发动机空气系统气源引气的研究进展

空气系统对航空燃气涡轮发动机的安全和有效工作起着非常重要的作用。空气系统从压气机中引气,改变了压气机内部的流动,与压气机的气动性能有着密切的联系。随着飞机功能和外部环境的复杂多样以及发动机涡轮前温度的提高,空气系统的气流量不断增大。特殊的弓l气位置和不断增大的引气量使得空气系统引气对压气机气动性能的影响逐渐凸显。本文对空气系统各功能气源引气的特点进行深入分析,综述压气机中间级引气的国内外研究进展,展望空气系统气源引气研究的发展趋势和应用前景。     

基于Simulink仿真的电动压气机驱动增压引气系统研究

阐述了电动压气机驱动增压引气系统的工作原理,依据其工作原理建立了电动压气驱动增压引气系统的数学模型,采用Simulink仿真了该系统压缩机的实际耗功,进而计算了在相同使用情况下的发动机直接引气和电动引气压缩机的燃油代偿损失情况,计算结果表明环控系统采用电动压气机驱动增压引气较发动机直接引气可以减少发动机推力的损失,降低油耗。     

级间引气对多级轴流压气机性能和流场影响的低速实验研究

基于北航四级低速大尺寸压气机试验台,在二级静子出口进行周向槽引气,采用分别保持引气位置上游流量不变和引气位置下游流量不变两种比较方式,针对不同引气流量大小对压气机性能和内部流场的影响进行了实验研究。结果表明,级间引气会影响压气机压升特性和失速裕度,影响程度与引气量大小有关。级间引气对引气位置上游转子流场的影响表现在上游压气机工况的变化上,上游转子流场的展向分配并不受到引气的影响。引气位置下游受到引气和上游压气机工况变化的共同影响,且引气量越大,影响程度越大。此外,级间引气可以改善下游叶片叶尖区域的流动环境,增强叶尖处流通能力,提高下游压气机失速裕度。     

高负荷多级轴流压气机级间引气数值模拟

采用数值模拟的方法,以一台高负荷8级轴流压气机为研究对象,研究了级间引气对压气机总体性能、内部流场和级间匹配特性的影响.结果表明:级间引气可以显著提高压气机的总体性能,引气使得压气机进口流量增加近1%,最高效率提高约1.5%;引气会使引气位置处的压力降低,气流密度减小,从而使得引气位置上游的流量增加,转子最大载荷位置向下游移动,引气位置下游的流量减小,而转子最大负荷位置基本保持不变;引气还会使引气位置上下游各级的工作点位置发生变化,改变压气机的级间匹配特性.同时静子尾部机匣处引气还会使引气位置下游机匣处的附面层厚度减小,改变下游转子的进口条件.      

带增压压气机的小型脉冲爆震涡轴发动机性能分析

为了解决小型涡轴发动机采用脉冲爆震燃烧室代替主燃烧室时,由于脉冲爆震燃烧室的增压作用,无法从压气机出口引气对燃气涡轮冷却、封严的问题,提出了一种带增压压气机的脉冲爆震涡轴发动机(PDTSE)构型,并建立了相应的性能分析方法。对常规涡轴发动机与带增压压气机的PDTSE性能进行对比研究,计算结果表明：与常规涡轴发动机相比,带增压压气机PDTSE性能具有较大优势;在整个设计域内,综合考虑性能指标和设计难度,在循环最优处,带增压压气机的PDTSE相比普通涡轴的热循环效率高14.5%,耗油率低9.7%,单位功率高27%。     

级间引气条件下轴流压气机特性预测方法

为了确定级间引气对多级轴流压气机特性的影响，便于在燃气轮机整体性能分析时简化引气模型，开展级间引气条件 下轴流压气机特性预测方法研究，通过级间匹配模型求解引气位置压力、温度和引气位置上下游的特性，根据引气后的上下游重 新匹配确定受引气影响的压气机特性线。结果表明：对5级压气机在换算转速为1.0、0.7和0.5倍设计转速情况下分别进行了预 测，得到的特性线与压气机原特性线相比有明显变化。在压比-流量特性图中，引气后的等换算转速线整体位于原特性线之上，压气 机压比提高，在小流量时提高较小，在大流量时提高较大，并且提高效果随引气流量增加逐渐明显；在效率-流量特性图中，引气后的 等换算转速线与原特性线交于一点，在该点左侧效率因引气而降低并随着引气流量增大而进一步降低，在该点右侧则刚好相反。采 用此5级压气机的抽放气特性对性能预测模型进行了验证，引气位置总温的相对误差不超过1%，总压的相对误差不超过2%。     

轻型航空发动机二级涡轮增压匹配模拟研究

为了使现有轻型航空发动机在10km高空保持原有动力性不变,需要采用二级涡轮增压保持不同海拔高度的进气密度。对原发动机在一级增压的基础上进行二级增压匹配。这里采用AVL Boost软件建模,根据实验校验一级增压模型,然后建立二级增压模型。考虑小型离心式压气机高海拔工作特性受雷诺数影响,确定了压气机匹配工作点。计算表明,匹配方案可行,原发动机满足飞行设计要求。     

引气对燃烧室性能影响的试验研究

本主要叙述引气对燃烧室性能影响的试验研究结果，主要目的是初步探索涡轮冷却用气的引气方式及引气量大小对燃烧室性能的影响。试验证明，在燃烧室进气压力为3．5×10^5Pa,温度为623K，变油气比的情况下，当单边引气量＜1％时，对燃烧室的性能基本上无影响，当单边引量＞4％时，对燃烧室的性能有一定影响。     

空气系统对核心机性能敏感性的影响

为了确定空气系统不同位置引气量对核心机性能的影响，给总体性能和空气系统设计提供依据，以某型核心机设计过 程为例，将空气系统设计迭代到总体性能设计中，研究了空气系统对核心机性能和部件特性的影响，并开展了空气系统对核心机 性能的敏感性分析。结果表明：每个引气位置引气量的增加均会导致燃烧室出口温度的升高，其中用于涡轮转子冷却的引气对燃 烧室出口温度的影响最大，其次为第5级压气机引气，再次为用于涡轮导向器冷却的引气，影响最小的为用于涡轮后机匣冷却的 引气。将空气系统设计结果迭代到核心机性能模型中，迭代后的压气机和涡轮工作特性发生了变化，压气机共同工作线受引气量 增加的影响稍微下移，涡轮落压比由于燃烧室出口温度的升高而减小。     

引气冷却模型对涡轴发动机总体性能的影响研究

随着现代涡轴发动机性能的不断提高,其热力循环参数和引气量显著增加。针对这一问题,建立考虑压气机引气位置可变和涡轮中冷却气参与做功的涡轴发动机性能计算模型。当压气机引气位置变化时,采用流量平衡和功率平衡同时修正法计算发动机性能;涡轮冷却计算模型则考虑了第一级导向器叶片冷却气的做功。与传统涡轴发动机性能计算模型的计算结果对比表明:本文的计算模型能够合理反映引气量和引气位置对发动机特性的影响,更接近发动机的真实物理过程,可为发动机空气系统设计提供输入。     

压气机放气对核心机起动性能的影响研究

为了研究压气机放气对核心机起动性能的影响,本文利用十级轴流高压压气机的放气专项试验结果分析了放气对压气机中低转速性能的影响,基于大涵道比涡扇发动机的核心机性能模型分析了放气量和放气位置对核心机性能的影响,最后开展了三种不同放气规律的核心机起动试验。结果表明：合理的设置放气方案,可以优化压气机前后级流动匹配,有效降低核心机试验中压气机的共同工作线,改善核心机的起动性能。     

旁路放气循环高速单轴涡喷发动机安装性能模拟

针对Ma3.5旁路放气循环单轴涡喷发动机,提出一种压气机旁路放气计算方法,建立基于进/排气系统特性数据库的涡轮发动机安装性能计算模型,分析压气机旁路放气对压气机共同工作线和发动机高空高速推力性能的影响,给出压气机旁路放气量的调节原则,计算发动机安装性能、进/排气安装阻力沿飞行轨迹的变化规律。计算结果表明:当飞行马赫数大于2.3后需打开压气机旁路放气,旁路放气阀门面积和放气流量均随着飞行马赫数的增大基本呈线性增大趋势;通过压气机旁路放气,可显著改善单轴涡喷发动机在高空高速飞行条件下的稳定性和安装推力性能,在飞行马赫数3.0附近,可实现安装推力提高30%以上;在跨声速至飞行马赫数2.0区间内,推力安装损失最大,约为非安装推力的25%～30%。     

某大型国产客机发动机空中测试平台引气模拟系统设计

发动机空中测试平台中的引气模拟系统是国产大型客机进行适航验证的关键试验系统,由于在实际中无法建立完整的用气系统实物模型,如何准确复现真实引气工况中关键参数的动态变化过程,已成为国产大型客机引气模拟系统设计中的瓶颈。利用孔板限流方法,开发引气系统控制器,设计和研制一套发动机空中测试平台引气模拟系统;利用地面台架试验进行引气模拟系统验证,并与真实飞机数据进行对比。结果表明：测试发动机的引气模拟系统具有和某大型客机引气系统相同的引气特性,满足大型客机发动机 CCAR33 部取证的引气模拟需求,实现了对发动机引气温度、压力和流量进行调节和监控。     

压气机引气系统典型减涡器减阻特性对比分析

为对用于压气机引气系统的典型减涡器结构的减阻特性进行对比,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对带三种典型减涡器的径向内流共转盘腔模型开展研究,并与无减涡器共转盘腔基准模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,分析了各模型流场结构、速度分布、哥氏力分布和压力损失特性,对典型减涡器的减阻特性有了更深入的认识。结果表明：虽然三种典型减涡器结构差异较大,通过布置不同结构的减涡器,降低或抑制了共转盘腔内旋流比的增长速度和幅度,显著降低了压气机引气系统径向内流共转盘腔的压力损失,获得相近的减阻效果。与基准模型相比,在计算模型进出口截面间,去旋喷嘴式减涡器模型压力损失降低了73.4%;管式减涡器模型压力损失降低了80.7%,翅片式减涡器模型压力损失降低了84.5%。     

轴流压气机近失速状态叶片通过频率特性研究

为研究压气机转子叶片通过频率特性与压气机气动稳定性之间的内在联系，对某型单轴涡喷发动机的轴流式压气机静子机匣壁面静压信号进行了时频分析。结果表明，发动机运行过程中压气机叶片通过频率特性的变化可以反映特定的压气机级的流态变化。在中小转速的工况下，随着发动机工作点逐渐靠向喘振边界，机匣壁面静压信号中压气机第1级至第3级转子的叶片通过频率信号逐渐增强。与设计点相比，在近失速边界的工况下，压气机第1级转子叶片通过频率幅度增强达10dB以上。此外，在中低转速范围内打开放气带后，压气机前面级转子叶片通过频率幅度显著减小，与流场的变化情况相一致。因此，轴流压气机转子叶片通过频率特性可以提供压气机气动稳定工作状况的重要信息。     

核心机及其派生发动机发展的方法研究

核心机及其派生发动机发展的方法研究表明，可通过增大空气流量和增大核心机循环功来实现发动机推力增大，但这需要在发动机设计中事先考虑工作转速、流通能力和叶轮机功率等的储备。在核心机基础上进行发动机系列化发展，原则上可采用保持高压压气机设计换算转速不变、或保持最高燃气温度不变的技术措施，但在实际应用中上述两种方法都采用。因此，在核心机及基本发动机研制中．既要有燃气温度和转速的储备，又要有高压压气机性能的储备。由于使用要求不同，在核心机基础上研制大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的技术途径是不同的。     

核心机及其派生发动机发展的方法

核心机及其派生发动机发展的方法研究表明,可以通过增大空气流量和增大核心机的循环功来实现发动机推力增大,但需要在发动机设计中事先考虑工作转速、流通能力和叶轮机功率等储备。在核心机基础上进行发动机系列化发展,原则上可以采用保持高压压气机设计换算转速不变,或者保持最高燃气温度不变的技术措施,实际应用中上述两种方法都采用。因此,在核心机及基本发动机研制中,既要有燃气温度和转速的储备,又要有高压压气机性能的储备。但是,在核心机基础上研制大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的技术途径是不同的。