下小于2.15kg/s,在90%设计转速下小于2.00kg/s时,最大效率分别下降了约1.7%和约2.5%。     

自适应处理机匣在多级轴流压气机中的应用

设计了一种环腔导流片式自适应处理机匣,采用定常数值方法研究了不同导流片形式对亚声多级轴流压气机流场的影响。结果表明:导流片与转子弦向垂直时的处理机匣减弱了叶尖前缘溢流强度,抑制了间隙泄漏流发展,提高了转子叶尖通道的流通能力,使得压气机在0.8倍设计转速以上特性基本保持不变的同时,大幅度提高了低转速的稳定裕度,其中0.7倍设计转速时近失速点总压比增大10.2%,近失速流量拓宽8.5%,体现出较好的自适应扩稳能力。      

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

离心压气机自循环预旋喷气机匣处理的设计和验证

采用一种预旋喷气机匣处理提高离心压气机特定转速范围内的稳定裕度.通过引气加大离心叶轮进口基元级流量降低通道堵塞,并借助回流预旋喷气改变前缘攻角抑制叶背分离是该机匣处理扩稳的主要机理.基于这样的认识,对机匣处理做了几何参数设计研究,发现轴向搭接位置、搭接长度和开槽角度是影响机匣处理性能的3个主要参数.通过几何参数的合理选取,在尽量提高80%设计转速稳定裕度的同时兼顾100%设计转速的效率.压气机部件性能试验验证了该设计方法的有效性,并观测到在低转速时,机匣处理可以同时提高稳定裕度和效率.      

驻室式处理机匣——内部流动及扩稳机理的数值研究

通过定常模拟的方法,研究了驻室式处理机匣对高负荷、高马赫数孤立转子性能的影响.结果表明:相同的处理机匣结构在不同的转速下取得的效果存在较大差异,在设计转速时,处理机匣并没有使风扇转子的失速裕度得到改善,并且效率下降约2.8%;在非设计转速时,处理机匣扩稳作用得到充分体现,转子稳定性得到较大程度的加强,并且没有导致转子性能的下降.通过对处理机匣内部流场的详细分析,揭示了驻室式处理机匣的扩稳机理.      

处理机匣激励频率对跨声速压气机性能的影响

通过改变处理机匣槽数来改变处理机匣对压气机内部流场的非定常激励频率,对4种激励频率下压气机性能进行了测试。实验结果表明,处理机匣槽数对应的非定常激励频率是影响压气机性能的关键因素之一。通过优化处理机匣对压气机非定常激励的频率,压气机性能可以得到全面提升:对于实验用跨声速压气机,在近设计转速下峰值效率、综合裕度和最大流量分别提高0.17%,19.86%和0.81%,而在低转速下这三个增量最大分别可达到1.13%,57.84%和1.57%。     

非定常机匣处理扩大压气机稳定裕度实验

从非定常角度出发,设计了一种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的非定常处理机匣,并对其开展扩大轴流风扇/压气机旋转失速稳定性的实验研究.研究工作包括:对非定常处理机匣进行流量-压比特性实验,研究其扩稳效果;对处理机匣的结构参数(斜槽、气室)进行可调节特性实验;对机匣处理的效率特性进行实验评估.结果表明:这种非定常机匣处理在三台低速风扇/压气机实验台上,通过调节机匣参数,不仅能够实现在不同的工作转速下对压气机稳定裕度有显著效果,而且效率没有明显改变.      

部分处理机匣的性能预估模型

利用进气畸变平行压气机理论划分子压气机的思想，将部分处理机匣压气机沿周向分为处理机匣子压气机和实壁机匣子压气机，再由动量守恒和能量守恒求得部分处理机匣压气机出口参数，并依据失速点流量与处理区周向角度呈线性关系的实验结论提出部分处理机匣性能预估模型假设.模型预估与实验对比结果表明:预估特性与实验特性曲线在整体趋势上一致.跨声速条件下98%设计转速峰值效率预估偏差小于0.5%，综合裕度预估偏差小于0.6%.      

轴向槽机匣处理提高离心压气机失速裕度的数值研究

为了提高-离心压气机设计转速下失速裕度,本文采用了轴向槽机匣处理方案,对实壁机匣和处理机匣压气机流场进行了数值模拟分析.计算结果表明:(1)轴向槽机匣处理可以使离心压气机失速裕度提高12%,但同时也带了损失,压气机峰值效率损失了约3%;(2)轴向槽机匣处理改善了压气机尖部流场结构,抑制了由间隙泄露涡引起的主流通道阻塞,这是压气机失速裕度提高的主要原因.     

圆弧斜槽处理机匣的实验研究

在一台轮毂比为0.49的低速单转子轴流风机上,开展了圆弧斜槽处理机匣的实验研究,以便了解它对风机失速裕度和工作效率的影响,并在此基础上,借助转子进、出口三维流场的测量结果,研究该处理机匣的扩稳机理。另外,通过实壁机匣、轴向斜槽处理机匣的性能及流场测量,对不同处理机匣的作用效果和作用方式进行研究。研究结果表明,圆弧斜槽处理机匣的最大扩稳能力能使该风机的失速裕度较之实壁机匣提高27%,并且在峰值效率上有1%左右的提高。