扇翼飞行器的研究进展与应用前景

随着科学技术的迅猛发展,飞机无论在构型还是性能方面都获得了飞速发展,但是新原理飞机的研制却进展不大。扇翼飞行器是近期发展起来的低速大载荷新型飞行器,它是不同于现有固定翼、旋翼飞行器的新构型、新原理飞行器。而国内对于该飞行器的研究才刚刚起步,可参考的文献资料很少。因此,本文通过国内外扇翼飞行器发展状况的研究,对扇翼飞行器研究进展进行总结分析。首先介绍了扇翼飞行器的飞行原理;其次系统地回顾了扇翼飞行器的提出,并总结了其在国内外研究的进展情况;接着根据扇翼飞行器近期的发展动态,对该飞行器的应用前景作出分析;最后总结了扇翼飞行器发展中亟待解决的关键技术,以及其未来发展的难点和趋势。     

短距起飞/垂直降落发动机建模技术研究

参考常规双轴涡扇发动机数学模型,建立了适用于短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机的变循环发动机部件级数学模型;通过特性外推,建立了轴驱动升力风扇数学模型;采用神经网络映射涵道总压损失的方法,建立了滚转喷管和外涵模型.根据STOVL发动机结构和部件变化特点,建立了稳态和动态共同工作方程.参照国外文献仿真数据进行设计点计算,并按照Bevilaqua提出方法开展了由常规涡轮风扇模式到悬停涡轮轴模式的过渡态仿真.仿真结果表明:建立的数学模型在悬停状态设计点和高空巡航点与国外文献数据相比误差均小于1.5%,推力达到悬停状态要求,符合STOVL发动机的设计特点,验证了该建模方法的有效性.      

变弯度导叶对某高负荷双级风扇气动性能的影响

为了改善某高负荷双级风扇在非设计转速出现的裕度不足和转子攻角过大的问题,研究了变弯度导叶的调节对高负荷双级风扇气动性能和内部流场的影响,对比分析了不同形式变弯度导叶和传统可调导叶的性能差异.数值模拟结果表明:80%转速时高负荷双级风扇的绝热效率随着正预旋角度增加而显著增加,预旋角度为30°时的绝热效率提高了3.5%;传统可调导叶扩稳效果较优,受到大预旋角度下大损失的限制;变弯度导叶的开缝形式、开缝位置、导叶稠度均与气动性能密切相关,具体设计需要根据高负荷双级风扇工作情况进行探讨.      

低速轴流压气机转子尾迹三维动态测量

对一台低速轴流压气机的转子尾迹进行了三维动态测量,采用锁相平均、方均根和功率谱密度等分析方法对低速轴流压气机转子在节流过程中尾迹流场的稳态和动态特征进行了研究.结果显示:在绝对坐标系下,转子尾迹有高总压和高方均根特征,且在不同叶高的强度不同;转子尾迹与主流的掺混作用导致平均总压升系数的快速衰减;功率谱密度分析表明,在接近失速点时,转子尾迹90%叶高以上出现0.5倍叶片通过频率的特征频带且其功率随着流量减小而增大.      

进气畸变对跨声速轴流压气机气动影响的机理研究

利用插板模拟跨声速轴流压气机进口流场畸变.通过实验和数值模拟两种手段详细分析了进口畸变下跨声速压气机的流动特点、激波沿周向的分布以及压气机的失速机理.实验和数值模拟的结果表明:插板使压气机前的不同周向位置产生正、负预旋流动;转子前速度的周向分布沿轴向是不断变化的,在距离转子较近时,畸变区的轴向速度反而较大;气流在过渡区A（转子进入低压区）时为正预旋,为非激波区;在过渡区B（转子退出低压区）和畸变区时为负预旋,为强激波区;过渡区的泄漏涡最强,是不稳定流动的诱发区域.      

吸附式低反动度轴流压气机气动设计方法在多级轴流压气机中的应用

随着对吸附式低反动度轴流压气机内部流动细节的逐步深入,进一步完善了多级吸附式低反动度轴流压气机气动设计思想,完成了3级吸附式低反动度轴流压气机气动设计.三维黏性的数值计算结果表明:在第1级动叶入口叶尖切线速度为370m/s的前提下,通过只在首级静叶和末级静叶中进行附面层抽吸,实现了总压比为6.1的3级吸附式低反动度轴流压气机气动设计.附面层总抽吸流量占入口流量的11.3%.在不考虑附面层抽吸对流动效率影响的前提下,3级效率达到88.1%.      

变循环发动机建模方法研究及验证

研究了变循环发动机(VCE)关键部件建模技术.采用叶尖叶根分段建模技术建立了两段风扇的数学模型,使之更适用于VCE.基于流场分析,建立了活门开度、外涵道进口总压、动压与外涵道总压恢复系数之间的智能映射,完善了外涵道模型.建立了VCE部件共同工作方程,获得了VCE部件级数学模型.基于欧洲空间与推进系统仿真数据库进行设计点计算,并开展了仿真验证.仿真结果表明:建立的数学模型表现出的工作性能与实际发动机实验结果一致,在低马赫数下双外涵道模式推力更大、耗油率更低;相反在高马赫数下单外涵道模式推力及耗油率优于双外涵模式,验证了所采用建模方法的有效性.      

轴流风扇/压气机管道周向声模态的测量

利用管道内部周向均匀分布的麦克风阵列对某单级风扇在高背景噪声和较大硬壁反射条件下的管道周向声模态进行了实验测量.利用与参考信号互相关(CC)模态分解技术和传统的方均根(RMS)模态分解技术得到了主要的周向声模态振幅.通过与Tyler和Sofrin的理论分析对比,发现在高背景噪声和较大硬壁反射条件下,两种模态分解技术都能获得较为理想的模态分解结果;并且发现CC模态分解技术获得的模态振幅较低,初步分析这是由于和RMS模态分解技术相比,CC模态分解技术可以降低随机噪声对模态振幅分解结果的影响.此外,周向麦克风个数大于所要分解周向声模态阶数的4倍时,使用CC模态分解技术获得的模态振幅误差可以控制在1dB之内.      

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.      

紧连阀轴流压气机变转速过失速瞬态模型

为了给各种压气机喘振主动控制器提供验证平台,提出了一个新的旋转失速及喘振模型.该模型在Moore-Greitzer轴流压气机过失速瞬态模型的基础上,考虑了转子动态及旋转失速高阶谐波对压气机气动稳定性的影响,并且在模型中增加了紧连阀作为执行机构.仿真结果表明:随着压气机转速的增加,压气机的失稳行为由旋转失速转为喘振;压气机转速的变化作为系统内部扰动,可能使压气机在节流阀开度较大时便进入气动失稳状态;虽然压气机初始扰动仅含有1阶谐波,但随着旋转失速的发展,高阶谐波强度不断增长而变得不可忽略.