涡轮电力分布式推进设计参数优化选择分析

为研究涡轮电力分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion system简称TeDP）设计参数的选择，基于部件法对整个TeDP系统建立设计点性能计算模型，推导了TeDP的有效功在涡轴尾喷管和风扇系统间的最佳分配关系。在此基础上，以ECO-150-300客机作为应用对象，采用差分进化算法，以设计巡航点的耗油率作为优化目标，对TeDP的循环参数进行优化选择；然后对优化后的循环参数进行分析，并将优化结果与大涵道比涡扇发动机作对比。结果表明，优化后的巡航耗油率比原系统下降了7.68%；存在最佳风扇设计压比使风扇涵道效率最高，最佳设计压比与涵道的总压损失有关；TeDP系统的耗油率对电部件传输效率、自由涡轮效率和风扇绝热效率最为敏感，当效率分别降低1.0%时，耗油率分别上升1.0%,0.94%和0.85%；与涵道比为20的齿轮传动涡扇发动机相比，当电部件传输效率大于0.95时，TeDP才显现经济优势，当电部件传输效率接近1时，TeDP耗油率下降了5.40%。     

部件性能非确定性对涡轴发动机性能影响量化方法研究

航空发动机各部件性能非确定性的累积叠加会导致发动机总体性能的非确定性。建立了基于蒙特卡洛概率设计方法的非确定性涡轴发动机数学模型,用以量化发动机各部件性能的非确定性对发动机性能的影响。结果表明:各部件性能按正态分布进行非确定性变化时对发动机性能有明显影响,与发动机确定性模型所计算的性能100%达标相比,输出功率的达标概率为49.32%,耗油率的达标概率为50.83%,模型量化结果合理且均方根误差小于3%。发动机在采用限制涡轮前温度的控制规律后,输出功率和耗油率的达标概率进一步降低。     

涡轴发动机性能参数的等效换算

涡轴发动机采用自由涡轮物理转速为常数的调节规律不能保证发动机在工作条件变化时的完全相似,论证了传统相似换算公式在涡轴发动机上存在过大误差.利用某型涡轴发动机数学模型开展仿真研究,提出了涡轴发动机试验性能参数的等效换算方法.在某型发动机上的初步应用表明采用该方法可以有效减小功率和耗油率的换算误差,从而为制定涡轴发动机的试验性能修正标准和出厂验收考核规范奠定了基础.      

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

带级间燃烧的涡轴发动机性能仿真

为了分析涡轮级间燃烧技术对常规涡轴发动机性能提升的潜力,针对两种带级间燃烧的涡轴发动机性能方案,分别建立了部件级稳态性能计算模型,并通过仿真对比分析了级间燃烧室不同温升及总压损失条件下发动机的整机性能,结果表明:级间燃烧室总压恢复系数和温升对单位功率和总功率影响较大,当级间燃烧室总压恢复系数为0.95、温升为200K时,保持进口空气流量不变,涡轴发动机单位功率和总功率增加17%,耗油率增加约11%;在高的级间燃烧室温升条件下,适当增加动力涡轮导向器面积,改善涡轮流通能力,有利于进一步提高整机功率,降低动力涡轮前温度;两种方案对比,在涡轮过渡段设置级间燃烧室空间上更好布置,性能上更占优势.      

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.      

进口导叶可调的涡轴发动机性能寻优控制模式

根据变比热容原理建立了进口导叶可调的涡轴发动机部件级全包线数学模型;仿真研究了涡轴发动机的最大功率、最低油耗、最低涡轮前温度控制模式.仿真结果表明:建立的涡轴发动机数学模型具有较高的准确度;采用最大功率控制模式在整个包线范围内显著提高了涡轴发动机的功率;采用最低油耗控制模式保证功率基本不变,而耗油率明显降低;采用最低涡轮前温度控制模式,能够保证功率基本不变,动力涡轮前温度显著降低.      

基于差分进化算法的涡喷发动机增推研究

根据已建立的小型单轴涡喷发动机部件级稳态模型,采用单变量法,分析各部件特性参数变化对发动机推力、耗油率等性能参数的影响。通过差分进化算法对各变化参数进行优化,找出在满足给定限制条件下使性能达到最优的参数调整组合。由于给定的限制条件以及优化目标可以灵活多变,使得该方法在增推优化以及其它改型方面具有很好的灵活性。计算结果表明,在转速不变,涡轮前总温不超过允许值,压气机喘振裕度不降低,耗油率不升高的条件下改进压气机的压比、换算流量、以及效率等参数,能使发动机推力增加25%以上。     

涡轴发动机试飞辅助监控模型研究

为了完成飞行试验中的涡轴发动机重要参数监控,利用飞行试验数据结合神经网络方法建立了某涡轴发动机的重要参数模型,输出参数包括发动机轴功率、耗油率、燃气涡轮后温度。通过对比模型输出和试验状态点,评估了模型的准确度,确定了模型应用的置信区间。将神经网络模型应用于飞行试验中不同高度、不同温度条件下的数据,模型输出结果与试验结果吻合较好,证明了模型的有效性。     

涡轴发动机整机吞砂试验及性能退化评估

为系统掌握砂尘侵蚀对涡轴发动机整机和零部件的影响,分析了国内外整机吞砂试验条款的差异及适用性,开展了某涡轴发动机整机吞砂试验研究。依据气动热力过程约束方程和发动机整机匹配约束条件,建立了涡轴发动机试验数据快速评估模型,完成了整机及各部件性能退化评估,并利用公开文献数据进行了对比分析。结果表明：功率和耗油率随吞砂时间呈二次函数规律退化,吞砂10 h功率损失10.2%,耗油率升高3.2%;吞砂造成压气机一级叶片弦长变短0.7%～3.4%、厚度减薄1.0%～3.0%,压气机流量下降4.1%、效率下降3.1%、增压比下降4.5%;燃气涡轮冷却气膜孔存在轻微堵塞和表面烧蚀,冷气量减少1.5%,效率下降0.5%;而动力涡轮效率因叶片表面光洁度提高有小幅提升。