舰面飞机尾喷流对进气道温度场影响的仿真分析

舰载机在加力起飞时通过舰面安装的偏流板将高温尾喷流引向空中排出,避免了高温尾喷流损伤舰面工作人员和舰载设备,但一部分高温尾喷流与偏流板碰撞后的回流受发动机抽吸作用的影响,容易被进气道吸入,导致发动机推力降低,严重时诱发发动机喘振,危害舰载机的使用安全。为了获得高温尾喷流与偏流板碰撞后的回流场流动机理以及参数影响规律,采用数值仿真分析方法开展了研究。首先,通过公开的试验数据验证了仿真分析方法的准确性;然后,完成了舰面环境下某型舰载机双发尾喷流冲击偏流板后的流动机理和温度场特征分析,获得了高温气体被进气道吸入的动态流动特性和进气道出口的温升率;最后,通过研究发动机转速不对称、来流风速、尾喷口到偏流板距离等参数对进气道出口温度畸变强度的影响规律,获得了尾喷口到偏流板的距离对回流场整体强度与分布起决定作用,以及进气口的位置影响进气道抽吸流场与回流场的耦合特性这一结论。     

偏流板回流对舰载机进气道温升影响分析

为了探究舰载机起飞时发动机尾喷流撞击偏流板( Jet Blast Deflector,JBD)后反射回流对进气道温升的影响,以模型机和喷气偏流板为研究对象,通过求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯方程和Menter SST湍流模型方程,对舰载机准备起飞时的飞机内、外流场进行了数值模拟。利用线积分卷积方法对流场进行了可视化显示,分别研究了JBD不同倾角以及不同环境风速情况下,喷流回流对进气道温升的影响。计算结果表明：环境风速保持不变,在JBD倾角由30°逐步增大到60°的过程中,进气道出口截面面平均温升(ΔTav )总体呈增大趋势,当倾角由45°变为50°,进气道出口截面面平均温升陡增;对于特定的JBD倾角,在环境风速逐步增大过程中,存在一个临界风速,当风速小于临界风速时,进气道出口截面ΔTav随风速增加而增大。当风速大于临界风速时,进气道出口截面ΔTav随风速增加而显著降低。计算结果对于偏流板布局选择具有一定的指导意义。     

喷管偏转对航空发动机特性影响的试验

通过整机地面试验的方法,对喷管偏转后发动机不同工作状态下各参数的分析,获得了矢量偏转时发动机推力损失、偏转效率、发动机工作特性变化等数据.试验结果表明:在相同高压转速下,随着几何矢量角的增大,发动机的推力损失增大,偏转效率先增大后减小;在相同几何矢量角下,随着转速的增加,发动机推力损失经历由增大到减小的过程,矢量喷管的偏转效率增大,但偏转效率均小于1;节流状态时发动机转速差随着几何矢量角的增大而增大,中间状态时发动机转速差不受几何矢量角的影响;发动机节流状态时的矢量偏转使风扇工作线上移,风扇裕度减小,工程应用中需考虑扩稳措施.      

RBCC发动机超燃/火箭模式流场数值模拟研究

针对进排气系统与燃烧室匹配工作的中心支板式火箭基组合动力循环(RBCC)发动机,通过数值模拟研究了RBCC发动机在低动压、高速高空域飞行条件下以超燃/火箭模式工作时的燃烧流场特征,并分析了支板火箭喷管出口流量的变化对燃烧流场的影响。结果表明:在超燃/火箭模式下,支板火箭工作能促进燃料与空气的掺混燃烧,实现发动机稳定工作,同时可提升发动机的推力性能;随着支板火箭流量的增加,发动机产生的总推力逐渐增大,总推力与火箭流量大小近似成正比;随着火箭流量的增加,燃烧室中的流动状态向以超声速流动占主导地位发展,进气道的抗反压能力得到提升。      

小涵道比涡扇发动机动态特性数值计算

研究了涡扇发动机动态数学模型以及数值模拟方法,对于进口条件变化、发动机加速、发动机减速、发动机加力等情况下动态工作过程,改进的发动机动态性能数值模拟程序具备了数值仿真的能力,并对小涵道比涡扇发动机动态特性进行了数值计算分析,结果表明:对于飞行条件快速变化的情况,当发动机推力增大到一定程度后,会有逐渐减小的趋势,而缓慢变化时,就没有这种振荡现象;对于燃油质量流量增大、减小情况,变化的快慢对应耗油率的峰值是不同的;同样,随着加力温升的变化速度不同,发动机推力和耗油率达到的峰值也不同.      

矢量喷管偏转对发动机推力的影响

建立了轴对称矢量喷管数学模型和带这种矢量喷的发动机数学模型,研究了矢量喷管偏转时引起的发动机推力的变化。研究结果表明：喷管有的效矢量角与几何矢量角近似成正比;喷管偏转角较小时,喷管的流量系数及发动机的总推力几乎不同几何矢量角变化,喷管偏转角较大时,喷管的流量系数及发动机的总推力随和何矢量角的增大三小;发动机的轴向推力随着几何矢量角的增大而减小,发动机的侧向推力随着几何矢量角的增大而增大。     

矢量喷管控制对发动机性能的影响

建立了带推力矢量的涡扇发动机数学模型。结合某型涡扇发动机研究了矢量喷管偏转对发动机工作和性能的影响,研究结果表明,矢量喷管偏转时,在一定条件下,发动机低压转子共同工作线向喘振边界移动,而高压转子共同工作线不发生变化,发动机总推力是增大的。但当将矢量喷管偏转与喉部面积放大相结合,可使发动机保持原工作状态不变,而发动机总推力却随着几何矢量角的增大而减小。      

喷管面积比对推力矢量发动机特性的影响

针对矢量喷管出口面积独立无极可调控制的特点,采用数值仿真分析了偏转状态喷管面积比对矢量特性的影响机理,通过整机地面台架和高空台专项试验,获取了不同喷管面积比下推力性能、偏转推力损失、偏转效率、发动机匹配特性等数据。结果表明：非偏转状态发动机产生最大推力的喷管面积比小于气流完全膨胀对应的理论喷管面积比。发动机偏转推力损失随几何矢量角增加而增大,喷管面积比对偏转推力损失影响较小。地面台架状态相同几何矢量角下,矢量偏转效率随着喷管面积比的增大而降低,当喷管面积比达到一定值时,会出现气流分离使偏转效率进一步降低。在相同几何矢量角下,随着喷管面积比的增大,发动机节流状态转差减小,风扇工作线下移,靠近非偏转状态工作线,风扇裕度增加,工程应用中偏转状态的扩稳措施应考虑与喷管面积比的关联。     

结构参数对两相冲压发动机喷管性能影响分析

为了分析气液两相冲压发动机的喷管参数对推力及效率的影响,分别针对不同参数条件下喷管中泡状气液两相流场,基于双流体模型,采用变步长的Runge-Kutta法进行数值模拟。并对喷管中临界泡状流进行分析,重点研究了喷管喉部与入口面积比、半扩张角和半收缩角在各种气液质量流率比条件下对喷管推力及推进效率的影响,计算结果表明,推力随着喷管喉部与入口面积比增大而减小,气液质量流率比较大时,效率随其增大而增大;半扩张角增大时,推力和效率同时减小;半收缩角对喷管推力及效率影响均不大。在给定的喷管参数下,气液质量流率比在一定程度上增大时,喷管推力及效率同时增大。     

中心支板参数对RBCC发动机性能影响研究

针对某宽域加速飞行任务下RBCC发动机中心支板主要几何参数设计问题，采用全流道一体化数值模拟方法，在Ma 0.4-6速域内研究支板阻塞比、顶角及长宽比等参数对发动机引射、亚/超燃模态的性能影响规律。结果表明，随着阻塞比增大，各模态下空气流动受压缩作用增强，燃烧反应更加充分，发动机总推力有0.13%-5%的提升；随着顶角增大，除Ma 2.5工况由流道截面构型变化引起激波形成外，增强的支板前缘激波使得燃烧反应位置较为集中，燃料喷注贯穿主流深度提高，较为充分的燃烧释热使得发动机总推力有2.2%-5.7%的提升；随着长宽比减小，在Ma 0.4-4条件下，增大的流道面积有利于煤油横向扩展，较好的氧燃掺混使得发动机总推力有2%-4.8%的提升，而在Ma 6条件下，支板前缘激波的减速增压作用逐渐减弱，发动机总推力可降低5.2%-7.1%。所得结论可为RBCC发动机中心支板设计参数选择提供依据。     

航空发动机研制中的技术验证机、工程验证机及原型机特点分析

为加强航空发动机产品的研制进程管控,通过分析技术验证机、工程验证机及原型机的技术特点,提出这 3 类样机是集中体现产品研制进程的载体,进而研究并建立各样机的研制过程模型,并且依托研制过程模型分析各样机的研制特点及研制成果。该项工作明确了各样机的工作内容及其实现途径,以及 3 类样机之间迭代演进、逐步实现产品开发的过程,对加强发动机产品研制过程管控、提高研制质量和效率具有重要意义。     

航空发动机制造工艺仿真技术体系探索

基于航空发动机仿真工作发展规划,从制造维度对仿真技术的应用需求进行了深入分析。提出了构建航空发动机制造工艺仿真技术体系的思路和建设原则,基于5个环节的应用需求提出了仿真技术体系的初步框架,并对当前需要加快突破的仿真关键技术进行了分析,推进航空发动机制造工艺仿真技术发展和规划的落地。     

喷管流场V3V试验示踪粒子特性研究

采用体3维测试系统(V3V)试验研究了拉伐尔喷管出口的速度场。为了选择适合V3V试验测量气流流场的示踪粒子,对3种不同物理属性的固体微粒进行测试分析,结果表明:二氧化钛粒径为5～10μm,对于激光散射性太差,粒子亮度较弱,在V3V处理软件识别时粒子匹配不成功;滑石粉和聚苯乙烯的粒径分别为20～25μm和30～35μm,在V3V软件处理4副图片时的粒子匹配率分别为30%和40%,试验得到的速度场与理论计算值误差分别约为2%和5%。     

航空发动机转子工作弹性线测试及应用研究

基于三维全息谱思想,利用计算机图形学方法,研究航空发动机转子工作弹性线测试及可视化技术。在高速动平衡试验机上,针对航空发动机真实高压转子进行转子弹性线测试和可视化研究,分别在不同平衡状态下测取了转子工作弹性线,实现了转子弹性线的动态显示。研究表明,转子不平衡量对转子工作弹性线的大小和形状具有重要影响,转子弹性线测试与可视化技术可作为转子平衡状态的有效评估方法和手段。     

低压涡轮导叶内环结构设计

为实现低压涡轮导叶内环初步方案快速设计、降低低压涡轮工作叶片冷气相对总温和提高冷却效率,以某型低压涡轮导叶内环为研究对象,提出了 1 种基于等熵过程的低压涡轮导叶内环设计方法和流程,并采用 3 维数值仿真方法对设计结果进行了分析和验证,得到了不同预旋喷嘴径向高度对转、静子腔内的流动影响规律。结果表明:提出的低压涡轮导叶内环设计方法和流程能够满足初步方案的设计要求;预旋喷嘴的径向高度对工作叶片和涡轮盘表面的相对总温影响较大,工程上需综合考虑。     

兼顾多状态的核心机驱动风扇级与高压压气机设计

针对变循环发动机压缩系统多模式和多工况的工作特点,开展了核心机驱动风扇级(CDFS)多状态和多目标兼顾设计,CDFS、前涵道引射器和高压压气机气动一体化设计,大攻角范围、低损失可调导叶和静子设计。针对压缩系统的气动设计难点,在设计点选取、叶片造型、流场设计、调节规律设计方面提出了解决措施和优化方向。数值模拟与试验结果表明:实现了压缩系统在多模式下的性能兼顾,达到了预期的流量调节范围和涵道比调节范围,满足了设计指标要求。     

GE公司民用航空发动机发展战略

进入21世纪,美国GE公司在民用航空发动机市场的表现尤为突出,研究其民用航空发动机发展战略,可为中国民用发动机产品研制提供借鉴。介绍了GE公司为提高其新产品性能所做的技术预先研究计划和技术储备;采用产品路线图方法总结了GE公司民用航空发动机产品布局和发展路线。研究结果表明:GE公司重视民用发动机核心机和衍生型号发展,为满足市场需求不断优化产品布局,为降低发动机研制风险和成本采用先进的管理模式,在不同产品中采取联合研制的策略。     

射流预冷试验防水温度传感器设计

为解决射流预冷试验中遇到的常规带罩温度探针接点遇水问题,基于气液两相流环境设计了1种防水温度传感器。通过设计滤水和隔热结构,避免了水对测量结果的干扰。现场校准试验结果表明:在100～450℃,该传感器的测温值比常规带罩温度探针的低1.0%～1.1%。射流预冷试验结果表明:防水传感器在一定水气比下是有效的;与常规带罩温度探针反向测试的截面平均总温估算值对比表明,在来流343.3℃、水气比5.5%的工况下,在雾化充分的测量截面,剔除个别遇水测点,防水传感器测温值明显比热电偶的高,差值最高达11.8%。,说明防水传感器可以有效减小传热误差。     

某低压涡轮盘破裂转速分析与试验验证

为了研究轮盘破裂转速分析方法并提高破裂转速预测精度,基于有限元计算结果,采用平均应力法和局部塑性应变法对某低压涡轮盘破裂转速和破坏起始部位进行预测,并与试验和失效分析结果进行对比分析。结果表明:平均应力法和局部塑性应变法预测的破裂转速与试验结果吻合较好;局部塑性应变法预测轮盘破裂起始部位与失效分析结果吻合较好;对于研究的轮盘及其工作环境,平均应力法预测破裂转速偏低,局部塑性应变法预测破裂转速偏高;局部塑性应变法预测精度相对更高。     

无冷却高温热电偶设计及应用

为了满足某型核心机高温测量需求,基于多种耐高温材料研制了1种无冷却高温热电偶。在国内首次将承力壳体和滞止室采用一体化设计,完成高温热电偶的结构强度计算。通过对热电偶速度、辐射和导热误差分析,使热电偶测量精度满足设计要求。将无冷却高温热电偶应用于某型核心机试验中,结果表明:该热电偶在高温燃气中结构可靠,测量数据能够真实反映高温燃气温度的变化规律。