高推重比航空发动机调节规律分析

针对先进高推重比涡扇发动机采用的调节规律进行了研究。通过对采用不同调节规律下的混合加力涡扇发动机非安装性能进行对比,分析了高推重比发动机采用的调节规律的优越性。     

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。     

燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法

提出了一种燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法.该方法在发动机过渡态性能模型的基础上,变换描述发动机过渡态性能非线性模型中的自变量,最终实现过渡态控制计划的优化设计.以某型双轴混排涡扇发动机的加速过程为例,使用该方法规划得到了满足其加速过程限制的最优控制计划.将得到的控制计划代入发动机过渡态性能模型中进行验证.整体相对优化误差在0.1‰量级,表明该方法具有设计精度高、使用简单等特点.      

涡扇发动机全包线加速控制计划改进方法研究

加速控制计划直接影响了发动机的响应速度以及运行安全。为了提高发动机响应能力,提出了一种基于等温度线的发动机全包线加速控制计划。分别针对稳态和动态过程开展相似换算误差分析,证明并验证了关键参数在等风扇进口温度时,具有较高相似换算精度的规律。基于此换算误差理论,提出全包线加速控制计划改进方法,该方法在不同等风扇进口温度下设计多条加速控制计划,再通过线性插值得到包线内不同等温线下的加速控制计划。结果表明,改进后的加速控制计划相比于传统单点优化得到的加速控制计划,发动机加速至最大转速的98%所需的时间减少了7.2%,最大转速提升了1%,且风扇、压气机喘振裕度和涡轮前温度等均未超出限制值。因此,该方法相比于传统单点优化方法既提升了在包线内获取的加速控制计划的精度,又确保了发动机在包线内安全稳定工作的前提下更好的发挥加速性能。     

Designing method of acceleration and deceleration control schedule for variable cycle engine

Studies show that different geometries of a Variable Cycle Engine (VCE) can be adjusted during the transient stage of the engine operation to improve the engine performance. However, this improvement increases the complexity of the acceleration and deceleration control schedule. In order to resolve this problem, the Transient-state Reverse Method (TRM) is established in the present study based on the Steady-state Reverse Method (SRM) and the Virtual Power Extraction Method (VPEM). The state factors in the component-based engine performance models are replaced by variable geometry parameters to establish the TRM for a double bypass VCE. Obtained results are compared with the conventional component-based model from different aspects, including the accuracy and the convergence rate. The TRM is then employed to optimize the control schedule of a VCE. Obtained results show that the accuracy and the convergence rate of the proposed method are consistent with that of the conventional model. On the other hand, it is found that the new-model-optimized control schedules reduce the acceleration and deceleration time by 45% and 54%, respectively. Meanwhile, the surge margin of compressors, fuel–air ratio and the turbine inlet temperature maintained are within the acceptable criteria. It is concluded that the proposed TRM is a powerful method to design the acceleration and deceleration control schedule of the VCE.     

Matching mechanism analysis on an adaptive cycle engine

As a novel aero-engine concept, adaptive cycle aero-engines (ACEs) are attracting wide attention in the international aviation industry due to their potential superior task adaptability along a wide flight regime. However, this superior task adaptability can only be demonstrated through proper combined engine control schedule design. It has resulted in an urgent need to inves-tigate the effect of each variable geometry modulation on engine performance and stability. Thus, the aim of this paper is to predict and discuss the effect of each variable geometry modulation on the matching relationship between engine components as well as the overall engine performance at dif-ferent operating modes, on the basis of a newly developed nonlinear component-based ACE perfor-mance model. Results show that at all four working modes, turning down the high pressure compressor variable stator vane, the low pressure turbine variable nozzle, the nozzle throat area, and turning up the core-driven fan stage variable stator vane, the high pressure turbine variable nozzle can increase the thrust at the expense of a higher high pressure turbine inlet total tempera-ture. However, the influences of these adjustments on the trends of various engine components' working points and working lines as well as the ratio of the rotation speed difference are different from each other. The above results provide valuable guidance and advice for engine combined con-trol schedule design.     

深冷组合发动机吸气模态最大状态控制规律研究

为了研究深冷组合循环发动机吸气模态最大状态控制规律,基于部件法建立了发动机热力学计算模型,依据整机共同工作条件确定了发动机非设计点计算的变量与平衡方程。根据工质间的相互影响关系,提出了以氦压气机转速和氦涡轮前温度为控制变量的双变量控制规律。在考虑发动机机械负荷、气动负荷、热负荷及压气机稳定裕度等限制的条件下,根据制定的最大状态控制规律,完成了高度特性和速度特性的计算。根据限制条件计算得到了发动机的工作包线,并指出了最大状态控制规律的区域划分。最后,将控制规律应用于工作包线内,获得了压气机转速、换算转速及工质流量等参数的分布规律。结果表明：工作包线上下边界分别取决于氦压气机喘振裕度限制和空气压气机换算转速下限,右边界限制取决于换热器1氦气出口温度上限。深冷组合循环发动机最大状态控制规律应划分为2个区域,分界线满足以下条件：空气压气机和氦压气机换算转速同时达到最大值。分界线以上空气压气机达到最大工作状态,分界线以下氦压气机达到最大工作状态。空气压气机进口参数是决定控制规律分界线的主要因素。     

航空发动机两种加速控制计划的融合控制方法研究

转速导数(N-dot)和换算燃油流量加速控制计划是航空发动机加速过程安全、快速的重要保障,但各自分别易受到功率提取、性能衰退和传感器、燃油计量装置误差的影响导致失速喘振或加速性的下降。为了提高所控制加速过程的鲁棒性,使用这两种控制计划所获燃油流量的偏差大小对N-dot控制计划的控制目标进行调节修正的融合控制方法获得实际的加速燃油流量。以双转子加力涡扇发动机为对象的仿真验证表明,该控制方法可以适应全包线加速控制的需要;相比其余两种控制计划在受功率提取、误差影响下保持正常工作的范围更广;相同工作条件下,该方法比N-dot控制计划更不易发生喘振,比换算燃油流量控制计划的加速时间更小。     

三外涵变循环发动机推力性能优化计算及分析

提出了一种基于商用软件Isight的三外涵变循环发动机稳态性能优化方法,构建了优化设计平台,扩展了稳态性能计算程序的参数研究及优化功能。利用所建立的优化设计平台,开展了典型状态点的优化计算,并与传统设计方法进行了对比;以最大状态推力最优为目标,分析了不同工况、不同工作模式的发动机稳态性能。研究结果表明:基于Isight的优化平台能够显著提高三外涵变循环发动机稳态性能优化的精度和效率,快速获得发动机最优性能;当以最大状态推力最优为目标时,随着进气温度的增加,推力最优的工作模式依次为单外涵+第三外涵模式、单外涵模式、三外涵模式和双外涵模式。      

中等推力航空发动机喷口控制方法对比研究

为提高中等推力航空发动机工作性能,对其喷口控制方法进行对比分析,并通过台架试验对喷口等落压比和喷口转差控制方法进行试验验证。结果表明:相比于等落压比控制方法,转差控制方法更利于精确调整发动机在节流状态下的性能,且可降低发动机耗油率,更适合作为中等推力发动机的喷口控制计划;对全包线的各典型点进行验证,转差控制方法仍能满足发动机的控制性能要求,且实施方便、效果好。     

A study on optimal control of the aero-propulsion system acceleration process under the supersonic state

In order to solve the aero-propulsion system acceleration optimal problem, the necessity of inlet control is discussed, and a fully new aero-propulsion system acceleration process control design including the inlet, engine, and nozzle is proposed in this paper. In the proposed propulsion system control scheme, the inlet, engine, and nozzle are simultaneously adjusted through the FSQP method. In order to implement the control scheme design, an aero-propulsion system component-level model is built to simulate the inlet working performance and the matching problems between the inlet and engine. Meanwhile, a stabilizing inlet control scheme is designed to solve the inlet con-trol problems. In optimal control of the aero-propulsion system acceleration process, the inlet is an emphasized control unit in the optimal acceleration control system. Two inlet control patterns are discussed in the simulation. The simulation results prove that by taking the inlet ramp angle as an active control variable instead of being modulated passively, acceleration performance could be obviously enhanced. Acceleration objectives could be obtained with a faster acceleration time by 5%.     

涡桨发动机发螺一体化起飞推力优化控制

针对涡桨发动机对起飞阶段的快速响应需求,提出一种发螺一体化控制架构,通过油门杆综合燃油回路和桨距回路,提高系统动态响应。根据螺旋桨特性,设计起飞阶段推力优化控制策略,通过空速调度最大有效起飞功率,从而提升起飞阶段推力响应。仿真结果表明:这种发螺一体化起飞推力优化控制策略使得涡桨发动机起飞加速段推力平均增加2.59%,发动机加速到起飞响应时间小于2.5 s,有效提升了涡桨飞机的快速响应。      

基于亚燃RBCC构型的引射模态一次火箭节流策略研究

为了探究亚燃RBCC构型在引射模态下的性能表现和一次火箭节流规律,本文基于一设计点为亚燃模态的RBCC构型,开展了进气道/燃烧室一体化内流道的数值模拟工作,分析了一次火箭流量变化对进气量、流道压力分布、推力和比冲的影响,最终给出了引射模态下一次火箭的节流策略。结果表明：引射模态下,一次火箭流量调节对RBCC性能的影响非常复杂,且规律性和一致性较差;在亚声速引射模态,建议一次火箭以大流量工作,暂不考虑比冲性能;在超声速引射模态,建议一次火箭以小流量工作;为了提升进气道启动点附近RBCC的比冲性能,建议尝试二次燃料的喷注燃烧,但必须充分考虑对进气系统的不利影响。     

概率密度函数分析监测发动机气动不稳定征兆

对某型单轴涡喷发动机节流过程中的喘振故障进行了试验研究。在手工关闭放气带的情况下,该型发动机的共同工作线确定地穿越喘振区域,从最大状态收油门减速将会导致该型发动机进入不稳定工作。数据分析中发现压气机第一级静子机匣壁面静压对节流最为敏感,且静压脉动分量的概率密度函数分布随节流有规律地发生变化。定义了概率密度函数特征值θ来量化这种变化。进一步的数据分析表明,θ可以反映压气机第一级端部的流动分离情况,可以作为试验发动机节流过程中的气动稳定性指标。与直接检测模态扰动和短周期扰动相比,监测θ的变化可以为该型发动机提供较长的失速预警时间。      

推进系统性能分析

本文应用我们所建立的推进系统性能计算程序,研究进气道-发动机-喷管匹配,分析了各种设计参数和使用条件对推进系统性能的影响,并把推进系统和飞机组成一个系统,进行发动机最佳循环参数的优选。     

1种满足控制计划要求的凸轮型面设计方法

针对液压机械控制装置要求按给定的稳态控制计划设计杠杆、凸轮、弹簧等结构性能参数的问题,采用了考虑离心飞重块工作在燃油中的浮力效应和液体离心力效应对离心飞重换算轴向离心力的修正方法,精确地计算了转速摆动活门的转速-弹簧位移关系的输入输出特性;利用转速给定装置凸轮杠杆机构的叠加特性解决了油门杆角度和发动机进口温度同时变化时相关的控制计划反映在指令弹簧上的位移计算问题;同时从刚架的运动特性规律中抽象出几何不变性,提出了1种按控制计划的不同要求对转速指令凸轮、慢车温度修正凸轮和大车温度修正凸轮进行设计的方法.设计的凸轮按其内在的输入输出特性关系通过各模块之间的信息传递关系以液压机械的控制方式实现了发动机所要求的复杂转速控制计划,对这一设计方法进行了对比验证,可满足设计要求,具有通用性.     

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。     

退化发动机加速性能恢复控制方法

针对退化发动机加速性能下降的现象,提出一种变喘振裕度约束的模型预测控制方法。通过分析退化发动机在加速过程中的工作特点,将加速过程分为三个阶段,在不同阶段采取不同的喘振裕度约束。鉴于模型预测控制能够显式处理约束、采用在线滚动优化来获取最优控制输入,采取模型预测控制方法,并采用具有较高实时性的交替方向乘子法求解优化问题,实现了退化发动机加速性能的恢复。数字仿真结果表明,采用本文所提出的加速性能恢复控制方法后,相比退化发动机,加速过程中所耗费的时间缩短了35%以上。     

Prediction of pilot workload in helicopter landing after one engine failure

This paper presents a method to predict the pilot workload in helicopter landing after one engine failure. The landing procedure is simulated numerically via applying nonlinear optimal control method in the form of performance index, path constraints and boundary conditions based on an augmented six-degree-of-freedom rigid-body flight dynamics model, solved by collocation and numerical optimization method. UH-60A helicopter is taken as the sample for the demonstration of landing after one engine failure. The numerical simulation was conducted to find the trajectory of helicopter and the controls from pilot for landing after one engine failure with different performance index considering the factor of pilot workload. The reasonable performance index and corresponding landing trajectory and controls are obtained by making a comparison with those from the flight test data. Furthermore, the pilot workload is evaluated based on wavelet transform analysis of the pilot control activities. The workloads of pilot control activities for collective control, longitudinal and lateral cyclic controls and pedal control during the helicopter landing after one engine failure are examined and compared with those of flight test. The results show that when the performance index considers the factor of pilot workload properly, the characteristics of amplitudes and constituent frequencies of pilot control inputs in the optimal solution are consistent with those of the pilot control inputs in the flight test. Therefore, the proposed method provides a tool of predicting the pilot workload in helicopter landing after one engine failure.     

一种喷口控制的多目标约束设计方法

为克服试凑法在控制回路参数优化中的局限性,针对涡扇发动机在加力状态易出现喷口摆动的不协调现象,考虑喷口双环控制结构工作特点,采用按需正向设计策略,按照控制系统时域、频域性能指标设计要求,制定兼顾频域、时域性能要求的内、外环协调控制的设计目标准则,提出一种喷口控制的多目标约束的差分进化内外环控制参数自整定优化设计方法,在双转子涡扇发动机非线性模型上进行闭环控制系统仿真验证。结果表明：在飞行高度从0增加到10 km、飞行马赫数从0加速到0.9的起飞和爬升状态进入加力过程以及平飞中保持飞行马赫数不变的关断加力过程中,发动机未出现喷口摆动等现象,涡轮落压比最大相对误差不大于1.5%,喷口闭环控制系统具有期望的伺服跟踪和抗飞行条件变化干扰能力。