自适应循环发动机

<正>2004年,GE公司和艾利逊公司首次提出自适应循环发动机(ACE)的概念,允许发动机改变其空气流量和单位推力,以适应于飞机超声速巡航、跨声速加速和亚声速巡航对发动机的性能要求,同时满足越来越严格的噪声要求。其独特之处在于它是在双外涵变循环基础上引入第三外涵流路(FLADE),该流路不仅可用于热管理和隐身等作用,还可进一步优化与进气道的匹配,从而减小甚至消除溢流阻力,并在一定程度上     

变循环与自适应循环发动机技术发展

变循环发动机具有兼顾低速、高速飞行性能的优势;自适应循环发动机是最新颖的变循环发动机构型,具有更强的循环调节能力和任务适应性,是重要发展方向。回溯变循环发动机的发展历程,总结变循环技术进化的路径,发展针对这类难度大、高风险的技术,不能跨越技术成熟的必要环节,要明确其主要技术关键,合理安排技术路线,分散难点,充分利用已有平台资源,逐步增加变循环的复杂程度,最终实现突破。     

多用途战斗机/涡扇发动机一体化循环参数优化

 针对多用途战斗机的特点,发展了基于飞/发一体化的涡扇发动机循环参数优化设计模型和相应的计算程序,优化设计模型中包括双变量控制涡扇发动机特性计算模型、进排气系统安装特性计算模型、飞机气动特性分析模型、重量组成分析模型、任务剖面分析模型、约束分析与任务分析模型和优化计算模型等。重点研究了多用途战斗机约束边界的获得方法,利用多岛遗传算法和自适应模拟退火优化算法,分别对现役多用途战斗机、不加力超声速巡航多用途战斗机以及下一代先进多用途战斗机用涡扇发动机循环参数进行了优化计算,对计算结果进行了分析,获得了对多用途战斗机用涡扇发动机循环参数选择有指导意义的结论。     

自适应变循环发动机性能优势评价方法

为了综合评价自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机的性能优势,提出了从发动机耗油率降低和质量增加2个维度以及从发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间关系的角度来评价自适应变循环发动机性能的2种方法。结果表明:发动机耗油率降低和质量增加之间存在某个平衡点,只有质量增加幅度小于耗油率降低幅度时,才能体现自适应变循环发动机的性能优势,并且飞机航程越长,越能体现自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势;发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间呈指数关系变化,当假设飞机巡航航程为3500 km、飞机升阻比为10.5时,自适应变循环发动机巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低1%,可使飞机燃油消耗量减少约1.9%,飞机燃油效率提高约2.4%。     

自适应循环发动机不同工作模式稳态特性研究

针对自适应循环发动机(ACE)的一种布局形式,利用所建立的部件级性能仿真模型,对其多种工作模式下典型工作点的匹配机理及工作特性进行仿真和分析。研究结果表明,节流比TR选择对地面起飞推重比和高空高速性能均产生较大影响;可变Flade风扇的出现使得发动机从不加力向加力模式转变时可采用固定的喷口喉道面积;通过多个可调几何的协同调节,ACE发动机循环模式的选择具有更多的灵活性,总涵道比的变化幅度更大(0.28～1.43,地面起飞工作点);相同的推力水平下,与单涵模式相比,三涵模式的单位耗油率在亚声巡航工作点(H=11km,Ma=0.8)大约降低9.1%,在超声巡航工作点(H=11km,Ma=1.5)大约降低2.3%。     

自适应循环发动机性能智能在线寻优算法研究

为解决自适应循环发动机性能在线自主优化问题,提出一种适用于三流道自适应循环发动机的智能自主优化控制方法,通过深度确定性策略梯度算法(DDPG)在线优化压比计划,实现控制规律自主寻优.在基准发动机特性图上给出了不同外涵面积下的等推力特性曲线,在此基础上给出了基准的最低油耗控制规律曲线.当发动机性能退化或存在个体差异等偏离...     

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。     

1 种自适应循环发动机亚声速巡航节流性能研究

推进系统亚声速巡航的燃油经济性是决定战斗机作战半径的主要指标。在巡航过程中会因减少发动机推力带来进气道溢流量增加,使推进系统燃油经济性降低。自适应循环发动机如何利用自身变循环特征减小进气道溢流进而提高推进系统燃油经济性是解决这一问题的关键。研究了1种在亚声速巡航状态带可变风扇系统的自适应循环发动机,利用自身变循环特征,实现等流量降低推力的方法。通过对可变几何机构组合调节的研究,获取了等流量节流方案,并分析了发动机在这一过程中的性能和匹配情况。结果表明:这种带可变风扇系统的自适应循环发动机能够在一定推力范围内实现等流量节流,减少进气道溢流量,提升推进系统在亚声速巡航状态的燃油经济性。     

面向巡航任务的自适应循环发动机进/发匹配

进/发匹配是整个推进系统稳定、高效、经济工作的前提。针对自适应循环发动机的进/发匹配问题开展研究,提出利用自适应循环发动机特有的FLADE (Fan on Blade)部件实现亚/超声速巡航任务下的进/发匹配。首先,根据进/发匹配原理,分析了超声速进气道流量特性与FLADE部件的作用,在此基础上发展了超声速进气道/自适应循环发动机一体化数学模型;其次,研究了FLADE导叶开、闭状态下发动机的高度、速度特性,结合战机的亚/超声速巡航任务需求,设计了自适应循环发动机进气道捕获面积以实现进/发匹配;最后,在发动机亚/超声速巡航任务点进行了模拟仿真,结果表明在亚声速巡航点打开FLADE导叶吞入溢流能够使进气道的工作点从亚临界向临界状态移动,推进系统降低10.5%的油耗和1%的安装损失,在超声速巡航点下为同时满足进/发匹配特性及发动机安装推力需求,则需要关闭FLADE导叶提高推进系统的单位推力。     

基于自适应差分进化算法的变循环发动机模型求解方法研究

为了降低传统迭代算法在求解变循环发动机非线性模型时对初值的依赖性,将模型的求解问题转换为求最小值的优化问题,引入差分进化算法进行模型的求解,并提出一种自适应差分进化算法(ADE)。ADE借助轮盘赌选择法,利用种群的进化经验可以自适应的选择最适合当前种群的差分策略与算法控制参数。针对变循环发动机四个典型工作点的模型求解问题,研究了标准差分进化算法(SDE)的控制参数对其性能的影响,获取了SDE在求解四个典型工作点时的最优控制参数组合,对比分析了ADE与SDE的性能差异,最后研究了种群规模对ADE性能的影响。结果表明：SDE在求解发动机模型时具有较好的鲁棒性,在求解不同工作点时算法的最优控制参数并不完全相同;相比于使用最优控制参数的SDE,ADE可以在不影响算法鲁棒性的情况下提升效率50%以上;减少ADE的种群规模会在提升算法效率的同时破坏鲁棒性。     

基于射影算子的变循环发动机鲁棒自适应控制器设计

针对变循环航空发动机大范围工作包线下的复杂外部扰动现象引起的多变量鲁棒自适应控制器设计问题,给出基于射影算子的自适应律设计方法并将其应用至模型参考自适应控制器设计中。通过理论分析与变循环航空发动机某一状态点的仿真分析,阐明系统存在外部干扰时传统自适应律的设计方法对于指令跟踪不足等问题,进而在射影算子的理论框架基础上设计自适应律,将存在干扰时的状态误差动态方程的解限制在设定的凸集范围内,从而实现系统状态误差动态方程不大于零的稳定性要求,最终在LQR基准控制器框架上,实现基于射影算子的多变量鲁棒自适应控制器设计,以改善自适应控制系统的鲁棒性。基于该方法对变循环航空发动机进行控制器设计和仿真。结果表明:基于射影算子的自适应律设计方法改善了传统自适应律设计方法的鲁棒性问题,实现了控制系统对外部干扰的有效抑制,当系统各控制回路加入不同外部随机噪声信号时,均达到了期望的控制效果;变循环航空发动机各个状态点均能够跟踪期望的闭环参考指令,各状态点稳态控制误差均小于0.5%,系统超调量小于1%,调节时间小于1.2s,动态跟踪误差不大于0.5%,符合发动机控制系统技术要求。     

基于数据驱动的变循环发动机多变量自适应控制算法研究

本文针对变循环发动机包线范围大,自适应控制需求高的问题,在增广线性二次型调节器(ALQR)基础上,提出一种基于数据驱动的自适应ALQR(DA-ALQR)控制算法。构建了多变量系统自适应控制准则函数,以梯度下降法对控制器参数进行调整,借助基于数据驱动的动态线性化建模方法,递推进行输出对输入梯度的近似计算,实现了对ALQR控制参数的自适应调整。仿真结果表明,所设计的DA-ALQR控制器参数随发动机状态变化得到了有效调整,相较于ALQR控制算法,闭环系统动态性能得到了大幅度提升,推力在单外涵模式表现出较快的响应速度,在双外涵模式表现出更小的超调,转速同样表现出了超调减小和响应速度加快特性,验证了所提出方法的有效性。     

先进变循环发动机技术研究

现代航空发动机技术走过了百年的辉煌历程,已经发展得非常成熟.今天,传统的航空动力技术将面临严峻的挑战,世界航空动力技术呈现出强劲的加速发展态势,将引发第三次动力"革命".为适应未来新一代先进战机的更高、更强、更狠、更霸的发展需要和对成本、速度、环境和燃料高效利用等方面的高要求,一些主要航空国家持续实施先进航空发动机研究和发展战略计划,加速研发以变循环及组合发动机为特征的第五代航空发动机[1].     

GE公司变循环发动机的发展

综述了GE公司自20世纪60年代至今所研制的5代变循环发动机(VCE)的发展历程、性能特点和结构特征。对第1代VCE的可调面积涵道引射器的结构及性能、第2代VCE的核心驱动风扇级的演变历程及结构特征和第5代变循环发动机的"叶片上的风扇"(FLADE)结构形式进行了详细描述,对目前已经研制成功但尚未工程应用的F120变循环发动机进行了介绍。     

3 外涵变循环发动机循环参数匹配模拟

3外涵技术能使发动机涵道比调节范围更宽,使其在所有推力范围和全包线下性能最优。分析了带核心机驱动风扇级（CDFS）的3外涵变循环发动机工作机理,利用稳态性能数值仿真程序,开展了3外涵变循环发动机循环参数匹配模拟研究,得到发动机循环参数取值范围。研究结果表明：3外涵变循环发动机工作范围更广,重点是通过改变其涵道比来实现压比的变化和发动机模态的转变,最终实现3外涵变循环发动机的优越性能。     

单外涵变循环发动机变几何特性仿真

为了研究单外涵变循环发动机变几何性能收益,建立了一种单外涵变循环发动机总体性能仿真模型,并通过算例验证了仿真模型的计算精度。根据不同飞行状态的发动机控制规律和最优控制目标,模拟生成3种变几何方案最佳变几何参数以及最佳节流特性和高度-速度特性。结果表明：在设定的控制规律下,相对发动机常规变几何方案（方案1）,尾喷管、混合器与低压涡轮导向器可调的变几何方案（方案3）使发动机地面节流状态耗油率降低1.7%～3.0%,超声速巡航推力增大14%～29%,亚声速巡航耗油率降低0.9%～3.1%,在3种变几何方案中性能收益最大;尾喷管与混合器可调的变几何方案（方案2）使发动机地面节流状态耗油率降低1.2%～2.2%,超声速巡航推力增大3%～17%,亚声速巡航耗油率降低0.9%～1.2%,在3种变几何方案中性能收益居中。发动机变几何方案的选择应综合考虑结构复杂度、可靠性、质量等方面的代价与基于特定任务需求的总体性能收益的平衡。