基于喘振裕度估计模型的发动机高稳定性控制

为解决超机动飞行中发动机喘振裕度不可测量的难题,提出一种发动机喘振裕度的建模方法.喘振裕度的模型分为常规飞行时的无畸变模型与超机动飞行时的损失量模型两部分.无畸变模型是基于喘振裕度特征选择算法筛选最优模型输入,以非线性拟合方法建模实现;损失量模型则基于在线攻角预测模型实时评估发动机进口畸变度,进而计算获得.而后利用上述估计模型对发动机的稳定性进行实时预测,在不改变发动机原控制回路的基础上,对涡轮落压比控制指令进行喘振损失补偿,实现高稳定性控制.最后,通过大攻角机动飞行的数字仿真,验证了上述方案可以准确控制发动机喘振裕度在11%~13%,保证了发动机工作的稳定性和高效性.      

一种用于提高发动机气动稳定性的控制策略

通常,风扇/压气机可用稳定裕度明显高于具体使用条件下的最大值,理论上为发动机性能提高提供了可能。基于上述思想,本文开展了主动稳定性控制(ASC)方法研究,在小畸变下,通过降低稳定裕度要求来提高性能;在超出畸变容限时,必须无条件保证发动机的工作稳定性。建立了进气畸变气动稳定性模型,并嵌入常规控制规律,推导出主动稳定性控制规律,给出相应控制策略。以某涡扇发动机为对象,开展了主动稳定性控制仿真研究。结果表明,在中等畸变强度以下,主动稳定性控制能有效满足降低稳定裕度的要求。     

进气畸变对压缩系统稳定性影响的数值模拟

采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程以及激盘－滞后－容积的压气机级模型，研究了进气畸变对航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的影响,在一定物理转速和流量条件下的压气机稳态工作点参数则采用级堆叠方法进行计算。对总压畸变、总温畸变等进气条件下压气机稳定工作边界的变化进行了计算分析，结果表明进气总压畸变和进气总温畸变对发动机稳定性有很大的影响，畸变进气使得压气机稳定工作边界在压所机的特性图中向右下方移动，降低了发动机的喘振裕度。     

下游畸变对压气机性能影响的预测

高技术航空发动机因结构紧凑、气动耦合密切而面临着下游畸变问题 ,影响压气机的性能 ,因而有必要研究下游畸变对压气机特性和喘振裕度的影响。本文提供了一种预测轴流压气机出口流场畸变对其特性和喘振裕度影响的方法 ,并具体分析了下游周向总压畸变对某单级轴流压气机特性和喘振裕度的影响。结果表明临界失速的流量系数损失和压比损失均与畸变系数呈线性变化关系 ,间距对其也有较强烈的影响     

畸变进气下压缩系统稳定性分析的通用方法

基于逐级平行压缩系统模型，发展了一种分析周向组合畸变对多级轴流压缩系统稳定性影响的通用分析方法。应用此方法对两个多级轴流压气机进行了详细的数值分析，给出了纯压力畸变、纯温度畸变及压力－温度不同位置的组合畸变与轴流压气机喘振裕度损失之间的定量关系。     

畸变进气对两级风扇稳定性影响的数值模拟

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了一种预估多级轴流压气机在均匀进气和周向畸变进气条件下的喘振边界的一维数值模拟方法。根据动态压缩系统模型,对一台两级风扇的喘振边界进行了数值预测,与基于李亚普诺夫理论的线化一维模型和试验结果的比较表明,该模型能较为准确地预估多级轴流压气机的喘振边界。对畸变进气条件下两级风扇稳定性进行的详细数值分析表明:进气总压畸变在流动过程中会生成总温畸变并伴随着总压畸变的衰减,进气总温畸变则会生成总压畸变并伴随着总温畸变的衰减;反向总温总压组合畸变进气时,畸变衰减快稳定裕度损失小,而正向总温总压组合畸变进气时,畸变衰减慢稳定裕度损失大。     

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。     

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。     

航空发动机主动稳定控制方法分析

主动稳定控制能够抑制压气机旋转失速、避免喘振,从而减小稳定裕度,扩大工作范围,使压气机性能得到最大发挥。针对航空发动机主动稳定控制关键技术,分析了以Moore-Greitzer模型为基础的压气机模型、模态控制与非线性控制两种主动控制方法,在此基础上讨论了主动稳定控制方法存在的不足,并指出了压气机模型与主动稳定控制方法的未来发展方向,可为航空发动机主动稳定控制理论研究与工程应用提供有益的参考。     

雷诺数对压气机特性及发动机稳定性影响的计算和分析

运用Wassell法建立了某型涡扇发动机压气机特性的雷诺数修正数学模型,同时考虑雷诺数对涡轮特性的修正,计算分析了雷诺数对压气机特性、高低压转子共同工作点以及压气机喘振裕度的影响。结果表明,采用这种雷诺数修正模型可以用于定量评估雷诺数对发动机稳定性的影响。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

加力涡扇发动机喘振与消喘模拟

基于气动耦合原理,发展了涡扇发动机风扇出口分流环计算模型,并进一步基于多级轴流压气机系统的逐级单元控制体模型,建立了混合加力涡扇发动机喘振及其喘振消除的数值模拟方法,并将其应用于某型全台加力涡扇发动机过失速特性模拟.在加力状态下采用收小尾喷管喉道面积诱导了风扇压气机过失速-喘振过程,并给出了预先对加力燃烧室实施切油消除风扇压气机喘振数值模拟结果.     

进气畸变下涡喷发动机性能及内部流场的试验研究

本研究在涡喷发动机地面试车台上 ,利用畸变模拟网格在发动机进口建立所需的总压畸变流场 ,在均匀进气和畸变进气条件下 ,测量了压气机级间流场 (总压、静压、总温分布 )、畸变传递、涡轮后温度场和发动机台架性能。文中给出有代表性的试验结果。通过对试验结果的对比分析 ,得出若干有助于理解畸变影响机理和发展发动机性能及稳定性预测模型的结论。     

某型教练飞机尾旋特性试飞研究

为了解决某型教练机大迎角/失速/尾旋设计定型的技术难题,依据GJB3814《军用飞机失速/过失速/尾旋试飞验证要求》,开展了尾旋试飞技术研究,提出了符合军标验证要求的尾旋特性试飞方法,包括不同进入方法、不同改出方法、最佳改出方法以及改出过程中误操纵等。通过试飞发现：该飞机对偏离是敏感的,但对尾旋等过失速模态是阻抗的;该飞机存在＂过失速旋转＂、＂落叶飘＂、＂振荡正飞陡尾旋＂以及＂倒飞尾旋＂四种典型的过失速模态;＂三中立＂法可以较迅速改出发现的四种过失速模态,与失速改出方法具有同一性且不需要过多驾驶技巧,为试飞员推荐的最佳改出动作。     

基于小波分析的压气机失速故障检测

当发动机发生失速时，会引起压气机内压力信号的变化，这种压力信号的变化可以看作信号的奇异点，利用小波分析所具有的时－频特性和多分辨分析的特点，结合对压气机内压力信号频率成分的研究，通过检测模极大值的方法来确定信号的奇异点，进而探测压气机的失速故障，结果表明，利用该方法可以准确地检测压气机失速故障。     

双转子发动机含喘振的动态模型

为了满足现代飞机高性能的要求,应尽可能提高发动机的最大推力,从而使压气机喘振裕度下降。当发动机遇到恶劣的工作条件时,如飞机机动飞行引起进气道畸变,加力燃烧室点火,发动机吸进发射火炮或导弹产生的废气等,可能引起发动机气动力不稳定,即喘振或失速。喘振时,压气机出口总压和流量出现大幅度振荡,涡轮前总温急剧上升,发     

某发动机压缩系统喘振与消喘控制的模拟分析

应用逐级动态压缩系统模拟技术，对某型发动机核心压气机系统的过失速－喘振行为进行了模拟分析，发展了相应的控制主燃烧室切油速率的消除喘振方法，结果表明，主燃烧室切油速率是实施喘振消除的关键，但伴随着压缩系统喘振的消除，发动机涡轮进口总温迅速下降，这将对发动机性能产生不利影响。     

进气总压总温畸变对压气机稳定性的影响

本文对 Melick提出的进口总压周向稳态畸变对压气机稳定性裕度损失的估算方法作了改进 ,并加以推广应用于进口总温周向稳态畸变的情况。在此基础上 ,本文提出了总温和总压组合畸变下压气机稳定性裕度损失的预测方法。以某型双轴涡喷发动机为例作了某些具体的计算。     

某涡喷发动机压气机气动失稳过程的非线性分析

对某涡喷发动机压气机的气动失稳过程进行了相关积分分析。对节流过程中压气机静压信号进行延时嵌入重构,发现失稳过程中重构相空间的吸引子结构发生了显著变化;应用相关积分值作为压气机内部流动状况变化的评价指标,发现节流过程中压气机第1级端部的流动最先发生不稳定,随后第2级先于第3,4级发生不稳定征兆;1,2级的失速类型为渐进型失速,3,4级为突变型失速;第3级叶根最先发生不稳定,且发展较快,最终导致全叶高失速;低通滤波可以提高相关积分方法检测失速征兆的时效性。分析表明,非线性的相关积分分析方法是进行压气机气动失稳过程研究的有效手段。     

涡喷发动机对湍流型动态压力畸变频率响应的实验研究

 一、研究与分析方法 本实验在地面台架上的一台涡喷发动机上进行。图1为试验装置前段及挡板装置简图。挡板用以产生较强的湍流型动态压力畸变,而压气机出口测点的动态压力P₂*与进口环面相应半径上测点的动态压力P₁*则构成相关分析的输出与输入信号。动态压力测量采用Kulite微型固态压阻式传感器,并经放大系统,由磁带机记录下在湍流型动态压力畸变工况时发动机进入漂移型喘振的压力信号过程,试验后通过磁带机回放压力脉动数据,并在信号分析仪上处理。为了得到准确的喘前压力脉动数据,直接以喘振发生时的P₂*激烈下降作为同步外触发信号,并采用负向时间延迟来控制喘前数据采集,从而保证了喘前信号的可靠性。