叶片脱落超转保护概率设计方法研究

针对航空发动机传统的超转保护设计未考虑材料、载荷和制造公差分散性的问题，本文提出了一种基于概率的叶片脱落超转保护设计方法，建立了一种基于响应面法的叶片脱落超转保护设计概率模型，并给出了具体算法，采用多项式拟合叶片脱落超转保护设计极限状态函数，利用Monte Carlo方法获取了轮盘破裂转速分布和叶片脱落转速分布。运用概率设计方法对某发动机涡轮转子进行叶片脱落超转保护设计，结果表明：与传统方法相比，基于叶片脱落超转保护设计概率模型设计的轮盘破裂转速均值降低了约5.4%，轮盘质量减轻了约7.2%。     

液体火箭发动机涡轮泵非线性转子系统稳定性影响因素研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了动力稳定性研究。采用有限元法建立了涡轮泵转子系统的动力学模型,研究了安装偏心对转子密封系统稳定性的影响,给出了失稳转速随安装偏心的变化规律。研究了存在安装偏心时当量密封间隙、轴承支承总刚度及轴向位置对液体火箭发动机涡轮泵转子系统稳定性的影响,分析了失稳转速随当量密封间隙、轴承支承总刚度及轴向位置的变化规律。最后开展了冷吹试验和热试验研究,验证了本文的理论研究结果。本文的研究为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、故障诊断与安装维护提供理论依据。      

支承刚度和轴向位置对某型对转发动机低压转子临界转速的影响

为提供某型对转发动机低压转子临界转速的设计和调整的理论依据,开展了该转子的临界转速随支承刚度和轴向位置变化规律的研究.以该转子为研究对象,采用有限元法建立了转子动力特性的计算模型,基于不同的支承刚度和轴向位置,运用转子动力学分析软件SAMCEF/ROTOR对低压转子的前4阶临界转速进行了系统的计算分析,揭示了低压转子前4阶临界转速随支承刚度和轴向位置的变化规律.结果表明:支承刚度对低压转子的临界转速有显著影响,而支承轴向位置对临界转速的影响较小.     

一种基于增量式动态逆的涡轴发动机抗扰综合控制方法

针对全包线内涡轴发动机转速抗扰控制效果一致性与鲁棒性难以保证的问题，提出一种基于增量式动态逆的综合抗扰控制方法。结合涡轴发动机的转子动力学特性，提出一种基于增量式动态逆的主控回路设计方法。针对传统负载扭矩估计方法需要大量数据支撑的问题，提出一种基于非线性观测器的发动机端负载扭矩在线估计方法。基于主控回路动态逆算法和负载扭矩估计方法，创新性地将动态逆输入与输出的定量关系和转子加速度扰动变化量结合，提出了一种负载扭矩扰动全补偿前馈控制方法，并从理论上推导了该方法，能够使得由于负载扭矩导致的转子加速度扰动得到全补偿。基于倾转旋翼机/发动机综合非线性仿真模型，针对倾转旋翼机不同飞行的模式，进行抗扰控制效果仿真验证。结果表明：在频域上，基于增量式动态逆的综合抗扰控制方法能保证全包线的频域性能的一致性；在时域上，相比于具有相同带宽下的PID控制器，基于增量式动态逆的综合抗扰控制方法能够在全包线内使动力涡轮转速跟踪的调节时间降低1s，并可有效降低动力涡轮转速的下垂量至1%以内，具有优越的抗扰效果。     

微型发动机温度限制保护闭环控制设计方法

针对微型涡喷发动机转子转速闭环设计的控制结构中涡轮出口温度对燃油供给率变化敏感的问题,尤其在快速推油门杆时可能会超温,提出了1种带涡轮出口温度限制保护的闭环限制控制器的设计方法。该方法采用了双回路的闭环结构方式,并采用控制参数相似变换的增益调度增量式PI控制方法,实现了稳态/过渡态的发动机转速、温度闭环控制,所述算法在Simulink环境下进行了地面和高空的仿真验证。结果表明:控制系统在保证转子转速伺服跟踪性能的要求下还具有温度保护功能。     

温度场对航空发动机转子超转破裂的影响

CCAR33.27超转适航要求，分析和试验确定的超转转速，必须基于温度和温度梯度的最不利组合。因此，研究温度和温度梯度对超转破裂的影响有非常重要的意义。以某型航空发动机低压6级涡轮转子为例，采用极限应变方法开展了转子部件的超转破裂分析，对比了常温和高温（红线转速对应的温度分布）下转子关键轮盘应变分布趋势和应变增长规律、预测的超转破裂的起始位置和破裂转速等轮盘超转特性；针对超转破裂分析，提出了在高温条件下，经过常温超转破裂试验验证的方法应用的有效性条件。低压涡轮转子的分析结果也显示，红线转速对应的温度状态下，轮盘超转破裂转速比常温下显著降低，而高温下材料屈服强度的大幅降低则是破裂转速下降的主要原因。     

涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡技术研究

针对动力涡轮转子空心、薄壁、大长径比、带弹性支承和挤压油膜阻尼器、内置测扭基准轴的结构特点,提出了一种改进的"多转速、多平面、分步平衡"的方法,设计了一组精密平衡卡箍,建立了一套涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡的平衡步骤和平衡工艺,给出了动力涡轮转子的平衡判定准则,在全转速范围内进行了动力涡轮转子的高速动平衡,最高平衡转速大于20,000r/min。所建立的平衡方法和工艺已应用于某型涡轴发动机动力涡轮转子的高速动平衡,效果良好。      

开式转子发动机计算模型及调节研究

目前先进的开式转子发动机多采用变桨距、双排共轴对转桨作为推进部件。采用双排桨的气动计算方法,根据单排桨特性图计算对应的双排对转桨特性图,验证对转桨性能计算模型。在双轴涡轮喷气发动机计算模型的基础上,添加动力涡轮、行星差动齿轮和双排对转桨,组成开式转子发动机计算模型。采用该模型研究了开式转子发动机的调节计划,对比了等转速和等叶尖速度调节的不同,以及对开式转子发动机高度速度特性的影响,并使用美国PROOSIS模型对计算结果进行验证。结果表明：开式转子发动机模型计算精度较高,可较准确地研究不同设计参数和调节规律下发动机的总体性能,其中固定桨扇叶尖速度的调节计划在较低飞行速度下具有高推力、低油耗的优点,可以获得较好的全包线性能。     

基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方法

为了提高涡轴发动机在直升机飞行状态突变时的响应速度,提出一种基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方 法。通过逐步回归分析法对直升机需用功率影响最大的5个变量进行选取,并以这5个变量为输入量,根据多元拟合方法建立直 升机需用功率预测模型,基于所建立的预测模型,采用预测需用功率信号在发动机控制回路的燃气涡轮转速指令位置进行前馈线 性补偿,设计了直升机/发动机综合控制方法。经过UH-60A综合仿真平台验证,结果表明：所提出的综合控制方法相比于传统串 级PID控制方法,可以有效减少动力涡轮转速超调量或下垂量60%以上;相比加入总距前馈的控制方法,可以减小动力涡轮转速 超调量或下垂量20%以上;可以有效加快发动机响应速度,缩短发动机响应时间1 s以上,极大提高了发动机的稳定性及鲁棒性。     

圆柱滚子中介轴承拟静力学分析

航空燃气涡轮发动机为了提高性能经常采用中介轴承.中介轴承对发动机转子系统的动力特性的影响很大,但国内外对中介轴承动力学特性的研究却很少.本文采用拟静力学法,通过分析圆柱滚子中介轴承的运动关系和受载情况,建立了相应的计算模型.本文应用所建立的模型,计算了圆柱滚子中介轴承的动力学特性,并将计算得到的滚子打滑率与试验结果进行了比较.在此基础上,进一步对内外圈反向旋转,且内圈与高压转子联接、外圈与低压转子联接的中介轴承进行了分析,研究了保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力随径向载荷变化的关系.研究结果表明,随着径向载荷的增加,保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力均增大.     

基于预测扭矩前馈的涡轴发动机内模控制方法

基于内模原理设计了涡轴发动机功率涡轮转速控制器.针对主旋翼扭矩变化对功率涡轮转速的干扰,提出了一种基于极端学习机的扭矩预测方法.极端学习机训练基于动态仿真数据,其输入通过相关分析获得.基于内模原理的功率涡轮转速控制器采用极点配置的设计方法,将输入信号的内模直接加入控制器,实现鲁棒跟踪.扭矩前馈采用比例微分(PD)控制策略,实现对发动机负载变化干扰的有效补偿.数字仿真结果表明:极端学习机扭矩预测精度高,扭矩相对误差小于1.5‰,与不加前馈控制相比,所提出的控制方法减小了机动飞行过程中功率涡轮转速的超调或下垂30%以上.      

一种变旋翼转速直升机/涡轴发动机非线性模型预测控制方法研究

为了实现变旋翼转速直升机/涡轴发动机快速响应控制,提出了一种基于神经网络的直升机旋翼预测模型与基于状态变量模型的涡轴发动机预测模型的新型非线性模型预测控制方法。所建目标函数除了包含转速控制指标外,还考虑了经两级变速双离合器传动机构传扭后发动机输出轴的转子动力学特性。不同飞行任务下的数值仿真结果表明:相对于PID控制器而言,非线性模型预测控制器可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下使动力涡轮转速在变旋翼转速过程中的超调量减小50%,下垂量降至0.2%以内,实现了涡轴发动机的快速响应控制的同时,有利于改善发动机使用寿命。     

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

A novel control method for turboshaft engine with variable rotor speed based on the Ngdot estimator through LQG/LTR and rotor predicted torque feedforward

In order to compensate for the disturbance of wide variation in rotor demanded torque on power turbine speed and realize the fast response control of turboshaft engine during variable rotor speed, a cascade PID control method based on the acceleration estimator of gas turbine speed (Ngdot) and rotor predicted torque feedforward is proposed. Firstly, a two-speed Dual Clutch Transmission (DCT) model is applied in the integrated rotor/turboshaft engine system to achieve variable rotor speed. Then, an online estimation method of Ngdot based on the Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery (LQG/LTR) is proposed for power turbine speed cascade control. Finally, according to the cascade PID controller based on Ngdot estimator, a rotor demanded torque predicted method based on the Min-batch Gradient Descent-Neural Network (MGD-NN) is put forward to compromise the influence of rotor torque interference. The simulation results show that compared with cascade PID controller based on Ngdot estimator and the one combined with collective pitch feedforward control, the novel control method proposed can reduce the overshoot of power turbine speed by more than 20%, which possesses faster response, superior dynamic effect and satisfactory robustness performance. The control method proposed can realize the fast response control of turboshaft engine with variable rotor speed better.     

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题, 分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系, 旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数, 用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验, 仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化, 可以降低油耗1.5%～5.5%, 同时降低涡轮温度4.4～16℃, 具有实际应用价值.      

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

涡扇发动机低压轴断裂故障在线检测方法

针对低压轴断裂易引起涡轮飞转的问题,需在运营环境中进行涡扇发动机低压轴断裂的机载在线检测。采用机载测量的高压物理转速和低压物理转速等参数,建立了基于物理转速变化率和转差关系的低压轴断裂故障在线检测方法。通过发动机工况仿真识别了能够准确区分正常加减速过程、喘振过程和断轴过程的物理参数,设置了检测判定逻辑和判定阈值。结果表明:在断轴后的0.1 s内,低压转速变化率出现瞬间最小值;在0.2 s内,高压转速变化率变为正值。该方法检测响应时间为0~0.5 s,可以实时检测出低压轴断裂故障,有利于控制系统及时采取停车等处理措施以防止核心机被损坏,不会由于发动机正常停车、加减速、喘振和高压轴断裂而导致虚警,检测可靠性高,具有较高的工程实用性。     

转子高速动平衡技术在涡轴发动机整机减振中的作用

完成了动力涡轮转子平衡破坏后的重新高速动平衡试验 ,效果良好。对动力涡轮转子平衡破坏后及重新高速动平衡后的涡轴发动机在整机台架试车中的整机振动进行了测量和分析 ,结果表明 :动力涡轮转子的高速动平衡对减小涡轴发动机的整机振动有显著效果。柔性转子的高速动平衡技术在涡轴发动机整机减振中有着十分重要的作用      

涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.