重型直升机用大功率涡轴发动机的技术特点分析

重型直升机已在西方国家的军事和民用等方面发挥了重要的作用。对国外在役的重型直升机所使用发动机的性能方案和结构特征进行了分析与对比,归纳总结了重型直升机用大功率涡轴发动机的技术特点、设计思路和发展途径,并结合国外先进涡轴发动机的未来发展方向,给出了大功率涡轴发动机的未来发展趋势,并提出了我国大功率涡轴发动机的初步发展思路。     

我国民用涡轴发动机的发展研究

民用涡轴发动机的研制对通用直升机的发展至关重要。简要介绍了国内外现役民用直升机及配装涡轴发动机的发展情况,归纳总结了民用涡轴发动机发展的现状和技术特点。探讨分析了国外民用涡轴发动机的发展趋势和成功经验,并对我国民用涡轴发动机的发展需求、研制能力和现状进行了剖析,从完善社会配套体系、制定发展战略、深化国际合作和加强技术攻关等方面提出了针对性的发展思路和建议,可为解决直升机心脏受制于人、实现军民融合式发展提供参考和借鉴。     

涡轴发动机市场分析

在50年代以前,直升机以活塞式发动机为动力,1953年美国来科明公司研制出世界上第一种可用于直升机的涡轮发动机——T53涡轴发动机。随着涡轮喷气发动机用于军民用飞机,美国贝尔公司将T53发动机装在UH-1直升机上,这使装涡轮发动机的直升机进入航空技术领域,而且美国陆军验证了涡轴发动机的使用要优于活塞发动机。自那以后,涡轴发动机逐步得到广泛应用。估计到90年代末,美国陆军将单独采购总计9016架     

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制设计

提出了一种直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制方法。分别设计了基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒保性能控制的直升机四通道多变量控制器和涡轴发动机转速控制器;为了进一步提高发动机自由涡轮转速环的抗扰能力,结合自抗扰控制(ADRC)方法,构建了涡轴发动机转速鲁棒保性能控制+扭矩ADRC补偿的控制方案,充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力,避免了鲁棒设计方法的保守性。在UH-60直升机/涡轴发动机综合模型仿真环境下通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了直升机/涡轴发动机综合系统所采用的鲁棒抗扰控制,尤其是涡轴发动机鲁棒自抗扰控制,具有理想的抗扰控制效果,能够抑制直升机机动操作过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响,从而使直升机具有更好的机动能力。     

直升机涡轴发动机发展趋势

法国透博梅卡公司早在1950年就研制出首台直升机用阿都斯特Ⅰ型涡轴发动机。此后,涡轴发动机技术迅速发展,在直升机上得到广泛应用,基本取代了活塞发动机,并且每隔10年左右就出现一代新产品。     

不断改型 推陈出新涡轴发动机发展近况

涡轴发动机是直升机的主要动力装置。上世纪90年代以来,整个涡轴发动机市场处于萧条之中,没有一种全新的产品问世。但为满足直升机发展对动力装置的需求,透博梅卡、罗-罗、普惠加拿大和GE等公司纷纷将目光瞄准涡轴发动机的改型     

一种新的涡轴发动机转速抗扰控制器设计及应用

主要研究了涡轴发动机控制问题。涡轴发动机由于直接与旋翼相连,因此直升机与涡轴发动机的动力学耦合十分明显,从涡轴发动机子系统角度讲,直升机传递来的扭矩可认为是对该系统强的扰动,如何提高涡轴发动机闭环系统的抗扰性能,提高涡轴发动机对直升机操纵的跟随品质就显得非常重要。自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control)是近年来新兴的一种的控制方法,它具有模型依赖程度低,抗扰能力强,设计简单且易于实现的特点.在不改变原有发动机串级PID控制结构的基础上,提出并构建了一种串级PID+扭矩ADRC补偿的控制结构, 该结构充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力。最后,在直升机/发动机综合模型仿真环境下,通Ｄ庵鄙蠓彼偕挡僮?验证了该算法具有比较理想的抗扰控制效果,能够较好地抑制直升机操控过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响.     

不断完善 不断开拓浅析欧洲直升机发动机发展近况

据据英国罗－罗公司预测,从现在到2008年,国际市场上将需要8945架装涡轴发动机的直升机,其中60％是民用直升机,其余为军用直升机。为了争夺直升机发动机市场,在欧洲以罗－罗公司为首的发动机制造商正在不懈努力,开发新产品和开拓新市场,使用于直升机的涡轴发动机处于世界领先水平。改进改型发展系列产品改进改型、发展系列产品历来是航空发动机商家用来节省经费、缩短研制周期和减少风险的发展途径。美国艾利逊公司在研制艾利逊250型发动机时就沿用了这种方法。该公司于60年代开始为轻型直升机研制250发动机,经过30多年的改进改型,…     

世界直升机涡轴发动机主要技术数据

世界直升机涡轴发动机主要技术数据     

军用涡轴发动机发展研究

回顾了军用涡轴发动机的发展历程,介绍了几种典型军用涡轴发动机的性能特点及各国现役军用涡轴发动机的装备情况;分析并提出了军用涡轴发动机的关键技术,并通过研究国外典型涡轴发动机技术研究计划和新用的先进技术,预测了军用涡轴发动机的有关技术趋势。     

直升机动力装置控制系统总体优化分析

本文论述了直升机在各种用途及使用状态下,自由涡轮轴发动机工作状态和旋翼工作状态的最优化匹配的规律,对直升机动力装置控制系统的四种控制模式进行了优化分析,并介绍了典型直升机动力装置全权限数字电子控制系统的控制特点及直升机动力装置控制系统的发展趋势。     

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题, 分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系, 旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数, 用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验, 仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化, 可以降低油耗1.5%～5.5%, 同时降低涡轮温度4.4～16℃, 具有实际应用价值.      

Turboshaft engine air particle separation

This contribution addresses air particle separation technologies (EAPS) used for helicopter turboshaft engines that operate around unprepared airfields. Three key technologies are discussed. These are: vortex tube separators, inertial particle separators and inlet barrier filters. Some of these technologies are retrofitted or designed around specified airframes; other ones are an integral part of the turboshaft inlet design. For the vortex tubes, a complete review of the current intellectual property is reviewed, and a first-order theoretical model is presented to corroborate the performance of this technology. The inertial particle separators are designed as part of the engine inlets. This technology is more amenable to computational fluid dynamic modelling, coupled with particle dynamics and rebound effects. The inlet barrier filters are part of a large category of filtration systems. A first-order filter theory is derived to predict filter performance as a function of key parameters and useful operation time. The integration of the various EAPS with the helicopter system are discussed.     

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

一种变旋翼转速直升机/涡轴发动机非线性模型预测控制方法研究

为了实现变旋翼转速直升机/涡轴发动机快速响应控制,提出了一种基于神经网络的直升机旋翼预测模型与基于状态变量模型的涡轴发动机预测模型的新型非线性模型预测控制方法。所建目标函数除了包含转速控制指标外,还考虑了经两级变速双离合器传动机构传扭后发动机输出轴的转子动力学特性。不同飞行任务下的数值仿真结果表明:相对于PID控制器而言,非线性模型预测控制器可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下使动力涡轮转速在变旋翼转速过程中的超调量减小50%,下垂量降至0.2%以内,实现了涡轴发动机的快速响应控制的同时,有利于改善发动机使用寿命。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

隐蔽式安装布局涡轴发动机安装损失的飞行试验

为确定轻小型直升机飞行性能评估所需的发动机安装性能损失,对隐蔽式安装布局的涡轴发动机进行了不同直升机飞行姿态的飞行试验。基于试飞数据建立了一套真实飞行条件下涡轴发动机安装损失的计算流程,对比分析了在不同高度和速度下稳定平飞、有/无地效悬停、有/无地效悬停回转、不同高度爬升、不同高度下滑、盘旋、侧后飞等飞行姿态对涡轴发动机安装损失的影响。结果表明：隐蔽式安装布局的涡轴发动机安装损失主要来自进气温升,不同飞行姿态下功率损失为4.3%～20.7%,耗油率相对增量为1.2%～132.7%;功率损失随飞行高度的变化规律不明显,随飞行速度的增大而减小;耗油率相对增量随飞行高度和飞行速度的增大而减小;在近地面的低速飞行姿态下安装损失最小,且受地效影响较小;风速和风向对安装损失的影响较大。