航空发动机整机性能仿真中的功率平衡方法

提出了一种在CFD三维整机仿真中实现功率平衡的计算方法。推导确定了决定平衡关系的关键变量:涡轮前温度与物理转速。提出了基于稳态流场和功率经验关系实现功率平衡的数值迭代方法。本文将该迭代方法与CFD三维求解耦合,发展了一种可用于三维整机CFD耦合仿真的功率平衡计算方法。采用该功率平衡计算方法对MTJ-80涡喷发动机开展了三维整机CFD数值计算,实现了整机性能三维仿真与控制规律的耦合和预测。在控制燃油量不变的条件下,通过转速迭代可以实现压气机和涡轮的功率差小于0.1%,可以预测固定燃油供给量条件下所能达到的稳态运转转速。在控制转速不变的条件下,通过调节燃油量实现压气机和涡轮的功率差小于0.15%,可以预测固定转速条件下的燃油流量。数据验证结果表明:该功率平很给计算方法可以与CFD三维整机计算耦合,并且具有很强的收敛性,解决了以往整机三维性能仿真过程中的功率不平衡问题。      

燃气轮机排气系统整机环境部件特性修正方法

为了探究外界环境条件对燃气轮机排气的影响,以船舶燃气轮机排气系统和船舶整机系统为研究对象,采用合适的物理模型对船用燃气轮机排气部件进行阻力特性、流场分布的仿真分析,进一步提出燃气轮机排气系统的修正方法。对国内外相关的研究现状进行了调研,引出研究内容和研究意义,建立船舶燃气轮机排气系统和整机系统的模型,对模型进行了网格划分,利用数值仿真技术开展不同工况点和风速风向下燃气轮机排气系统的流场特性仿真计算分析。结果表明：得到不同风速风向下排气系统的阻力特性,即总压以及总压损失,温度特性以及引射特性。以整机仿真和部件仿真所得到的数据为基准,建立了燃气轮机排气系统在整机环境从无风到有风的变化条件下的工作特性修正模型。     

爆震频率对脉冲爆震发动机引射性能影响的实验

采用汽油为燃料,空气为氧化剂,对多循环脉冲爆震发动机(PDE)加圆直形引射器的增推性能进行了实验研究.实验采用力传感器法对爆震发动机加引射器前后不同爆震频率以及不同引射器长度下的平均推力进行了测量.结果表明:脉冲爆震发动机非稳态引射器可以提高系统的平均推力,当爆震频率为2Hz时平均推力增益最大,可达64.4%.在一定频率下,对直径一定的圆直管引射器存在着一个最佳长径比4.8,此时对应推力增益性能最好.      

Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine. I. Analysis

A new procedure to start a jet engine (JE) and to generate power by means of a single induction machine (IM) directly coupled to the turbine is presented. The JE is brought to an initial speed by the motoring operation of the IM. Later, the IM is taken into generating mode and the turbine is applied to its excitation. The turbine catches up and starts to drive the induction generator (IG). The generated power is converted to a three-phase, 400 Hz voltage-regulated bus via a double stage power conversion utilizing a 20 kHz parallel resonant high frequency AC link and pulse density modulated converter technology. Independent of the engine speed, a constant amplitude and constant frequency three-phase voltage-regulated AC bus is formed and maintained by the proper control of the power converters. The feasibility of operation of such a system has been demonstrated in software where the JE turbine is modeled and replaced by a DC machine. An introduction, background, operation principles of the overall system, and the related software simulations are presented and discussed.     

DZ125带小孔构件低循环/保载疲劳试验与分析

进行了定向结晶合金DZ125带小孔构件在高温下的低循环/保载疲劳试验.此构件试验用来部分模拟航空发动机气膜冷却的空心涡轮转子叶片, 试验方案根据空心涡轮转子叶片的几何特征和所承受的温度及载荷状况来设计.介绍了试验方案和试验结果分析, 包括寿命分析、试验裂纹扩展规律分析和金相分析.结果表明小孔应力集中和保载是构件破坏的主要原因, 孔边电火花加工特征对裂纹萌生起到决定性影响.      

引射器混合室优化技术初步研究

混合室优化设计对超声速引射器引射性能的提高具有非常重要的作用。介绍了常温空气介质情况下引射器混合室不同设计参数试验件的数值模拟和实验研究结果;针对单喷嘴和多喷嘴引射器混合室收缩段长度、平直段长度及平直段截面直径等参数对引射器性能的影响作了对比分析。初步研究表明：多喷嘴引射器引射性能优于单喷嘴引射器,但多喷嘴引射器启动性能低于单喷嘴引射器;在引射器能正常启动的前提下,平直段直径越小,引射器性能更优;收缩段长度主要影响主、被动气流的混合效果,平直段长度主要影响引射器的启动性能,因此对混合室收缩段和平直段长度尺寸的设计需要根据引射器型式（单喷嘴或多喷嘴）合理确定。     

涡轮冲压组合循环发动机引射过程数值模拟

为了研究气流参数和几何参数对TBCC发动机引射工作过程的影响，基于CFD技术，采用数值求解N-S方程的方法，开展了对TBCC发动机引射工作过程的数值模拟研究。基于TBCC发动机引射过程数值模拟结果的分析，可以发现：随着引射段主流（涡轮发动机排出气流）的进口气流角度增加，总压和马赫数的分布趋于均匀，但是总压损失逐渐增大，因此在TBCC发动机引射段结构设计时，不应使涡轮发动机的排气角度过大。存在一个最小的引射段长度Lmin，当引射段长度小于Lmin。时，随着引射段长度的增加，总压损失显著增大；当引射段长度大于Lmin时，随着引射段长度的增加，总压损失基本不发生变化。     

Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine. II. Hardware prototype

The feasibility of operation of a new procedure to start a jet engine (JE) and to generate power by means of a single induction machine (IM) directly coupled to the turbine has been shown by means of a hardware prototype. An introduction, background, operation principle of this type of a system and software simulation portion was presented in Part I. Both in software simulation and in the experimental phase of the studies the JE is replaced by a DC machine. The DC machine is brought to an initial speed by the motoring operation of the IM. Later, the IM is taken into generating mode and the DC machine is into motoring mode of operation. This mode would correspond to the turbine catch-up initiation phase and initiate driving phase of the induction generator in the actual world. The generated power is then converted to a three-phase, 400 Hz (in software), 60 Hz (in hardware), 115 V voltage-regulated bus via a double stage power conversion utilizing a 20 kHz parallel resonant high frequency AC link and pulse density modulated converter technology. Independent of the coupled machine speed, a constant amplitude and constant frequency three-phase voltage-regulated AC bus is formed and maintained by the proper control of the power converters.     

发射井引射器的工作特性

针对发射井优化设计问题,提出了发射井引射器模型和引射器函数求解方法。研究了静压协调函数的性质,分析了发动机总压、发射井横截面积、混合室出口压强变化时的极限工作条件和取值范围。结果表明:第一极限、引射面积零点和等速点不能达到;在未达到第三极限时,引射器工作特性服从静压协调函数;在第三极限和最小极限之间工作特性曲线服从最优静压函数;在过雍塞状态,引射器工作特性服从最小静压函数。研究结果为发射井和引射器的优化设计提供了重要指导。     

轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

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。      

满足恒应变速率等温锻的注油方程及离散化处理

 采用传统制造工艺制作的高温合金涡轮盘往往出现晶粒度粗大。不均匀以及宏、微观偏析等问题。这不仅会引起涡轮盘力学性能的不均匀性,而且降低了合金的强度、延性和抗疲劳性。采用粉末冶金制造工艺可有效地改善盘件的冶金质量,使组织均匀,晶粒细化,提高了力学性能和使用的可靠性。我国近年来进行了FGH95（相当于Rene 95）粉末涡轮盘的研制工作。FGH95粉末盘通过热等静压和等温锻造成型,由于热等静压后的坯料原始     

脉冲爆震涡轮发动机增推装置性能试验

以液态汽油为燃料,通过在双管脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)原理样机的涡轮出口加装不同喷管和引射器等增推装置,利用试验研究了不同增推装置对自吸气工作模式下(工作频率10~20 Hz)发动机工作状态及推进性能的影响。结果表明:虽然加装3种尾喷管之后涡轮转速、压气机增压比及压气机流量都有不同程度的下降,但发动机都获得了不同程度的推力增益;相比于工作频率20 Hz时无喷管发动机推力114.95 N,发动机加装尾喷管后最大推力可达143.3 N,实现增推24.7%,最大单位推力为749.87 N·s/kg;加装引射器后可以进一步增推,发动机最大推力达到200.67 N,实现增推39.8%,同时这种增推效果随着工作频率的升高而逐渐增大。     

脉冲爆震燃气膨胀过程及能量转换难易度评价方法

为了提高脉冲爆震燃气的能量转换效率,分析了脉冲爆震燃气在涡轮内的膨胀过程,建立了评价爆震燃气能量转换难易度计算方法,并基于脉冲爆震燃烧室与轴流涡轮匹配工作数值模型,采用涡轮效率对燃气能量转换难易度计算方法进行了验证,结果表明:①爆震波膨胀过程,爆震燃气在涡轮静叶内会产生热壅塞现象,并往上游形成前传压缩波;②涡轮内爆震燃...     

1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能试验及分析

对转涡轮是高性能航空发动机的关键技术之一。采用试验方法对某1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能进行了研究与分析。针对试验中涡轮级间难以布置测点的问题,提出了基于特性反推的分步试验方法,然后对超跨声对转涡轮运行特性进行了详细分析。研究结果表明,该超跨声高压涡轮流量特性几乎不随膨胀比变化,而效率特性变化较大;高、低压涡轮喉道面积比在涡轮膨胀比分配中起到重要作用,该值低于设计状态时,总膨胀比满足设计要求下,高压涡轮膨胀比增大,低压涡轮膨胀比减小;高压涡轮出口气流角对低压涡轮运行特性影响显著。     

火箭基组合循环发动机引射模态流动分析

应用迎风格式有限体积方法求解N－S方程的基础上，数值模拟了火箭基组合循环（RBCC）发动机引射模态进气道／混合段／燃烧室／尾喷管／引射火箭内的流动过程，分析了引射模态流道中的复杂流动结构，从理论上探讨了火箭引射模态工作过程机理，讨论了RBCC实验模型的混合性能，最后与实验结果进行了比较，二者吻合较好，这些结果为RBCC发动机火箭引射模态工作过程的深入研究和性能优化提供了一定的理论依据。     

低速风洞进气道试验柱形分布式引射器优化设计

为适应低速风洞发动机进气道试验的大流量模拟的迫切需要，介绍了适用于4 m量级低速风洞的柱形分布式引射器的设计方案。通过ANSYS-CFX软件采用有限体积法对引射器内流场进行了数值模拟,重点优化了引射器的引射面积比、离散的喷嘴分布方式和喷嘴出口设计点总压、马赫数等参数。综合考虑引射器在风洞中的使用条件限制和吸入流量技术指标要求,完成了引射器设计。优化后的引射器方案解决了小体积、大吸入流量需求之间的矛盾。在FL-14风洞的验证试验表明,优化后引射器的最大吸入流量达到9.07 kg/s,满足4 m量级低速风洞进气道试验大流量模拟需求。     

基于旋翼下洗流场的直升机动力舱通风冷却系统仿真

本文对直升机悬停状态下下洗流场影响区域、动力舱以及发动机排气引射器进行了联合建模,采用结构化网格对计算域进行离散,采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,通过数值仿真考察不同湍流模型、发动机散热、以及动力舱进口尺寸对排气引射器引射系数以及动力舱通风冷却系统内部流场的影响。结果表明,引射系数对湍流模型依赖性较小;发动机散热将导致引射气流量、引射系数减小,而且随着冷却气流进口面积的增大,这种影响将增大;增大冷却气流进口尺寸,冷却气流量增大,引射系数增大,但进口尺寸增大到一定值后,其效果已不明显。     

Systematic Geometric Error Modeling for Workspace Volumetric Calibration of a 5-axis Turbine Blade Grinding Machine

A systematic geometric model has been presented for calibration of a newly designed 5-axis turbine blade grinding machine. This machine is designed to serve a specific purpose to attain high accuracy and high efficiency grinding of turbine blades by eliminating the hand grinding process. Although its topology is RPPPR (P: prismatic; R: rotary), its design is quite distinct from the competitive machine tools. As error quantification is the only way to investigate, maintain and improve its accuracy, calibration is recommended for its performance assessment and acceptance testing. Systematic geometric error modeling technique is implemented and 52 position dependent and position independent errors are identified while considering the machine as five rigid bodies by eliminating the set-up errors of workpiece and cutting tool. 39 of them are found to have influential errors and are accommodated for finding the resultant effect between the cutting tool and the workpiece in workspace volume. Rigid body kinematics techniques and homogenous transformation matrices are used for error synthesis.     

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。