民用航空发动机高空模拟试验排气扩压器特性分析

基于射流理论分析了民用航空发动机高空模拟试验时的排气流场,应用喷射器模型建立了针对民用航空发动机排气扩压器气动性能的计算方法,并完成了民用航空发动机试验的排气扩压器性能计算。分析了排气扩压器出口的增压比、马赫数、总温、体积流量,与排气扩压器内径和二股流流量之间的关系。基于计算分析结果,建议民用航空发动机高空模拟试车台排气采用直接喷水冷却方式,高空模拟试验时尽可能控制二股流流量。     

高空台排气扩压器的计算

介绍了高空模拟试车台（以下简称高空台）排气扩压器的功用,设计原则和计算方法,给出了排气扩压直段直径和加力状态及非加力状态下排气扩压器效率的计算公式。对排气扩压器的一些主要技术参数的选取如膨胀比,扩压器的效率,扩压器直段长度及锥段尺寸,扩压器进口到尾喷口的距离等,给出了具体的数值并作了必要的说明。     

排气扩压器极限点流动模式分析及引射器工作状态特性

根据试验实测的引射器极限工作点数据,分析了引射器初始段内主动射流输运特性对极限点工作参数的重大影响,提出了引射器极限工作点的实际流动模式,剖析了引射器极限膨胀比不可逾越性。从理论和试验证明,引射器在抽除射流输运质量的条件下,可以将使用膨胀比提高到远远超过极限膨胀比的广阔区域。首次获得了从低膨胀比到超越极限膨胀比限制的高膨胀比的“引射器工作状态试验特性”。      

高空台排气系统及排气压力调节

从航空发动机高空模拟试验台模拟压力要求出发 ,介绍高空台排气系统的作用、组成和排气系统的流通 ,对抽气机和排气扩压器的特性作了概述 ,对高空舱后压力PD 调节系统、Ⅰ级抽气总管压力P M 调节系统作了说明 ,叙述发动机稳态试验、加力过渡态试验、加减速过渡态试验时高空舱后舱压力PD 和Ⅰ级抽气总管压力P M 控制方法 ,指出发动机在稳态试验和过渡态试验时高空舱后舱压力PD 的影响因素和排气系统自动调节阀 (999)在管网中的安装位置。     

排气扩压器对TBCC排气系统的流道性能影响研究

为了研究不同的排气扩压器（简称排扩）直径、排扩形状以及排扩与单边膨胀组合喷管模型之间的相对位置对缩比喷管试验推力测量的影响,对3种排扩在不同的长径比下,进行了共6组风洞试验,同时对相应工况进行了数值模拟,并将试验与数值计算结果进行比较。研究结果表明：排扩的形状对喷管测力影响很小;大直径的排扩2的距离变化对测得的推力系数基本没有影响,但小直径的排扩1在排扩入口与喷管出口齐平工况下测得的推力系数明显小于喷管伸入排扩工况;在喷管模型伸入排扩工况下,排扩的直径对喷管测力基本无影响,但是在喷管出口与排扩入口齐平的工况下,使用小直径的排扩1会使测得的推力系数偏小。因此,排扩的几何参数变化对喷管外壁面的边界层流动影响很小,在排扩对喷管出口流场产生雍塞时,会影响喷管的推力测量。     

分开排气大涵道比涡扇发动机高空模拟试验排气布局评估

为评估分开排气大涵道比涡扇发动机高空模拟试验的排气特性,采用数值仿真方法,对分开排气发动机高空模拟试验时配备的排气扩压器的结构进行分析。主要从发动机尾锥与排气扩压器入口距离、排气扩压器结构尺寸、舱内压力模拟偏差及次流四方面影响进行排气特性计算,并以发动机设计推力进行检验。结果表明:该发动机进行高空模拟试验时,排气扩压器直径应不小于3.5 m,排气扩压器直段长度不小于9.0 m,发动机尾锥与排气扩压器入口距离以0.85倍扩压器直段直径为宜;发动机飞行包线的巡航点和左边界点的推力偏差,均随模拟舱压偏差绝对值的增大而增大,但巡航点推力变化斜率较大。     

高空台扩压器的数值模拟

从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发,利用时间相关法,采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显格式,结合Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,数值模拟了高空台扩压器的内部流场,并计算了扩压器的性能。结果表明,采用求解Ｎ－Ｓ方程的方法计算高空台扩压器性能是一种有效的方法。     

支撑板结构对燃气轮机排气扩压器气动性能影响的数值研究

支撑板结构直接影响燃气轮机排气扩压器的气动性能。采用求解三维RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）的方法,在考虑燃气涡轮末级叶片导致的气流预旋的条件下,探究了支撑板的数目、轴向位置、倾斜角度这三个几何参数对排气扩压器气动性能的影响,并基于正交试验原理,探究了不同几何参数对排气扩压器气动性能影响程度的差异。结果表明：支撑板数目的减少和轴向位置更靠近出口可以有效提升排气扩压器在不同进气预旋下的静压恢复系数,支撑板的倾斜设计在进气预旋小于0.48时,能有效提升排气扩压器的静压恢复系数,但在进气预旋大于0.48后,则会带来不利影响。基于正交试验原理的数值计算则表明,在进气预旋为0.12时,支撑板数目、轴向位置、倾斜角度三个因素变动对排气扩压器静压恢复系数的影响相近,进气预旋为0.35时,三者对静压恢复系数影响的贡献率分别为40.2%,30.9%,7.3%。进气预旋为0.89时,三者的贡献率分别为32.3%,22.2%,19.8%。     

支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

大涵道比发动机高空舱排气流场数值模拟研究

为了研究大涵道比分开排气发动机在高空舱内的排气流场特性,对其开展了流场数值模拟及试验验证。建立了一种发动机喷管、高空舱和排气扩压器的联合仿真模型,分别计算了不同喷管落压比状态下的发动机推力和排气流场特性,通过对比得到不同落压比下流场的变化规律。对大涵道比分开排气发动机进行了高空模拟试验,对不同落压比下的推力和高空舱内固定测点的总压与静压进行测量,并与数值模拟计算结果对比。结果表明：落压比越大,发动机射流影响范围越大,射流边界外扩,排气扩压器效率越低。推力系数随着落压比的增大呈现减小趋势。计算值与试验值结果相近,绝大多数测点的压强误差和推力误差保持在5%以内。     

小推力高室压NTO/MMH火箭发动机实验系统管路流阻特性实验

为研究小推力高室压NTO/MMH(四氧化二氮/甲基肼)火箭发动机实验系统管路流阻特性,对管路流阻理论、冷流实验及点火实验进行对比分析研究.通过管路介质流动能量损失计算,建立NTO/MMH管路流阻特性理论模型.开展无水乙醇冷流实验及NTO/MMH小推力高室压火箭发动机点火实验,以最小二乘法确定流阻特性实验拟合公式.与冷流实验结果相比,无水乙醇流量分别为0.10~0.40kg/s,0.09~0.36kg/s时,NTO/MMH管路理论流阻平均误差分别为5.42%,3.67%;与点火实验结果相比,真实推进剂流量分别为0.39~0.47kg/s,0.26~0.31kg/s时,NTO/MMH管路理论流阻平均误差分别为2.44%,2.47%,基于冷流实验预测的流阻平均误差分别为5.74%,3.46%,NTO流量为0.47~0.51kg/s(不含0.47kg/s)时,管路理论与冷流实验预测的流阻平均误差分别为16.56%,9.73%.实验与分析结果可应用于小推力高室压NTO/MMH发动机点火实验,并为实验系统设计提供必要支持.      

减压腔宽度对刷式密封泄漏特性和滞后效应的影响

对减压腔轴向宽度分别为0、04 mm和06 mm的基本型和两种低滞后刷式密封结构进行了静态和动态下压差升降和转子转速升降循环试验,并对其泄漏特性和滞后效应进行了研究。研究结果表明:压差大于02 MPa后,同一压差下的动态泄漏系数比静态降低约14%~20%;低滞后结构的密封性能优于基本型,其泄漏系数最高比基本型降低约20%;静态压差升降循环中,减压腔轴向宽度为06 mm的低滞后结构的滞后效应最强;动态的压差升降循环中,基本型结构的滞后效应最强。转子转速升降循环前后,w为06 mm结构泄漏系数减小约15%,滞后效应最强,减压腔轴向宽度为04 mm结构几乎不存在滞后效应;三种结构中,减压腔轴向宽度为04 mm的结构密封性能最优,滞后效应也最弱。     

尾喷流吸入对发动机进气畸变的影响

为了研究折返的尾喷流吸入对发动机进口流场畸变的影响特点,开展了发动机不同状态下的尾喷流吸入地面试验,基于测取的发动机进口温度、压力流场数据,分析了发动机进口流场温度、压力畸变特征和影响进气温度畸变强度的因素。结果表明:折返的发动机高温尾喷流吸入会在发动机进口形成明显的温度畸变,此时的发动机进口流场具有温度、压力组合畸变特征;高温尾喷流的吸入会影响发动机进口总压分布,使低压区压力有所升高,总压不均匀性降低;发动机工作状态越高、加力状态保持时间越长,发动机进口形成的温度畸变强度峰值越大;发动机进口温度场的改变滞后于油门杆的动作,是一个动态变化的流场,但尾喷流吸入造成的温升率较小。      

大涵道比涡扇发动机分开式排气系统设计参数影响研究

为了分析外涵可用压比、内外涵出口面积以及核心外罩长度四个参数对大涵道比涡扇发动机分开式排气系统气动性能的影响,以该排气系统为原型采用数值模拟的方法对其性能进行研究。结果表明：存在一个最佳外涵可用压比使推力系数最大,但此时外涵处于欠膨胀状态,其设计规律与单喷管设计不同;存在一个使得推力系数最大的最佳喷管出口面积,此时喷管处于微弱的过膨胀状态,这主要与核心外罩／尾锥上的压强分布有关;核心外罩长度对排气系统性能存在一定程度的影响。     

节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算方法

为解决节流通风的航空发动机轴承腔的腔压难以计算的问题,考虑节流孔处通风介质可压缩性,结合某典型节流通风轴承腔的实例,分析了节流通风的发动机轴承腔通风气体流动的特点,提出了其腔压计算方法.通过实例计算,结果表明:计算值与试验值的绝对误差较小,结果满足滑油系统与空气系统联合计算的工程需要.该计算方法可为节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算提供参考.      

中等涵道比涡扇发动机高空压力畸变试验

基于中等涵道比涡扇发动机结构及其气动稳定性特点,通过该类型某发动机高空压力畸变试验研究,获取了研究对象合理可行的高空压力畸变试验方案设计、畸变装置选取以及数据处理规范,结果表明:在飞行高度小于14 km范围内,飞行高度对稳态综合畸变指数有一定的影响,但影响不明显;有引气/功率分出136 kW条件下,飞行高度为11 km、飞行马赫数为0.8以及飞行高度为14 km、飞行马赫数为0.39时,该中等涵道比发动机最大巡航状态与最大爬升状态在进口综合畸变指数不大于12%时均能稳定工作。      

基于数据的航空发动机排气温度裕度及剩余寿命计算方法

针对航空发动机重要监控参数排气温度裕度(EGTM)计算及预测困难的问题,根据航空工业标准实施指南,建立了一种基于数据的EGTM计算方法及剩余寿命预测模型。分解EGTM影响因素并基于修正后的相似理论对风扇转速及排气温度进行修正。对部分换算/修正公式参数的离散试验数据进行拟合,得到关系曲线。利用支持向量机学习发动机引气系统影响因素,通过遗传算法优化支持向量机的惩罚因子及核函数参数,获得经引气系统参数修正后的EGTM值。利用小波变换对EGTM进行降噪和特征提取。运用多项式回归拟合特征参数,确定单发/平均机队EGTM性能衰退率,计算EGTM剩余寿命。该模型实现了从数据输入到剩余寿命预测的全过程计算,EGTM计算结果与发动机厂商提供的结果对比拟合优度达0994。剩余寿命衰退曲线拟合效果与小波变换后EGTM曲线对比拟合优度达098。结果可作为维修计划制定及经济成本计算的理论支撑和参考依据。     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大;在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.      

高压涡轮主动间隙控制系统机匣模型试验

设计和搭建了叶尖主动间隙控制系统的核心——可控热变形机匣模型试验验证台,利用机匣温度和变形量等参数的测量,验证了某主动间隙控制设计方案的基本工作特性.试验中通过改变集气腔进气流量,研究了不同试验工况下机匣温度分布规律,获得了机匣径向变形量及其在周向和轴向的分布规律.研究中发现冷却空气管的多孔冲击射流可以有效改变机匣温度,并达到调节机匣变形的最终目的.随着供气雷诺数增加,机匣的热响应时间减小,机匣的收缩速率明显增加,但该增加幅度随着雷诺数的增加而逐步减弱.试验结果表明:机匣径向冷却收缩量基本均匀.由于冷却空气管周向流量分配不均匀,使其周向上最大相对偏差为8.75%.同时冷却空气管结构和供气量差异会导致机匣轴向温度分布不均匀,在该验工况中,机匣径向冷却收缩量在轴向上最大的相对偏差为6.99%.      

活塞发动机高空最小点火能量计算及试验

根据原型机结构,应用AVL BOOST建立了航空活塞式发动机的一维仿真模型,通过地面特性仿真计算与试验研究,验证了发动机仿真模型的可行性和正确性;在深入分析可燃混合气燃烧机理基础上,建立了发动机最小点火能量计算数学模型;在此基础上,采用AVL BOOST与MATLAB联合仿真的方法,计算了发动机在不同高空、不同空燃比稳定运行工况下的最小点火能量,得出不同高空最小点火能量MAP图,并进行了试验验证,结果表明,所建立的最小点火能量的仿真计算模型是正确可行的,能够满足后续性能预测与研究的要求.