航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真

针对航空发动机全包线工作下的多变量变增益控制器设计问题,给出了一种改进的埃德蒙德算法（以下简称KQ算法）并进行了仿真应用。首先,阐明了多变量KQ算法的控制原理与优化算法,进而通过闭环期望函数选择、控制器结构选择以及控制器参数优化进行了KQ控制器设计,并针对所设计的KQ控制器,给出了稳定性证明和系统奇异值分析。分析表明所设计KQ控制器能够使系统闭环稳定,且具有满意的低频指令跟踪、干扰抑制能力、传感器噪声的抑制、高频未建模动态的鲁棒稳定性和低频发动机建模误差不敏感等性能,满足发动机控制要求。其次,通过调度变量选择、设计点KQ控制器设计以及采用插值方法的非设计点KQ控制器设计等过程实现某型涡扇发动机的多变量KQ变增益控制器设计研究,并进行仿真验证。仿真结果表明,设计点条件下,当涡轮后温度和增压比参考输入均为阶跃信号时,其被控参数响应速度很快,且上升时间均小于1 s,耦合影响小于6%,设计点KQ控制器满足控制要求;非设计点条件下,利用插值方法建立的KQ变增益控制器具有较好的性能,能够实现该型涡扇发动机全包线控制性能要求。      

多级导流诱导轮与叶轮一体型线优化

通过分析型线参数化系数与结构参数的相关性联系,实现基于型线的参数化改型,从而达到多级导流一体式诱导轮与叶轮性能优化的目的。采用最小二乘法实现叶轮型线拟合,将拟合型线模型的计算流体力学(CFD)仿真结果与原模型的试验结果进行对比,结果表明:仿真结果与原模型试验结果扬程值和效率值误差均小于2%,使用的拟合方法能够实现型线优化。通过分析拟合型线参数化系数与叶轮进出口安装角等的相关性联系,对不同结构参数模型进行型线优化,并对其性能进行仿真对比。结果表明:3组型线模型的内流场整体上正常稳定,其叶轮的各个流道出口和蜗壳隔舌处存在一定范围的低压区,且由于隔舌处漩涡流动的影响使得扩散管出口存在一定区域的高速团。型线3为最优的型线模型,其扬程值与效率值均达到了优化目的,且在设计工况下,其性能提高最为明显。      

建模不确定性下变循环发动机自适应控制器设计

针对变循环航空发动机存在建模不确定情况下的多变量控制器设计问题,给出了一种最优律下的增广模型参考自适应跟踪补偿设计方法,阐明变循环发动机建模不确定性并引出LQR(Linear Quadratic Regulator)基准控制器动态跟踪不足的问题,进而在基准控制器反馈控制结构框架下,分别实现以下技术突破:确定期望闭环动态的参考模型、基于李亚普诺夫函数严格稳定证明下建立存在建模不确定性的自适应律等,最终以达到系统跟踪误差渐进为零的目标,改善系统不确定性的动态跟踪问题。对变循环航空发动机的控制器仿真结果表明:增广模型参考自适应控制方法改善了原LQR基准控制器对存在建模不确定性时的控制问题,有效地实现了控制指令跟踪,达到了所期望的动态响应,且自适应参数一致渐进稳定。同时,各标称点的稳态控制误差均小于0.3%,系统超调量小于0.8%,调节时间小于1s,符合航空发动机控制系统技术要求。     

涡轮盘及槽底瞬态温度场及应力场分析

本文提供了用有限元素法对瞬态及稳态温度场及应力场进行计算分析的方法及程序。用加权余数法直接对轴对称瞬态热传导方程求解,对空间域及时间域离散建立有限元表达式。 以现有某型发动机Ⅰ级涡轮盘为算例,计算了起动、慢车、最大、冷机和停车等各种工况下的温度场及应力场。由此得出应力最大部位与应力幅值最大的部位,而且两者并不在同一部位。而疲劳裂纹常常发生在槽底应力变化幅值最大的部位。     

中心负载管道式整体火箭冲压发动机转换试验

本文介绍了为有效地进行整体式火箭/冲压发动机转换试验所研制的试验台设备和所采用的技术。在具有代表性的先进的试验用巡航导弹上及试验环境条件下进行的试验表明这些试验设备及试验程序是成功的,从而证实了这种高性能中心负载管道式推进器方案的可行性。该种推进器方案要求冲压发动机火焰稳定器和燃料喷射器安装在两个固体推进剂药柱中间。选用转换试验方法的原因是由于该方法可得到试验件和环境条件的真实的热/时间变化曲线。试验项目包括部件检测试验,确立基本性能的燃烧室点火试验,验证试验台运转特性的模拟转换试验以及论证整个设计方案的火箭/冲压发动机转换点火试验。     

紧凑式换热器全高度传热特性研究

发展了可工程应用的紧凑式换热器传热模型,从三个层次对换热器进行讨论。针对空气循环制冷系统中的换热器,分析了二轮低压除水和二轮高压除水空气循环制冷系统中换热器的传热特性,计算结果与试验数据符合良好。该方法利用较少的实验数据即可得到全高度特性,不仅满足工程计算的要求,而且为评估换热器性能提供了理论依据。     

航空齿轮泵滑动轴承接触状态流体润滑特性

针对航空齿轮泵处于高负荷状态齿轮轴-轴瓦润滑间隙的润滑问题,将CFD仿真与齿轮轴刚性模型相结合实现了基于CFD径向运动分析的瞬时润滑计算。得到了齿轮泵瞬态场影响下的齿轮轴径向微动情况,在此基础上基于轴承三维热流体润滑计算模型和微凸体接触模型实现了对润滑油膜在高偏心接触状态的特性分析。结果表明:齿轮泵CFD仿真结果与试验结果的误差小于10%,而仿真得到的内流场的瞬变性将通过改变齿轮轴所受径向载荷的波动形状从而影响到轴承的润滑特性。通过对轴承润滑模型的数值计算发现:相比于非接触状态,轴承处于高偏心接触状态时介质的高温、低黏现象加剧。     

耦合CFD径向微动分析的航空齿轮泵轴承起动瞬时润滑特性研究

为研究处于动态起动过程中航空齿轮泵齿轮轴-轴瓦隙内油膜的润滑问题,在齿轮泵CFD仿真模拟的基础上,基于齿轮轴所受载荷与轴承间隙起动混合支撑作用的动力学关系,实现了耦合CFD的轴心径向微动分析。对处于齿轮泵瞬态场影响下的滑动轴承起动瞬时润滑特性及接触行为进行了数值分析。仿真结果表明:齿轮泵瞬态场变化产生的载荷波动对轴心微动产生的影响在起动低偏心阶段更为明显,造成的最终静平衡位置在不同方向上差异为0.43%和7.29%;润滑界面微观粗糙度的影响存在于起动高偏心阶段;在泵进口压力不变的条件下,其出口压力的增大不改变固体接触力的作用时间,但会使接触现象加剧;齿轮泵稳定工作转速的增大会减小接触作用时间,并且使不同方向接触力的差值减小;齿轮泵工况改变对于最小油膜厚度的影响相似于轴心轨迹,当出口压由3.02MPa增至9.1MPa时,最小膜厚减小率最大可达26.32%和101.43%。     

基于混合区域极点配置的航空发动机全包线鲁棒变参数控制器设计

针对航空发动机全包线多变量鲁棒变增益控制器设计问题,提出了一种基于混合区域极点配置的鲁棒变参数控制方法。利用Jacobian方法建立多调度参数下的发动机仿射线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,用于描述发动机全包线内的非线性动态特性;针对上述LPV模型,采用仿射参数依赖Lyapunov函数设计具有H∞鲁棒性能的状态反馈控制器,给出了控制系统全局稳定性的证明;并利用混合区域极点配置方法,将闭环系统极点配置到左半平面指定位置,以保证控制系统的动态特性及稳定裕度;进而引入凸多胞技术,将参数依赖线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)方程转化为有限维LMI进行控制器求解,并得到了全局解。针对涡扇发动机的仿真结果表明:存在复杂量测噪声干扰条件下,鲁棒变参数控制器可以实现发动机全包线内控制指令的精确跟踪,系统阶跃响应的调节时间不超过1.5s,系统无超调,对控制期望的稳态跟踪误差在0.02%以内,符合发动机控制系统技术要求。     

应用声发射对火箭发动机壳体行非破坏检查

前言声发射(Acoustic Emission简称AE)无损检验最近被重视。AE方法是利用物体受到应力时,从缺陷或应力集中部位发出的声发射,进行检查的方法,从AE的发生程度,而知道缺陷的位置和程度。AE法与其他的无损检验方法(射线、超声波等)不同,其他方法是测量静态缺陷的大小和位置,来判断有害度,AE法可以由AE信息直接知道物体实际承受应力时,缺陷及应力集中部分与其他部分比较有什么危险。