基金成果简讯

温度压力组合畸变试验和评定方法【项目编号】2003ZI24001【项目负责人】叶巍【依托单位】中国燃气涡轮研究院完成情况简介:本项目研究了温度压力不同方位对临界温升与压力畸变指数的相关性。建立了发动机稳定裕度损失与压力温度畸变的相关方程。摸清温度和压力组合畸变对发动机稳定性影响的机理和在发动机系统中的发展特征,可定量地评定进气畸变影响     

发动机稳定性评定方法和试验

介绍了英，美国俄罗斯的航空发动机稳定性评定方法的评定试验，着重介绍了典型的压力畸变试验和温度畸变试验，分析了这两种稳定性评定方法和特点。最后简要介绍了我国航空发动机稳定评定的发展状态，提出了当前迫切需要解决的问题。     

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。     

涡轴发动机稳定性实验研究

为了评定涡轴发动机的稳定性,采用了可移动插板式压力畸变发生器评定方法对其稳定性进行评定,通过分析喘振时的压力信号,得到了临界状态下的各种参数和临界畸变指数,在此基础上间接地比较了四台发动机的稳定性的好坏,并且发现该发动机由于离心压气机首先失稳从而引起发动机喘振,且低转速下对喘振的容忍能力要高于高转速状态,这些结论可以作为该型涡轴发动机改进和设计使用的参考依据.     

航空发动机进气总压畸变地面试验数据处理方法综述

在航空发动机进气总压畸变试验研究中,带有畸变发生器的地面模拟试验在发动机稳定性评定中具有重要作用。试验中通常采用多孔探针/探针梳/探针耙/PIV等测试方法对AIP及其他截面的流场参数进行测试。为了准确描述进气总压畸变的稳/动态特性,需要采用合适的数据处理方法对试验数据进行分析。基于国内外关于进气总压畸变地面模拟试验数据处理方法的研究现状,总结了试验中涉及的相关数据处理方法,分析了不同畸变指标、稳定性评定参数的特点,总结了滤波截止频率选取的方法及原则、相似原理在缩比模型试验中的应用以及总压畸变图谱的类型,对比分析了功率谱密度函数、相关性分析、幅值概率密度函数、小波分析、神经网络、POD分析及DMD分析等统计分析方法的应用特点。最后对航空发动机进气总压畸变地面试验数据处理方法的发展趋势进行了展望。     

俄罗斯的发动机进口流场畸变评定指南

以俄罗斯的《航空动力装置稳定裕度的检查与选择指南》为纲，概要地介绍了在进口总压畸变条件下，动力装置循环寿命期的各个阶段的稳定裕度检查方法：具体阐述了发动机进口流场畸变模拟装置的类型及研究程序，畸变指数的描述形式，带插板模拟器的发动机试验及进气道畸变指数与发动机畸变容限的相关性。对温度畸变模拟装置的主要技术条件及防喘装置的工作原理也作了简要的说明，以利于有关专业技术人员较全面地了解俄罗斯的流场畸变评定技术。     

航空发动机高空压力畸变试验

鉴于航空发动机高空压力畸变试验的重要性,详细介绍了试验方案,通过插板,进行了航空发动机高空压力畸变试验,获得了基于插板扰流条件下的航空发动机气动稳定性特性,并初步获取了压力畸变、高空低雷诺数、引气和功率分出等关键降稳因子对该发动机稳定性影响的数量关系.压力畸变、高空低雷诺数以及引气、功率分出因素对临界综合畸变指数影响为:高度1km至高度18km,临界综合畸变指数降低了11.11%,高度1km至高度20km,临界综合畸变指数降低了14.69%.为航空发动机高空气动稳定性提供验证平台和试验数据支持.      

可移动插板式压力畸变发生器的设计与试验

可移动插板式压力畸变发生器是现代航空发动机稳定性评定试验中的一项关键设备。本文概括介绍了中国燃气涡轮研究院可移动插板式压力畸变发生器的设计与试验。试验结果表明，设计是成功的，研制出的可移动插板式压力畸变发生器能够满足发动机稳定性试验研究的需要。     

进气加温模拟装置对涡扇发动机进气流场稳定性影响试验

为分析新设计的进气加温模拟装置对涡扇发动机进气流场稳定性的影响,对试验设备、测试方案、进气流场的稳定性评 估方法和试验方案进行设计研究。通过开展气源供气温度、供气流量和发动机状态多因素匹配工况下涡扇发动机与进气加温模 拟装置的联合试验,确定发动机进口气流稳定性指标的最高值。对不同试验工况数据进行计算分析,结果表明：进气加温模拟的 稳压进气道对发动机进口压力场影响较小,发动机状态稳定时进口温度场只有1个高温区,T 1 升高以及发动机状态提高,温度场及 压力场不稳定性增大,多工况下发动机温场周向不均匀度最大为0.6907%,压力场周向畸变指数最大为0.0187%。进气加温模拟 装置条件下,发动机压力场和温度场稳定性情况满足发动机试验要求,可为后续开展发动机进气加温试验提供参考。     

压力温度组合畸变对发动机稳定性影响的数值研究

压力和温度组合畸变对某涡轮风扇发动机稳定性影响的数值研究表明,组合畸变中压力畸变和温度畸变的相对大小,决定了组合畸变对风扇或压气机稳定性影响的严重程度,压力畸变强度较大的组合畸变,对风扇的稳定性影响较大。组合影响系数表示发动机抗组合畸变的能力以及压力畸变和温度畸变之间的相互影响。当组合影响系数大于0时,相互影响加强,反之相互影响减弱。组合畸变对发动机稳定性的影响,不是压力畸变和温度畸变单独影响的简单相加,而是一种非常复杂的非线性关系。     

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.      

反推状态下大涵道比涡扇发动机气动稳定性预测与评估

为了预测与评估反推状态下,反推气流再吸入对大涵道比涡扇发动机气动稳定性的影响,采用反推气流扰流流场三维CFD数值模拟、发动机整机稳定性计算分析以及反推状态下发动机进气畸变台架试验相结合的方法,开展了反推气流对大涵道比涡扇发动机气动稳定性影响的研究。通过三维CFD数值模拟手段,捕获了反推状态下发动机进口流场的畸变程度。在此基础上,通过采用稳定性计算程序预测了发动机的气动稳定性,并进一步通过发动机台架试验,验证了预测结果。CFD计算结果表明,随着相对来流马赫数的减小,反推气流被发动机重新吸入的可能性不断增大,当相对来流马赫数减小到0.05时,外侧发动机进口的流场畸变情况变得最为严重。进气畸变情况下的整机稳定性计算分析以及发动机台架试验结果表明,在所考核的目标状态,若只存在因反推气流再吸入引起的进口流场畸变,是不会导致发动机失稳的。     

燃气涡轮发动机的进口总压畸变评定技术

本文在综合国外进气道／发动机相容性研究沿革的基础上，介绍了美国自动车工程学会宇船推进分会S－16技术委员会（SAES－16）颁布的“燃气涡轮发动机总压畸变评定方法”（AIR1419）和“燃气涡轮发动机进口流场畸变指南”（ARP1420）的主要内容，重点论述进口畸变下发动机稳定性和性能的评定方法及其试验研究。     

扇形板压力畸变模拟器特性研究

根据小型涡轮发动机的使用条件,总压畸变是对发动机气动稳定性影响最大的外部降稳因子,小型涡轮发动机常采用模拟板方法为抗畸变试验提供总压畸变流场。本文设计了扇形板式可调压力畸变模拟器,用于涡扇发动机抗畸变试验。通过数值模拟获取了畸变模拟器的全流场特征,通过畸变模拟器吹风试验表明,扇形板后的流场掺混特性较好,扇形板畸变模拟器堵塞系数在8%～16%内,畸变模拟器的综合畸变指数在2%～13%内连续可调。畸变模拟器满足小型涡扇发动机抗畸变试验所需综合畸变指数要求。     

压力畸变对涡扇发动机稳定性影响的试验

为了评定涡扇发动机在稳态工作时的抗压力畸变能力，采用可调畸变速度的发动机进口压力畸变模拟器，在发动机地面静止试车台上进行了不同进气畸变度下的整机抗畸变试验，试验中获得了发动机重要参数随不同畸变度的变化数据，并得到了发动机能稳定工作的最大进气畸变度范围。     

压力畸变对某型发动机稳定性影响的数值研究

本文采用有效的发动机数学模型，就进口流场畸变对某型涡扇发动机稳定性的影响进行了较深入的数值研究：详细介绍并分析了稳态和动态压力畸变对发动机稳定性影响的结果；讨论和分析了压力畸变在发动机系统中的传递情况以及发动机压缩部件临界级的分布情况。     

组合畸变对某型发动机稳定性的影响

压力和温度组合畸变对某涡轮风扇发动机稳定性影响的数值研究表明,该发动机的进口临界压力畸变强度和临界温度畸变强度分别为8.82%和8.60%,风扇的压力畸变敏感系数为2.608,高压压气机的温度畸变敏感系数为2.442.压力畸变和温度畸变的相对大小,决定了组合畸变对风扇或压气机稳定性影响的严重程度.压力畸变的相对最大强度峰值出现在风扇截面时,风扇首先失稳,反之则高压压气机首先失稳.组合畸变对发动机稳定性的影响,不是压力畸变和温度畸变单独影响的简单相加,而是一种非常复杂的非线性关系.     

关于未来进气道/发动机相容性技术的探讨

传统的进气道/发动机相容性分析方法可能无法适应未来先进飞行器的快速发展,需要发展新的技术和方法。针对该技术领域所面临的挑战,如相容性匹配技术和畸变模拟器面临的挑战,动态畸变的模拟、旋流畸变模拟、耐久性试验及评估的高循环疲劳畸变发生器等,应予以特别的关注。本文根据未来进气道/发动机相容性匹配技术的发展方向,探讨了畸变发生器模拟的应对措施及其气动稳定性鉴定试验的相关问题。     

发动机对进气温度畸／瞬变响应的理论研究

建立了模拟发动机工作稳定性的“激盘-滞后-容积”模型，并借助于平行压气机理论，利用数值积分法计算了发动机对进气温度畸/瞬变的响应。重点研究了稳态畸变对喘振工作边界及温度突升对发动机工作稳定性的影响，得到了瞬态稳定工作边界；还研究了稳态畸变与温度突升组合情况对发动机工作稳定性的影响。计算结果与国外资料比较，曲线的趋势一致，结论基本相符。     

进气畸变模拟网的设计与试验验证

介绍在涡喷发动机地面试车台上利用金属丝网模拟进气道畸变流场的技术基础、设计方法及三个实例的验证试验结果,表明应用本设计方法制作的三种畸变模拟网均达到了较高的模拟精度,可以满足进气道／发动机相容性评定的工程使用要求。