某型涡扇发动机热起动性能故障分析与调整研究

本文针对国内翻修后的某型涡扇发动机起动性能有所下降,造成外场在炎热天气下使用时起动困难的问题进行原因分析和调整研究.     

基于改进牛顿法的航空发动机起动建模技术

为进行涡扇发动机起动过程性能仿真研究,在发动机慢车以上部件级模型的基础上,通过指数外推法获得低转速部件特性,在建立起动附件模型的同时,修正起动过程各部件总压恢复系数,从而建立起包含地面起动过程的全状态性能模型。在求解发动机各部件共同工作非线性方程组时,采用基于传统牛顿拉夫森迭代求解方法的改进方法,即在第1次完成中心差分得到Jacobian矩阵后,使用修正项迭代更新上一步的Jacobian矩阵。结果表明:该建模方法可以有效地建立起动过程性能模型,并大幅改善模型的执行效率、提高模型仿真求解速度。     

壁面粗糙度对高超声速进气道气动性能的影响

为探究壁面粗糙度对于高超声速进气道气动性能的影响,采用经过校验的数值仿真和理论分析相结合的方法进行研究。结果显示:同一飞行马赫数下,随着壁面粗糙度的增加,进气道的流量系数、总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低,而静压比、压差阻力系数、摩擦阻力系数以及起动马赫数则逐渐增大;不同飞行马赫数/不同钝化半径下,进气道性能参数随壁面粗糙度的变化规律相似,均表现出较好的拟合规律,据此获得的拟合公式及光滑壁面进气道的气动性能可预估不同壁面粗糙度下进气道的气动性能;就本文研究的进气道而言,当壁面相对粗糙度从0增加至0.625%时,进气道起动马赫数从4.25增加至4.85。壁面粗糙度增加,导致进气道沿程附面层增厚是进气道气动性能参数出现上述变化规律的主要原因。     

某型涡轴发动机高低温起动性能试验与分析

开展了采用RP-3燃油和RP-5燃油的涡轴发动机高低温起动性能对比试验。分析了不同环境温度下转子的阻力矩和电动机扭矩的变化规律,指出了当前计算方法的局限性;对比了环境温度、燃油种类、燃油流量对发动机起动性能的影响,摸索出了该型发动机低温起动极限温度。试验结果表明:随着温度降低,滑油黏度增大,转子阻力矩增大,发动机带转转速和转子自转时间显著降低;在极限低温条件下,两种燃油对涡轴发动机起动性能影响非常大,而在高温条件下,采用上述两种燃油,发动机起动性能基本一致;该型发动机采用RP-3燃油能在-40 ℃环境下成功起动,而采用RP-5燃油,经过调油等措施最终只能在-20 ℃环境下成功起动;在一定范围内,增加燃油流量,能改善发动机采用RP-5燃油的起动能力。研究结论为同类发动机高低温试验提供了参考。      

民用涡扇发动机起动过程改进的分段组合控制计划研究与试验

针对某型民用涡扇发动机,将n-dot闭环控制算法应用于涡扇发动机起动过程,设计了涡扇发动机起动过程开环与闭环分段组合的控制计划,仿真表明:涡扇发动机起动过程采用n-dot闭环控制算法在初始阶段会出现参数摆动的情况.为此,基于油气比作控制变量进行消喘的原理,对n-dot闭环控制算法进行了改进,以消除起动初始阶段的参数摆动.试验结果表明:改进后的分段组合的控制计划能够有效抑制参数摆动现象;并且,对于不同大气条件的起动测试,起动过渡态过程高压转子转速的数值差距不大于1.0%,延时不超过0.9s;而对于不同飞行状态的起动测试,起动过渡态过程高压转子转速的数值差距不大于1.0%,延时不超过1.2s,具有良好的稳定性和重复性.      

非标准大气条件下航空发动机地面起动性能

为了得到非标准大气条件对航空发动机地面起动性能的影响,对非标准大气条件下空气涡轮起动机输出功率特性、标准大气条件下理想起动过程的影响因素进行了分析.研究了非标准大气条件对航空发动机地面起动性能影响,分析了大气温度对起动点火时间、起动时间、起动过程排气温度的影响.应用均匀加速原理,对某型涡扇发动机起动时间进行估算.基于地面台架起动试验条件,对试验数据统计分析:大气温度增加或降低,将增加起动点火及脱开时间.对大气温度在293.15K以上的开车次的平均起动时间与293.15K以下的平均起动时间进行对比,热天起动时间比冷天要短约3s,试验结果符合理论分析.      

抽吸对高超侧压进气道自起动性能的影响

针对某型高超侧压进气道设计了纵向槽、横向槽和圆孔等4种抽吸方案,对各方案的进气道流场进行了数值模拟.结果表明:抽吸可以显著提升进气道的自起动性能,且对进气道不起动流场的分离区进行抽吸的效果最佳,文中最优方案将进气道的自起动马赫数由4.6降至3.7.对进气道进行了马赫数为4条件下变攻角的风洞试验,验证了抽吸对提升进气道自起动性能的有效性.      

2009年1月平流层爆发性增温期间全球电离层响应的研究

2009年1月平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次主增温事件(Major Warming Event, MWE), 期间太阳活动和地磁活动均处于较低的水平, 因此非常有利于研究电离层对平流层增温事件的响应情况. 本文利用COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系统提供的掩星数据, 使用Kriging方法分别构建了此次SSW期间及平静期的电离层N_mF₂, h_mF₂和110～750km高度范围的垂直积分TEC (简称VTEC)地图, 同时从全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service, IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps, GIMs)中提取了日固坐标系(Sun-fixed, 地磁纬度和地方时)下全球TEC地图. 通过对比发现, SSW期间与平静期相比, 地磁纬度中低纬电离层参数存在早晨上升, 下午和夜间下降的现象. 利用OSTM/JASON-2卫星高度计观测值进行验证后的结果显示, 此前研究均未有提及的夜间时段电离层参数N_mF₂, h_mF₂和TEC (VTEC和IGS TEC)的下降现象的确存在.      

马赫数4一级下颔式混压进气道试验

对一种Ma=4一级下颔式混压进气道进行了试验,得到了该类进气道的气动特性,结果表明:①在Ma=3.5,攻角和偏航角为零时,随着出口反压的增加,进气道总压恢复系数先升高后降低,临界状态下进气道总压恢复系数最高;②攻角和偏航角为零时临界状态时,随着来流马赫数的增加,进气道的总压恢复系数呈线性下降趋势;③有攻角或偏航角的状态下进气道的总压恢复系数有所下降;④进气道在由反压引起的不起动过程中具有再起动特性,再起动过程中无迟滞廻路现象.      

立楔诱导高超声速分离流动的被动控制研究

双模态超燃冲压发动机由于压力扰动可能发生不起动现象,造成推力严重下降,对飞行稳定性与飞行安全具有很强的破坏性.不起动初始阶段主要受到激波与边界层相互作用引起的流动分离影响,希望通过控制分离达到改善流动的目的.采用5阶特征型WENO(weighted essentially non-oscillator)格式与3阶TVD(total variation diminishing)型Runge-Kutta(R-K)格式的高精度数值方法,求解三维Navier-Stokes(N-S)方程,研究与分析了凸起物和被动吹吸两种被动控制方法对激波与边界层相互作用导致的高超声速流动分离现象的控制效果.结果表明:凸起物通过诱导流向涡形成,改变空间压力分布,减弱二次分离,影响分离结构;吹吸方式的被动控制技术通过平衡分离区与再附区之间的高低压差,降低逆压梯度,使压力分布与分离区域发生改变.