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。     

开式转子发动机对转桨扇匹配特性研究

先进开式转子发动机均采用了高推进效率的对转桨扇。虽然对转桨扇不是发动机热力循环参数,但是其提供了绝大部分的推力,对开式转子发动机的性能优劣起着关键的制约作用。本文采用对转桨扇性能计算模型,考虑了输入总功率、前后排桨扇功率分配比例、前后排桨扇直径比例等几个关键因素,对对转桨扇的匹配特性进行了研究,为开式转子发动机核心机和对转桨扇的最优化匹配设计提供依据。     

对转桨扇三维流场特性数值研究

对转桨扇（Contra-rotating propfan,CRP）是下一代民用航空推进备选方案开式转子发动机最重要的气动部件,其气动性能对整机性能影响显著。本文对不同进距比下的对转桨扇三维流场进行数值模拟,结合压气机及螺旋桨相关理论分析了对转桨扇内部流场及其滑流区涡结构和滑流特征。结果表明,对转桨扇后排流动特征及性能参数变化幅度均超过前排。对转桨扇实际进口气流角受到轮毂附面层、诱导速度、抽吸效应的共同影响,可根据不同叶高位置轴向速度的分布规律判断三种影响分别起主导作用的位置。在对转桨扇滑流区中,桨尖涡是导致损失的主要原因,径向涡量衰减比周向和轴向涡量衰减更快。对转桨扇滑流在径向上影响至3.5倍叶高位置。气流出后排桨扇后会持续加速直至静压达到环境压力,加速区域长度约为5倍桨扇半径。     

开式转子发动机对转桨扇设计

高推进效率的对转桨扇是开式转子发动机最关键的部件之一。国外航空强国对其开展了大量的CFD计算分析及试验验证工作,优化气动性能,降低噪声等级,以满足适航标准;国内目前尚缺乏对开式转子对转桨扇设计技术和CFD分析的相关研究。本文在现有压气机设计技术的基础上,改进CFD设计分析方法,探索设计出开式转子发动机的对转桨扇,并进行了三维定常流场分析。通过与国外文献研究结果的分析对比,初步验证了本文设计和计算结果的合理性。     

考虑污染物排放的开式转子发动机总体性能建模及分析研究

开式转子发动机兼具涡桨发动机高推进效率和涡扇发动机高飞行速度的特点,是未来民用单通道客机理想动力装置之一。为了掌握开式转子发动机的性能变化规律,明确开式转子发动机相比于常规大涵道比涡扇发动机节油和降低污染物排放的优势,本文基于螺旋桨相似理论和动量理论,建立了考虑前后排桨扇相互影响的对转桨扇模型;与双轴燃气发生器进行匹配,建立了三轴齿轮传动开式转子发动机模型;同时建立了发动机污染物排放计算模型;对同技术水平的开式转子发动机和大涵道比涡扇发动机进行了性能对比。结果表明：所建立的对转桨扇模型与实验结果误差较小,最大误差不超过3%。飞行马赫数增大,桨扇功率系数增大,推力系数减小,耗油率增大;飞行高度增加,桨扇功率系数和推力系数均增大,耗油率呈减小的趋势。相比于同技术水平的大涵道比涡扇发动机,开式转子发动机在典型工况下的耗油率降低9%以上。在飞机起飞着陆循环内,开式转子发动机的UHC,CO和NO_x三种污染物排放指数相比于大涵道比涡扇发动机降低10%以上,表明开式转子发动机可有效降低航空污染物的排放。     

开式转子发动机研究进展

开式转子发动机以高推进效率、低燃油消耗率和低污染物排放的"一高两低"优势,成为经济友好型航空发动机的典型代表,是下一代民用飞机潜在的动力备选方案之一。本文主要从开式转子发动机总体性能仿真技术、对转桨扇设计技术、传动附件设计技术、部件及整机试验技术等四个方面,分析开式转子发动机研发历史及相关技术研究进展。结合国内开式转子发动机研究现状,梳理出开式转子发动机的发展脉络,归纳出开展开式转子发动机研究所涉及的关键技术,并对未来的研究重点和发展路线进行展望,以期为开式转子发动机相关技术的后续研究提供技术支持。     

螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟，以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一，引入其特性图，用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡，发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型，实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数，和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

齿轮传动对转桨扇发动机总体性能建模

为了开展齿轮传动对转桨扇发动机总体性能计算，在双轴涡桨发动机性能模型基础上完善了减速器与对转桨扇性能计算模型，通过构建求解方程组完成了齿轮传动桨扇发动机总体性能建模。计算表明，本模型设计点性能计算结果与公开文献计算结果误差不高于0.1%。本模型可在控制规律设计中选择桨距角为被控参数，且桨距角的调节对对应桨性能及转速影响最大；选定燃气发生器某一参数作为被控参数，再从前后桨桨距角、转速及自由涡轮转速中选取两个被控参数，组合形成的10种三变量组合控制规律均能在本模型中完成计算。结果表明，本模型可支持开展桨扇发动机控制规律设计与性能计算，具有良好的适用性与收敛性。     

拉力式对转桨扇发动机的建模与性能评估

为了分析桨扇发动机的总体性能,为桨扇发动机的预研工作提供方案,建立了一种三轴拉力式对转桨扇发动机的仿真模型,将桨扇发动机看成桨扇和涡轴发动机匹配的结构。桨扇建模基于相似原理,从单排桨扇的气动性能入手,并考虑了桨扇轮毂的影响以及前后排对转桨扇的相互影响和空气流道的收缩,模型与实验数据的误差在2%以内。核心机建模采用三轴涡轴部件级模型。基于该模型进行了桨扇发动机的性能评估。结果表明,桨扇和进气道的耦合作用对发动机性能影响很小,可以忽略。桨扇轴距半径比对发动机性能有一定影响,可以设置在0.4~0.6以内。前后排桨距角始终保持为56°,当高度增加时,总推力下降、sfc上升。当马赫数增加时,总推力先下降再上升,sfc先上升后下降。桨距角是重要的性能调节参数,4°的桨距角变化量可以带来64%的推力变化。     

面向飞机总体设计的开式转子发动机分析模型

应用高速桨扇试验数据与涡轴核心机估算模型相结合的方法,建立了一种快速的、能用于飞机总体方案论证阶段的开式转子发动机分析模型.它使用少量的总体参数即可估算出开式转子发动机推力与耗油率特性、质量和外形尺寸,计算速度快.通过对比模型的估算结果与文献的试验数据,证明其精度能够满足飞机总体初步方案论证的要求,可用于评估采用开式转子发动机带来的收益.      

级环境下附面层抽吸对对转压气机性能的影响

为研究级环境下附面层抽吸(BLS)对对转压气机性能影响的机理,针对某双排轴流对转压气机转子进行附面层抽吸的探索.在前排转子R1(Rotor 1)、后排转子R2(Rotor 2)吸力面沿弦向不同位置分别开设3个不同抽吸槽,研究了不同吸气位置与吸气量下R1单独吸气、R2单独吸气对对转压气机流场结构及性能的影响.结果表明:R1单独吸气时,随吸气量增加,R1效率提高,R2效率降低,对转压气机整机效率先增大后减小,最佳吸气位置靠近R1尾缘;R2单独吸气时,随吸气量增加,R1效率基本不变,R2效率先增大后减小,对转压气机整机效率先增大后减小,最佳吸气位置靠近R2尾缘;附面层抽吸后落后角明显减小,叶排间的气流参数匹配是级环境下附面层抽吸需要考虑的重要因素.      

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。     

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成，而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验，研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制，提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法，完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试，对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明，某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz，并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论，将声源频率在不同坐标系下进行转换，当噪声源周向模态数为13时，该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

浸入式贴体网格边界方法的对转桨扇非定常流动数值模拟

应用所提出的浸入式贴体网格边界方法和开发的CFD程序,进行了对转桨扇跨声速全周叶片流场的非定常数值模拟。介绍了程序流程、网格生成策略和求解器原理。分析了前、后桨叶尖涡、尾缘涡的非定常干扰对叶片表面流场的影响。统计了对转桨扇的推力、功率和推进效率的非定常波动,并同NUMECA模拟的定常结果进行了对比,结果发现两种模拟得到的后桨总体参数差别大于10%。相比于NUMECA的对转桨扇单通道定常模拟,所提出方法及程序具有更为便利的网格构建,在使用相同量级网格总数的情况下,可以模拟全周叶片通道流场,并揭示对转桨扇无通道周期性的特征。      

航空发动机进气及叶栅通道内砂粒动力学特性分析

为提高发动机的吞砂、防砂能力,需要了解砂粒在发动机中运动规律及对发动机性能的影响。采用欧拉-拉格朗日法对E3发动机整流罩、风扇和增压级进行了砂粒与气流的耦合作用分析计算,加入颗粒碰撞模型和侵蚀模型。仿真分析结果表明:砂粒运动轨迹和侵蚀区域符合发动机使用规律。砂粒进入发动机与风扇叶片压力面发生碰撞,砂粒发生碰撞后大部分进入了外涵流道。砂粒碰撞位置主要集中在风扇叶片压力面处,风扇对颗粒运动轨迹的影响最显著,碰撞后的颗粒有明显的径向运动趋势,叶顶区域的颗粒富集程度较高。整流罩、风扇叶片压力面及外机匣壁面都发生较为严重的砂粒侵蚀现象,而增压级叶片砂粒侵蚀现象不明显。      

基于BWI辐射效率的低气动噪声共轴对转螺旋桨的设计研究

将共轴对转螺旋桨气动噪声快速预测理论与气动载荷快速预测方法相结合,对共轴对转螺旋桨远场气动噪声进行预测。分析了BWI辐射效率对共轴对转螺旋桨BWI干扰噪声的主控影响。对从低至高的(单排6-12)前后等桨叶数对转桨进行了研究。结果表明虽然低桨叶数与高桨叶数对转桨的气动噪声特性不同,但是总体上前后指向性的高声压区仍然是由BWI噪声控制。同时等桨叶数的设计只是使高声压区更集中,却无法对其进行降低。随后,对比了不同桨叶数共轴对转螺旋桨远场气动噪声的表现,认为不等桨叶数对转桨气动噪声普遍优于等桨叶数情况。得出了总桨叶数相同情况下对转桨前后桨叶数的搭配方案。对近场噪声高精预测方法将在未来的研究中对辐射效率的具体机理进行研究。     

前缘侵蚀对风扇转子叶片气动特性的影响机理

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标，数值模拟了航空发动机风扇转子叶片在航线运行过程中受到侵蚀效应后的气动特性衰变情况，为后续的精细化维修奠定理论基础。风扇转子叶片侵蚀后，叶片前缘将逐步蜕变为钝头叶型并且伴随有明显的表面粗糙度。为了简化研究，假设侵蚀后的转子叶片前缘粗糙度均匀分布，分别计算了前缘粗糙度为120 μm、250 μm两种前缘侵蚀程度下的风扇转子特性。研究结果表明，风扇转子峰值效率相比于原型叶片依次下降了1.63%和2.39%。当前缘粗糙度为250 μm时，风扇转子叶片吸力面前缘近壁面极限流线有分离迹线产生，出口平均马赫数下降2.03%。