涡桨发动机总体性能优化设计

为提高非设计状态下发动机总体性能预估精度,发展了0D/2D耦合总体性能预估方法。针对某型3轴涡轮螺旋桨发动机建立了基于T-MATS平台的涡桨发动机总体性能0D仿真模型。对涡桨发动机可用功分配提出了2种优化方案。对原方案和2种优化方案的自由涡轮、尾喷管2个部件进行了2D流道和叶型设计,通过S_1流面与通流CFD计算验证了所设计部件的气动性能满足发动机总体性能指标要求。为提高非设计状态下发动机总体性能预估精度,采用0D/2D耦合总体性能预估方法分析了3种方案。结果表明:优化方案1使发动机当量耗油率在设计、巡航、地面状态分别降低2.1%、1.2%、2.0%。     

核心机派生涡扇发动机部件及整机匹配

以核心机与低压系统的部件及整机气动热力匹配关系为理论依据,在全面考虑低压压缩系统与核心机压气机的匹配约束关系、核心机涡轮工作状态相应变化以及派生发动机内外涵整机匹配的多因素下,建立了核心机派生涡扇发动机部件及整机气动热力循环匹配算法模型.应用该模型,进行了核心机派生涡扇发动机循环参数及性能趋势分析,计算结果表明高低压和整机匹配约束直接影响核心机派生涡扇发动机循环参数和整机性能,为核心机派生系列化涡扇发动机工程实践应用中所涉及的部件/整机参数匹配及性能预估提供分析和设计参考.      

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.      

中冷回热航空涡扇发动机热力循环初步分析

中冷回热航空发动机是在常规发动机循环基础上加入了中冷和回热两个环节,有效利用了发动机排放的热量,提高了热效率,降低了耗油率,是新概念节能环保发动机.利用MATLAB平台,建立了基于部件特性的三轴分排涡扇中冷回热发动机总体性能仿真模型.利用该模型对分排涡扇中冷回热发动机进行性能仿真计算和热力循环分析.计算结果表明:在相同的循环参数和单位推力水平下中冷回热航空涡扇发动机比常规循环涡扇发动机具有更低的耗油率.      

变循环涡扇冲压组合发动机发展现状及关键技术分析

总结了国内外变循环涡扇冲压组合发动机的发展现状,对比分析了有/无能量传递构型的变循环涡扇冲压组合发动机的工作原理及优缺点。提炼了变循环涡扇冲压组合发动机的关键技术,包括总体性能仿真技术、高速宽工况风扇设计技术、加力/冲压燃烧室设计技术、热管理系统设计技术以及模态转换设计技术。基于国内需求和相关技术研究现状,给出了变循环涡扇冲压组合发动机后续重点研究方向的建议,包括发动机总体性能设计与仿真工具、发动机多设计点多学科耦合设计方法、发动机热管理系统设计与仿真建模以及关键部件的设计与试验。     

不同维度缩放方法在航空发动机总体仿真中的应用

为了研究完全耦合和迭代耦合方法的实现途径及两种方法的差异,针对涡扇发动机,建立了风扇部件的二维仿真模型,发展了基于完全耦合和迭代耦合两种维度缩放方法的发动机多维度仿真模型,对比分析了两种方法在仿真结果、计算速度及可操作性等方面的差异,同时对比了基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型与多维度仿真模型的计算结果。结果表明:采用完全耦合方法进行维度缩放时,需要结合部件二维仿真模型对边界条件的要求调整迭代变量,同时需使用发动机零维仿真模型的计算结果作为多维度仿真模型中迭代变量的迭代初值,才能保证模型的收敛性;采用迭代耦合方法进行维度缩放时只涉及部件二维仿真模型与发动机零维仿真模型之间的参数传递控制,更容易实现。在计算均收敛的情况下,基于完全耦合方法与迭代耦合方法的发动机模型的计算结果无明显差异,但后者的计算速度更快。与基准模型相比,基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型计算得到的推力最大误差大于8.34%,而多维度仿真模型的推力和耗油率的误差均小于3%,多维度仿真模型可更准确地预估发动机性能。     

升力风扇和涡扇发动机组合动力系统性能模拟与分析

基于部件匹配和多设计点分析技术,发展了加装升力风扇的涡扇发动机性能计算模型.以F135涡扇发动机为例,对模型的可靠性进行了验证.数值模拟结果表明:升力风扇不工作时,涡扇发动机性能模拟与常规涡扇发动机是一致的,当升力风扇工作时,若实现低压涡轮与涡扇发动机风扇、升力风扇工作点的匹配,不仅需要调节尾喷管喉道面积,而且可变外涵道出口面积、低压涡轮导向器喉部面积也需要调节.基于该模型,可以进行带升力风扇的涡扇发动机循环参数匹配和不同任务状态的性能分析.      

涡扇发动机低压部件通流耦合计算

为了研究各部件匹配与过渡段几何参数对发动机总体性能的影响,针对某涡扇发动机风扇、低压涡轮、内外涵道、掺混段和尾喷管等部件,基于周向平均Navier-St okes通流控制方程,采用时间推进有限体积法进行了部件耦合计算求解,将沿程各部件性能计算参数与试验做了对比,结果表明:在设计状态下发动机沿程各截面计算特征参数与试验值最大误差不超过5.0%,说明该通流耦合计算方法能够快速预估发动机总体性能,完善各部件匹配关系,在发动机总体设计初期有一定工程应用价值。     

基于直二元喷管形面尺寸的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,开展了基于直二元喷管形面尺寸的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

考虑部件约束的涡扇发动机循环参数分析方法研究

在涡扇发动机初步设计阶段,为了研究部件气动、结构、强度参数对于发动机循环参数求解域的约束,在发动机总体性能稳态计算模型以及尺寸流路计算模型的基础上,利用部件初步设计时采用的Smith图,基于牛顿迭代法构建了一种总体/部件耦合计算方法。在部件主要设计参数的约束边界基础上,采用该方法,能够获取同时满足总体和部件设计要求的循环参数求解域,并进一步获得部件的主要设计参数。使用该方法对第四代双轴混排涡扇发动机EJ200开展了算例验证,获取了部件约束条件下的发动机循环参数求解域,与公布的EJ200数据对比表明,主要部件设计参数误差<4%,表明该方法可以满足工程应用要求。     

基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,本文开展了基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

核心机派生匹配性能模型及其应用

以成熟的核心机为基础,匹配带不同涵道比风扇（或带增压级）的低压系统,可以派生出不同推力级别的军用或民用涡扇发动机。本文以核心机派生中的部件,整机气动热力匹配关系为理论依据,建立了核心机派生涡扇发动机匹配和性能计算模型,该模型能对核心机在不同工作点下匹配不同低压系统所派生的发动机进行方案设计,并对其设计点和非设计点性能进行预估。     

航空发动机性能与二次空气系统的耦合仿真模型

提出了一种航空发动机整机全流域零维仿真方法。该方法采用模块化建模的思想，集成并实现了发动机过渡态总体性能模型与空气系统模型之间的动态数据交互和耦合求解，基于面向对象的技术开发了模块化的仿真程序，以某涡扇发动机的核心机为对象建立了仿真算例，模拟并分析了过渡过程中空气系统各引气、汇流支路的动态变化及其对发动机总体性能参数的影响。结果表明:发动机主流道与内流空气系统的动态交互作用虽然并不会显著影响发动机过渡过程总体性能参数，但却足以造成空气系统各局部支路显著的非均衡响应，这是现代高性能航空发动机精细化设计中不应忽略的因素。      

涡扇发动机部件特性自适应模拟

发展了一种预测发动机部件特性的自适应模型方法，该方法以通用特性为基础，运用单纯型优化方法，以发动机主要性能参数和过程参数偏差函数最小为优化目标，以部件特性耦合因子为被优参数，预测出不同飞行条件下的涡扇发动机的风扇、压气机、燃烧室、高、低压涡轮等部件特性。运用该模型对某涡扇发动机性能的计算结果表明，发动机主要性能参数和过程参数的计算偏差均在0．5％之内，对发动机各截面总温、总压计算偏差均在1％之内。预测出的部件特性已成功用于发动机故障诊断方程的建立。     

大涵道比发动机多级低压涡轮试验技术研究

涡轮试验是检验涡轮性能是否达标的重要过程。基于某全尺寸涡轮试验器、现有涡轮试验方法和试验规范,通过对试验器进行适当设备改造,结合试验涡轮的进出口压力、温度、流量和功率等参数的耦合关系,形成针对大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮性能试验状态评估、过程控制和数据分析方法,并通过国内某型大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮试验进行验证。试验结果表明:基于试验参数耦合关系的试验状态评估、过程控制和数据分析方法有效,填补了国内大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮试验方法和试验数据的空白,同时,该型发动机低压涡轮的效率达到设计指标,处于国内先进水平,所述方法可为国内后续多级低压涡轮试验提供参考。     

大涵道比涡扇发动机几何面积调整研究

理论分析大涵道比涡扇发动机高/低压涡轮导向器、内/外涵喷口面积变化对发动机整机性能及各部件的影响。采用大涵道比涡扇发动机总体稳态计算程序,在控制低压转子转速不变的条件下,计算上述部件单一几何面积变化对发动机推力、耗油率、转差、裕度、排气温度等总体性能参数的影响,及放大面积后风扇、增压级和高压压气机等压缩部件工作点及喘振裕度的变化趋势,为大涵道比涡扇发动机整机性能调试提供指导。     

某型涡扇发动机起动过程数值模拟

基于发动机设计点参数和压气机、涡轮高转速特性数据,完善了一种计算风扇、高压压气机和高、低压涡轮小转速特性近似方法,并进一步基于涡扇发动机部件匹配技术,建立了某型涡扇发动机起动过程计算模型及相应算法,给出了比较合理的发动机起动过程模拟结果.      

基于非线性系统平衡流形的某型涡扇发动机建模研究

基于非线性系统平衡流形式建模理论,直接利用涡扇发动机试车数据,通过辨识计算,建立了各主要状态参数与燃油流量和高压转子转速的状态方程关系式,由此建立了某型涡扇发动机的实时动态仿真模型.并且仿真结果与试验吻合好,且其单步计算耗时较短,从而为该涡扇发动机开展实时性仿真、进一步完善发动机性能分析和改进其控制系统设计奠定了良好的基础.      

基于粒子群核极限学习机的涡扇发动机加速过程模型辨识

针对解析法建立涡扇发动机加速过程模型精度和实时性不高的问题,提出了一种基于粒子群核极值学习机(PSO-KELM)的涡扇发动机加速过程模型数据驱动辨识方法,构建涡扇发动机加速过程模型,结合加速过程试车数据,利用PSO-KELM方法对该加速模型进行辨识。试验结果表明:低压转子转速、高压转子转速和低压涡轮出口燃气总温都较好地逼近了试车数据,最大相对误差均值分别为1.013%,0.355%和1.055%,平均计算时间为0.04ms。精度和实时性均优于反向传播神经网络和粒子群支持向量回归方法,可用于发动机状态监控和性能优化控制。     

一种航空发动机的分段实时线性动态模型

针对喷口不可调涡扇发动机实时线性动态模型的建立问题,提出了一种基于粒子群优化算法小偏差状态空间模型的方法.选取高压转子换算转速为增益调度参数,根据发动机相似原理,建立了发动机全飞行包线分段实时线性模型.全飞行包线内所提出的分段实时线性模型与非线性模型仿真对比结果表明:涡扇发动机高压压气机出口总压、低压涡轮出口温度、高压转子转速和低压转子转速的最大相对误差不超过3.5%,仿真结果验证了该方法的有效性.