航空发动机循环参数对飞机性能的影响

为分析发动机循环参数对飞机性能的影响,分析发动机参数对于发动机性能的影响规律,同时分析发动机的性能衰减原因,并提出生产使用建议。通过给定飞机的基本气动特性和发动机的安装特性,建立了飞机起飞性能及机动性能计算的模型。通过计算发动机推力对于起飞时间、起飞过程的水平距离、爬升率及加减速时间的影响规律,分析发动机推力变化对于飞机起飞及机动性能的影响。分析结果标明,增大发动机进气流量及风扇和压气机的压比,能显著提升涡轮前温度和发动机推力,增大发动机推力能明显缩短飞机的起飞时间,提升飞机的爬升率、缩短加减速时间,从而提升飞机纵向改变高度和水平改变速度的能力,但发动机推力对于飞机性能的增强效果随着推力的增加逐渐减弱。     

某直径11厘米微型扩压器的改型设计(英文)

为了提高某直径11厘米微型涡轮发动机性能,采用新概念微型扩压器对其性能很低的扩压器部件进行了改进设计,并且研究了通道截面积对新型扩压器性能的影响。由整体式主叶片和分流叶片组成的新型扩压器在设计中被看作一系列管道。改型设计所得扩压器替换原型扩压器用于了微型发动机,在该发动机试车中测得了新扩压器的性能。CFD计算和实验测量表明,在不改变装配尺寸的前提下新型扩压器获得了先进的性能(压力系数超过0.65,总压恢复系数超过0.9)。对扩压器进行改型后,直径11cm的微型发动机推力提高了约11%,耗油率降低了约9%。     

微型涡轮喷气发动机发展综述

100 daN以下推力的微型涡轮喷气发动机能为微小型飞行器提供优质和可靠的动力,已成为国内外研究的热点.微型涡轮喷气发动机具有尺寸小、转速高、零件数少、工作时间长、推力易调节、红外辐射低、能重复使用等优点.其推重比已经超过11.0,已在无人作战飞行器、防空武器靶标、精确打击弹药、试验飞行器等装备上大量应用.本文从研发机构与代表产品、性能与结构特点、应用现状等方面,对微型涡轮喷气发动机20世纪50年代以来的发展情况进行了综述,可为今后国内研制高性能微型涡轮喷气发动机提供参考.随着进一步降低成本、提高推重比,微型涡轮喷气发动机将有更强的竞争力和更广的发展前景.     

基于差分进化算法的涡喷发动机增推研究

根据已建立的小型单轴涡喷发动机部件级稳态模型,采用单变量法,分析各部件特性参数变化对发动机推力、耗油率等性能参数的影响。通过差分进化算法对各变化参数进行优化,找出在满足给定限制条件下使性能达到最优的参数调整组合。由于给定的限制条件以及优化目标可以灵活多变,使得该方法在增推优化以及其它改型方面具有很好的灵活性。计算结果表明,在转速不变,涡轮前总温不超过允许值,压气机喘振裕度不降低,耗油率不升高的条件下改进压气机的压比、换算流量、以及效率等参数,能使发动机推力增加25%以上。     

基于直二元喷管形面尺寸的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,开展了基于直二元喷管形面尺寸的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

基于近似模型的变循环发动机稳态性能分析及优化

针对变循环发动机可调节变量多的特点,基于变循环发动机稳态性能计算结果,提出了通过构建和利用近似模型对稳态性能进行分析、优化的研究方法,同时还建立了优化求解程序。以超声速巡航工况稳态性能的分析及优化为例,解析了主要变几何部件调节对推力和耗油率的影响,获得了满足优化条件的性能方案。与传统大范围变几何部件参数研究方法对比验证表明,该方法在提高设计效率方面作用显著。为变循环发动机性能分析及控制规律设计提供了一种研究方法。     

垂直发射巡弋飞行器总体设计方法研究

垂直发射巡弋飞行器采用由固体火箭发动机与涡喷发动机组合而成的动力系统,飞行器与动力系统一体化设计更为复杂。本文提出双质量迭代算法,通过装药质量与燃油质量的迭代计算实现垂直发射巡弋飞行器总体参数初步设计,对飞行器与动力系统的一体化设计问题进行研究,基于典型任务剖面分析了关键设计参数对于飞行器总体性能的影响规律。结果表明,飞发集成引起的涡喷发动机推力损失系数和固体火箭发动机推重比均会对飞行器总体性能产生重要影响,当推力损失系数在0.2以下时,该系数每提高0.05,起飞质量增大约3%,涡喷发动机的最大推力指标提高约5%。在总体方案设计时应尽可能降低涡喷发动机推力损失系数,并将固体火箭发动机推重比控制在4～8的范围内。     

考虑多工况性能可靠性的航空发动机循环设计方法

为实现航空发动机总体性能设计方法由传统的确定性设计向不确定性概率设计转变,提出基于分布式协同响应面法思想的航空发动机多工况性能可靠性循环优化设计方法:建立了引入非确定性部件性能的航空发动机性能仿真模型,通过试验设计、非设计点性能仿真试验等步骤,构建了各典型工况下发动机推力与耗油率性能可靠度关于设计点循环参数的分布式响应面模型,并以此构建多工况性能协同响应面模型进行循环参数优化设计,最终获得循环参数非劣解集并通过随机试验进行验证。结果表明,通过多工况性能可靠性循环优化设计方法获得的循环参数非劣解集均能使发动机在多个典型工况下的总体性能同时达到不低于97.5%的高可靠度,为设计人员根据实际情况选取循环参数提供依据。      

基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,本文开展了基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

基于Wiener和Copula函数性能退化模型的减推力起飞可靠性收益评估研究

从精细化、规范化管理使用发动机的角度出发,针对航空发动机减推力起飞在可靠性和安全收益指标的贡献度量化评估问题,提出了一种基于性能退化分析的可靠性收益评估方法。建立了单个性能参数Wiener退化量模型,并利用Copula函数进行二元相关性能参数退化量建模,提出了基于Copula函数和Wiener退化过程的二元相关性能可靠性模型。将模型应用于实例分析,通过发动机执行减推力和未执行减推力时的性能退化数据,定量地分析了执行减推力起飞技术对可靠性和在役寿命方面的贡献度,并将文中提出的方法与基于单参数的性能可靠度函数以及二元独立性能参数的性能可靠度函数进行对比分析。结果表明,执行减推力起飞技术的发动机在运行中有更高的安全裕度,在役寿命平均延长了23%左右。     

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明：变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。     

组合循环发动机飞机/发动机性能一体化分析

采用飞机/发动机一体化分析方法,开展了两种典型组合循环发动机方案（方案一为涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合发动机,方案二为涡轮/引射冲压/双模态超燃冲压组合发动机）总体性能对比研究。基于给定的马赫数为65巡航的高超声速飞行器的飞行任务需求,进行了约束分析与任务分析,优选出满足约束条件下的飞行器起飞推质比和机翼载荷,得到了相应的飞行器起飞总质量和海平面起飞推力,并进行了两种方案的对比研究。结果表明:在完成相同的飞行任务下,方案一的起飞总质量与方案二相当,前者比后者减小了26%;方案一的起飞推力比方案二高出103%;基于涡轮发动机水平,方案一和方案二分别需要采用两台海平面起飞推力为129kN和119kN量级的涡轮发动机。此外,飞行器起飞总质量随巡航距离增加而显著增加,巡航距离为4000km时,两种方案的起飞总质量将达到85t左右。      

某微型涡喷发动机总体结构设计

介绍了一种245 N推力微型涡轮喷气发动机结构设计的方法和过程.分别介绍了转子系统、燃烧室、润滑冷却系统的设计过程以及试车中遇到的结构问题和解决方法.设计采用有限元与实验结合的方法,结果表明该发动机满足设计要求.该设计经验为微型涡喷发动机系列化设计提供参考依据.      

Research on windmill starting characteristics of MTE-D micro turbine engine

Micro turbine engine (MTE) is an important kind of propulsion system for miniature unmanned aircraft or missiles, because of its better high-speed performance (than propeller propulsion) and higher propulsion efficiency (obviously than rockets). Windmill start is a common air-starting mode used in micro turbine engine. The windmill starting characteristics are important to the practical use of micro turbine engine. In this paper, the windmill starting characteristics research for a 12 cm diameter (MTE-D) micro turbine engine is carried out by experiment and numerical simulation. The characteristic of rotor mechanical losses at low-speed condition is stud- ied, and the engine common working line of windmill starting process is obtained. Based on the engine windmill characteristics, the propane ignition characteristics under different inflow conditions are researched, and the envelope of propane ignition and propane flameout is determined. The experimental research of fuel supply and ignition characteristics is completed, and the envelope of fuel supply and ignition is obtained. The windmill stage, propane ignition stage, fuel ignition stage and acceleration process from idling-speed to 80% full speed of MTE-D micro turbine engine is optimized, and the optimization windmill starting parameters are collected. The successful wind-mill starting experiment under this condition with engine speed up to 80% full speed indicates that these starting parameters are reasonable. All the starting parameters of MTE-D micro turbine engine obtained in this work are dimensionless parameters, and the conclusions obtained in this study have some reference to other micro turbine engines with the similar structural form and starting process.     

厘米级微型涡轮喷气发动机主要研究进展

厘米级微型涡轮发动机的发展日益受到重视。本文在总结国内外厘米级微型涡轮发动机研究动态的基础上，将其划分为3个大小级别。南京航空航天大学近年来对中等大小级别(直径6cm)微型涡轮发动机开展了系统的研究。本文给出了各主要关键技术的研究进展，包括：微型涡轮发动机总体设计技术，微流动实验及CFD技术，高速微转子动力学。微型涡轮、压气机、燃烧室等部件设计，微型涡轮发动机试车等。     

Ma4内并联TBCC发动机匹配设计与模态转换性能分析

由于发动机自身工作能力的限制,要想获得最大的发动机性能,在不同的飞行马赫数下,对应不同的发动机形式,因此为了达到宽马赫数飞行的目的,在不同工作区间采用不同发动机进行工作的组合循环发动机应运而生。涡轮基组合循环发动机(TBCC)作为组合动力的一种,采用涡轮发动机与冲压发动机组合的形式,可以在未来作为远程高速飞行器和可重复使用2级入轨(TSTO)飞行器的第1级动力,有广阔的使用前景。作为宽速域内工作的 TBCC,模态转换是实现 TBCC 发动机宽马赫数工作必须解决的关键技术问题之一。针对Ma4 速域 TBCC 发动机,建立了相应的涡轮发动机与亚燃冲压发动机并联模型,通过考虑2种发动机的设计点与非设计点工作条件,对模态转换马赫数进行了选择,并基于保持固定流量这个前体条件,给出了相应的并联TBCC 模态转换控制过程。基于建模并联模型,初步确定了采用涡轮与亚燃冲压动力的 TBCC 发动机的可行性,在合适的匹配条件下,TBCC 组合动力可以满足飞行器的推力需求。     

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。     

雷诺数对涡扇发动机性能及稳定性影响

综合了Wassell方法和经验数学模型两种雷诺数修正方法,对风扇、压气机、高低压涡轮的部件特性进行了雷诺数修正。运用修正后的部件特性分别对3种涡扇发动机进行了性能计算,定量计算出了雷诺数对涡扇发动机性能的影响程度。计算结果表明:在低空区雷诺数对涡扇发动机性能和稳定性影响可以忽略不计;但在高空低速区,雷诺数对涡扇发动机性能和稳定性影响显著;涡轮前总温剧烈升高;推力增大3%～6%、耗油率增大8%～10%;稳定裕度下降19%～39%。因此在高空低速区航空发动机性能数值模拟必须考虑部件特性雷诺数的影响。      

微型涡喷发动机传热效应的建模分析与实验研究

 微型涡轮发动机(MTE)可作为各种新型无人机、微小型导弹的高速推进动力装置,但微型化可能给发动机各部件匹配工作带来包括传热效应在内的特殊影响。针对微型涡轮发动机MTE-110,建立了基于发动机部件特性的总体性能模型,并在此基础上分析了可能的传热效应对压气机特性及整机性能的影响。在MTE-110的地面台架运转试验中,测量数据显示传热效应使压气机的实际温升比绝热温升增加了30%,对压比影响不大,因此显著降低了压气机效率。通过在压气机静子上采用隔热技术后,MTE性能得到显著改善,设计转速下的实测推力提高了23%,达到了96 N。     

级间燃烧室在航空发动机上应用分析

采用F100-PW229的参数,对发动机增设级间燃烧室后进行了非理想循环分析,比较了不同马赫数下级间燃烧室与加力燃烧室的性能差异,分析了部件效率对带级间燃烧室发动机性能的影响,对比了主燃烧室、级间燃烧室、加力燃烧室的燃烧效率;计算结果与理想循环存在差异:亚声速下,级间燃烧室发动机推力的增加需要相近增量的耗油率,超声速下同等耗油率可增加约10%推力;其经济性、机动性介于常规发动机和带加力燃烧室发动机之间;最后对增设级间燃烧室的发动机进行了参数优化.