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。     

不同海拔下压燃式航空活塞发动机的燃烧与排放特性

研究压燃式航空活塞发动机在不同海拔高度下的燃烧与排放特性,将有利于进一步优化通航飞行器的动力推进系统。通过发动机大气压力模拟试验台架,在3个不同海拔高度（10,1000,1920m）进行压燃式航空活塞发动机的燃烧与排放试验,获得了发动机的燃烧和排放污染物与海拔高度的变化规律。试验结果表明：随着海拔高度的上升,大气压力减小,航空发动机的进气质量流量降幅明显,过量空气系数和有效热效率也略有下降,但有效燃油消耗率是上升的;此外,在相同工况点出现最大燃烧压力下降,滞燃期延长,燃烧始点推迟,燃烧持续期呈延长趋势,最高平均燃烧温度增大,且发动机的NO_x,HC和碳烟排放增加。当海拔升高,发动机的负荷增大时,碳烟排放呈现出先降低后升高。在小负荷和大负荷时的CO排放增加较为明显,而中负荷附近基本保持不变。     

高空环境下喷嘴参数对航空活塞发动机燃烧与性能的影响

以一台四缸四冲程压燃式航空煤油活塞发动机为研究机型,运用工程系统高级建模和仿真平台软件(AMESim)仿真软件建立了发动机的整机模型,并使用台架实验的采集数据对该仿真模型进行了验证。在高空环境中,仿真分析了飞行器起飞工况、最大巡航工况下发动机喷油器的不同喷孔数、孔径对发动机燃烧过程、性能和NOx排放特性的影响。计算结果表明:稳态工况下,随着喷孔数的增加,最高燃烧压力和温度增加,瞬时放热率增长速度快且峰值上升;同时,缸内预混燃烧得到强化,燃烧始点提前,滞燃期和燃烧持续期缩短,燃烧重心前移,循环热效率增高,但同时会提高NOx的生成量;在飞行器瞬态变海拔的起飞工况下,多喷孔数、小孔径的喷油嘴有利于航空活塞发动机在高空环境下恢复发动机功率,提升飞行器的动力性和续航性能。      

提高四冲程点燃式重油航空发动机抗爆性措施

应用GT-Power软件,对某四冲程点燃式航空活塞增压发动机进行使用不同燃料的一维性能仿真分析,针对低辛烷值燃料易发生爆震的特性,分别采用添加抗爆添加剂、调整发动机的压缩比、增压压力、空燃比、缸径、点火提前角等参数,在抑制爆震的前提下尽可能实现发动机功率恢复。将原93#汽油燃料换成辛烷值为61的特种煤油燃料后,在不扩大气缸直径和扩大气缸直径两种方案下,发动机功率恢复分别达到原型机的89%和95%,油耗率分别增加5.4%和6.1%,排气温度分别提高11.4%和13.4%。      

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。      

提高二冲程煤油发动机抗爆性措施研究

为解决某二冲程航空活塞发动机采用航空煤油后爆震极限功率严重下降的问题，进行了一维发动机性能仿真分析，提出了提高发动机爆震极限功率的技术措施。在发动机额定工况下，油耗率和排气温度不发生恶化的前提下，添加抗爆添加剂、降低压缩比和推迟点火提前角以抑制采用煤油后的发动机爆震倾向,扩大缸径和降低空燃比以助于恢复发动机的爆震极限功率。结果表明:经过优化，发动机输出功率可达到原型机的96%，油耗率增加了19%，排气温度升高了57K。研究结果可为二冲程煤油发动机的性能优化和提高工作的可靠性提供依据。      

主燃烧室采用增压燃烧的涡扇发动机 热力过程和性能分析

为了研究主燃烧室采用增压燃烧（PGC）的涡扇发动机性能，建立了其热力循环过程计算模型，采用考虑增压特性的传 统涡扇发动机性能计算方法，分析了增压比、涡轮前温度、涵道比、飞行速度、飞行高度等循环参数对增压燃烧涡扇发动机的性能 影响，并与传统涡扇发动机的性能进行了对比评估。结果表明：增压燃烧发动机循环效率高于等压燃烧发动机的，且加热比越大， 增压燃烧发动机性能优势越明显。初步获得了不同循环参数对增压燃烧涡扇发动机的性能影响规律。与同参数的传统涡扇发动 机相比，在总增压比为25~45、涡轮前温度为1500~1800 K内，增压燃烧涡扇发动机的单位推力增大4.7%~8.6%，耗油率降低4.6%~ 8.5%；在飞行高度为15 km、马赫数为0~3内，增压燃烧涡扇发动机的推力增大4.1%~27.6%，耗油率降低2.3%~11.4%，并且飞行马 赫数越高，增压燃烧涡扇发动机的性能优势越大。     

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.      

航空活塞二冲程发动机的可变排气阀换气过程

航空活塞二冲程发动机的换气过程直接影响发动机的性能,采用可变排气阀可以改善发动机的动力性能。通过GT-Power软件搭建发动机一维整机模型,进行可变排气阀的仿真研究,分析了发动机在不同转速、不同排气阀状态下的换气过程及排气阀状态对换气过程的影响。在此基础上,还对定速巡航工况下(6500r/min转速、50%节气门开度)的排气阀状态进行了优化。结果表明:不同的排气阀状态可以改变发动机排气过程压力波动的相位,从而影响发动机的换气品质及燃烧过程;在定速巡航工况下,排气阀为中等开度时(初级阀关闭、次级阀开启),其发动机动力性能达到最优。     

涡轮增压二冲程汽油机排气系统匹配研究

为提高无人机的工作升限,需要补偿高空处下降的功率,涡轮增压技术是航空活塞式发动机实现功率恢复的有效手段之一。二冲程汽油机使用增压技术后存在很多技术难点,尤其是增压后扫气损失的合理控制、扫气方案与排气管路的合理匹配等问题。因此本文通过仿真计算的方法对某型二冲程活塞汽油机,从涡轮增压布置方案、排气管路设计等方面进行了匹配研究,仿真结果表明,二冲程汽油机涡轮增压时涡轮布置在排气膨胀管后可以改善其换气过程;排气膨胀管结构形式及尺寸均对发动机性能有明显影响,且排气膨胀管位于排气歧管后,总长度1.2m,主直径186mm时发动机动力性能最优。     

进气道出口截面形式对补燃室掺混性能的影响研究

为研究进气道出口截面形式对补燃室掺混气动特性和燃烧性能的影响，本文对双下侧布局形式的固冲发动机内流场进行数值模拟，对比分析了补燃室相同压比下两种不同进气道出口截面形式在不考虑燃气的混合和反应时掺混段的气动特性和考虑燃气反应时补燃室的燃烧性能。结果表明：两股空气掺混过程中，研究的两种进气道出口截面方案的整体总压损失大致相同，但进气道圆形出口截面的掺混段内流线表现为不稳定的螺旋点形态，相比于方形出口截面的掺混段，其使气流掺混更剧烈，短距离内掺混已经很均匀，且旋流强度小；在考虑燃烧时，进气道圆形出口截面对应的补燃室出口总压恢复系数比方形截面的高约2%，方形进气道出口截面的补燃室出口截面总燃烧效率为95.58%，而圆形截面的达到99.86%。     

固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。     

低压转子分出功率对高空长航时无人机发动机的影响

建立了高空长航时无人机发动机性能计算模型,引入雷诺数对发动机部件性能影响的修正,编制了相应的计算程序.计算分析了不同类型的中小推力涡扇发动机在高空条件下低压转子分出功率对发动机和核心机状态的影响,以及高/低压转子同时分出功率对发动机的影响,并对分出功率在高、低压转子的分配比例进行了分析.结果表明:在高空条件下,与高压转子分出功率相比,低压转子分出功率能明显改善无增压级涡扇发动机的风扇/压气机喘振裕度和带增压级涡扇发动机的增压级喘振裕度,能在保证发动机稳定工作的前提下,大幅度提高无增压级涡扇发动机的高空分出功率能力,有效提高带增压级涡扇发动机的高空分出功率能力,此外,低压转子分出功率可使核心机的转速、换算流量、增压比提高9%~14.8%,能有效地挖掘核心机的潜力.      

某型航空活塞发动机进排气系统优化分析

针对高空小型飞机的动力要求,对某型航空活塞发动机的进排气系统均匀性进行了分析,建立了某型航空活塞发动机的仿真模型,分析了进排气管路结构参数对发动机性能的影响.以进气质量流量不均匀度和进气压力波动效应为评价指标,对发动机的进排气系统结构参数进行了优化.通过改变进排气歧管和总管的长度,把不均匀度降低到5%以内,最大降幅为38%,并且提高了发动机的扭矩和功率,最大提高幅度为5%.      

中心支板参数对RBCC发动机性能影响研究

针对某宽域加速飞行任务下RBCC发动机中心支板主要几何参数设计问题，采用全流道一体化数值模拟方法，在Ma 0.4-6速域内研究支板阻塞比、顶角及长宽比等参数对发动机引射、亚/超燃模态的性能影响规律。结果表明，随着阻塞比增大，各模态下空气流动受压缩作用增强，燃烧反应更加充分，发动机总推力有0.13%-5%的提升；随着顶角增大，除Ma 2.5工况由流道截面构型变化引起激波形成外，增强的支板前缘激波使得燃烧反应位置较为集中，燃料喷注贯穿主流深度提高，较为充分的燃烧释热使得发动机总推力有2.2%-5.7%的提升；随着长宽比减小，在Ma 0.4-4条件下，增大的流道面积有利于煤油横向扩展，较好的氧燃掺混使得发动机总推力有2%-4.8%的提升，而在Ma 6条件下，支板前缘激波的减速增压作用逐渐减弱，发动机总推力可降低5.2%-7.1%。所得结论可为RBCC发动机中心支板设计参数选择提供依据。     

中心分级燃烧室预燃级燃烧性能实验

研究了一种中心分级燃烧室.在某大推力航空发动机慢车工况下,采用单头部矩形燃烧室,进行了燃烧性能实验,考察了预燃级旋流杯套筒扩张角、台阶高度、预燃级气量分配对污染排放、燃烧效率和贫油熄火油气比的影响作用.实验结果表明:慢车工况下,预燃级旋流杯套筒扩张角从60°增大到100°后,NOx排放降低42%,CO和未燃碳氢燃料(UHC)排放均增加2.5倍左右,燃烧效率降低1.75%,贫油熄火油气比从0.0038增大到0.0067;台阶高度减小24%后,NOx排放降低37%,CO和UHC排放分别增加1.5倍和1.2倍,燃烧效率降低1.32%,贫油熄火油气比从0.0042增大到0.0061;预燃级气量分配减小20%后,NOx排放增加13.5%,CO和UHC排放分别降低55.6%和38.9%,燃烧效率增大1.46%,贫油熄火油气比从0.0061减小到0.0051.      

压燃式航空活塞发动机转矩与空燃比的控制

通过对压燃式航空活塞发动机的空燃比进行需求分析,采用发动机转矩需求的逆向倒推法,从螺旋桨的转矩需求倒推至发动机总转矩需求,建立转矩需求的主控通道和前导通道的控制模式,前导通道是利用微分控制的超前特性,加快转矩控制的动态响应能力。由相关转矩需求和进气量估算模块计算后,建立了最优空燃比控制的计算方程,实时计算得到对应的每循环总喷油量。在模拟保持飞机从零海拔起飞至1 890 m的发动机最大转矩输出条件下,列举了定海拔恒转速变转矩工况和定海拔发动机外特性工况的实验分析。实验结果表明：采用最优控制理论建立的空燃比控制,既保障了过量空气系数处于合理范围1.3～3.5之内,发动机的工作效果又能达到预期目标。     

风扇/增压级转子平衡转速计算模型的构建与应用

针对航空发动机风扇/增压级转子平衡工艺规划过程中平衡转速设定的问题,通过考虑叶片榫槽间隙、平衡设备性能和 转子气动扭矩等因素,构建风扇/增压级转子平衡转速计算模型。将某型发动机风扇/增压级转子的结构及性能参数带入模型,计 算得到转子的平衡转速,并与国外相似型号转子的平衡转速进行了比较。结果表明：通过模型计算得到的转子平衡转速为685 r/ min,与国外相似型号转子的平衡转速基本一致,并且满足该型风扇/增压级转子的实际平衡需求。该平衡转速计算模型已经成功 应用到风扇/增压级转子平衡的设计和工艺文件中,提升了风扇/增压级转子平衡工艺的正向设计能力。     

某航空活塞发动机机械增压器旁通阀门开启特性分析

机械增压器现已在汽车发动机上得到了广泛应用,但其在航空活塞发动机上的应用和研究较少.分析机械增压器的工作过程,在簧片阀模型的基础上,考虑旁通阀门启闭压力与涡轮增压器压比之间的线性关系并对其建模;搭建某型航空活塞发动机GT-POWER数值仿真模型并进行实验验证,在整机模型的基础上,研究不同转速下通过旁通阀门的质量流率以及不同高度下旁通阀门的通流面积.结果表明:巡航工况下,海拔2680 m时阀门关闭;起飞工况下,海拔3000 m阀门关闭,该结果可为发动机实际高空飞行提供理论支持.     

2种涡轮燃烧形式的涡扇发动机性能研究

为了研究不同涡轮燃烧形式对大涵道比涡扇发动机的性能影响,在传统发动机数学模型的基础上,分别加入各型涡轮燃烧结构的热力学计算模型,分析比较了在不同工作过程参数下,4种带涡轮燃烧结构发动机与传统发动机的性能（单位推力和单位燃油消耗率）随风扇增压比、高压压气机增压比、高压涡轮进口总温和涵道比的变化关系。结果表明：涡轮级间燃烧室（ITB）与涡轮叶间燃烧室(TIB)各有特点,但都能够明显提高传统分别排气涡扇发动机的性能,其中高压涡轮叶间燃烧室（HTIB）效果尤为突出