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。     

国外水平起降临近空间高速飞机动力的发展

临近空间高速飞机的飞行包线宽广,常规动力不能满足需求,必须采用组合动力。涡轮基组合循环(TBCC)发动机能实现高超声速飞行器水平起降,是临近空间高超声速飞机的最佳动力。首先从TBCC技术研发路线入手,总结出TBCC主要技术研发领域,如高速涡轮基技术、冲压/超燃冲压发动机技术、飞发一体化技术和热防护技术;其次结合TBCC典型研究计划(RTA、FaCET、TriJet、LAPCAT和SR-72),归纳出每个计划的关键技术及进展,并对各方案的未来发展应用进行阐述;最后对TBCC的发展趋势和技术特点进行了总结。     

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。     

串联式TBCC发动机模态转换模拟

为开展涡轮基组合循环(TBCC)发动机模态转换过程研究,基于某小型涡喷发动机,应用串联式TBCC发动机总体性能数值计算程序进行性能计算。根据沿飞行轨道TBCC发动机冲压涵道与涡轮发动机涵道气流混合过程中的参数变化规律,开展模态转换过程模拟。分析了不同等动压头、加力/冲压燃烧室进口马赫数、出口温度等主要参数对发动机性能的影响。根据小型串联式TBCC发动机模态转换过程和沿飞行轨道的发动机稳态特性模拟,确定了较为合理的模态转换区间,并得到了推力、耗油率等发动机性能参数。研究表明:不同动压头对应不同的模态转换马赫数,加力/冲压燃烧室进口马赫数和出口总温对模态转换马赫数并无影响。     

Ma4一级内并联式TBCC发动机模态转换性能分析

涡轮基组合循环(TBCC)发动机是未来远程高速飞行器和可重复使用双级入轨(TSTO)飞行器第一级运载器的理想动力,而模态转换是实现TBCC发动机工程实用所必须解决的关键技术之一。针对Ma4一级内并联式TBCC发动机,分析了其工作原理,发展了相应的总体性能计算模型,该模型考虑了进气道与发动机的流量匹配关系,改进了发动机模型的迭代求解方法。通过对比涡轮模态与冲压模态的净推力、单位燃油消耗率沿飞行轨迹的变化规律,确定模态转换马赫数为3.0。根据模态转换期间发动机推力、空气流量连续变化的基本要求,提出了一种根据涡轮发动机工作状态分三阶段进行的模态转换策略,确定了模态转换过程的参数调节规律。模态转换动态性能模拟结果表明,基本实现了涡轮模态至冲压模态的平稳转换,但在涡轮发动机加力关闭时,为保证发动机空气流量连续变化,发动机总推力将出现短暂的下降,降幅约为12.5%。     

美国高超声速涡轮基组合循环发动机的进展及分析

旨在为未来空天动力技术研究和产品研制提供参考与借鉴。综述了美国高超声速涡轮基组合循环(TBCC)发动机的进展,重点对与涡轮发动机有关的预研计划进行详细描述,如国家空天飞机(NASP)计划、高速推进评估(Hi SPA)计划、猎鹰组合循环发动机试验(Fa CET)计划等。总结与归纳了TBCC发动机的研究发展的特点:TBCC发动机一直是高超声速飞行器研究的关键技术;目前涡轮发动机的首选是现有涡轮发动机改进,未来可能选择正在预研的高速涡轮发动机或自适应发动机;冲压发动机和模态转换技术已经取得明显进展,但还需长期深入验证。     

涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机方案研究

针对临近空间飞行器及空天飞行器使用需求,提出了涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机(Turbine-based dual-combustor scramjet combined cycle propulsion,TBDC)概念,由成熟涡轮与双燃烧室超燃冲压发动机并联组成,Ma0～2.5以涡轮模态为主,Ma2.5～6+主要由双燃烧室超燃冲压发动机提供推力。分析了双燃烧室超燃冲压发动机启动马赫数低、工作包线下边界宽域特点对解决涡轮基与冲压级模态转换过程中普遍存在的"推力陷阱"的有效性和双燃烧室技术应用于组合发动机的可行性,研究了双燃烧室发动机适应组合发动机一体化构形和性能保持、统筹组合发动机可调进气功能拓展双燃模态工作边界的技术途径,完成了组合发动机典型状态点性能仿真和关键技术梳理。研究表明,涡轮基双燃烧室超燃组合循环发动机有望在Ma2.5～3实现模态转换、推力顺畅接力,适应Ma0～6+高速宽域飞行需求。     

超燃冲压及TBCC组合循环发动机尾喷管设计方法研究进展

随着对远程、宽马赫数范围内高速飞行器的需求日益迫切,超燃冲压发动机(Scramjet)、甚至未来涡轮基组合循环发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)等已成为国内外研究的焦点。推进系统是高超声速飞行器能否实现宽马赫数范围内高效工作的关键,而非对称喷管(Single Expansion Ramp Nozzle,SERN)是其重要组成部分和关键技术之一。本文主要分析了远程、宽马赫数范围内高速飞行器对其发动机尾喷管的特殊要求,简要回顾了国内外相关的研究进展,重点介绍了本课题组针对超燃冲压及组合循环发动机尾喷管设计方法的主要工作和研究进展。结果表明:在大落压比下,不同的设计方法对非对称喷管的气动性能,特别是升力和俯仰力矩影响较大。最后对未来的研究进行了展望,旨在总结目前的相关研究进展,梳理关键科学与技术问题,为后续的研究工作提供参考。     

高超声速推进技术的新进展

随着超燃冲压发动机技术的逐步发展成熟,国外高超声速推进技术的研究重点已转向涡轮基组合循环推进技术上,高马赫数（马赫数4以上）涡轮发动机正在成为国外高超声速推进领域新的研究热点,弥补了涡轮发动机马赫数2～2．5上限和亚燃冲压／超燃冲压发动机马赫数3．5～6下限之间的空白。     

国外TBCC发动机发展研究

涡轮基组合循环(TBCC)发动机是未来高超声速飞行器最适合的动力系统之一,配备该类发动机的高超声速飞行器具备水平起降、机动飞行和重复使用能力。本文对国外开展的TBCC研究项目(如美国的RTA、FaCET和Trijet,日本的HYPR和ATREX,以及欧洲的LAPCAT)进行了系统阐述,较为详细地分析了各研究项目中TBCC方案特点,表明随着涡轮发动机技术的全面发展,及采用火箭引射冲压和预冷等技术,涡轮发动机的工作马赫数可扩大到4.0,且TBCC发动机具有工程可实现性,是未来最具发展潜力的空天动力。     

预冷却涡轮基组合循环发动机发展现状及应用前景

本文介绍了国外新型预冷却涡轮基组合循环（TBCC)发动机的技术研究现状,其中最具代表性的是美国的喷流预冷却TBCC发动机和日本的ATREX发动机。在对预冷却TBCC发动机发展现状分析的基础上,介绍了预冷却TBCC发动机的技术优势、关键技术、潜在应用方向及我国开展预冷却TBCC发动机研究的可行性。     

航空发动机传感器信号重构的K-ELM方法

针对航空发动机传感器信号重构,提出了评价核极限学习机（K ELM）模型性能的一种快速留一交叉验证方法.结果表明:该方法可以避免原始的留一验证方法N次模型的显式训练,将计算复杂度降低为原来的1/N（N为样本数目）.该算法可以快速准确评价核极限学习机的性能,为核极限学习机确定最优的核参数.      

军用航空燃气涡轮发动机包装运输设计研究

为了有效防止损伤和环境腐蚀,需要对军用航空燃气涡轮发动机进行良好地包装运输设计。重点分析研究美国发动机的包装运输设计,包括规范与标准、运输装置与运输方式、运输车运输、运输罐运输、托架运输等。简要介绍中国的发动机包装运输设计,比较美国与中国的发动机包装运输设计。提出借鉴美国设计完善和改进中国战斗机发动机包装运输设计的建议。     

发动机状态监控和故障诊断系统的研究

本文介绍了由北京飞机维修工程公司、北京航空航天大学、中国民航学院和东方航空公司4个单位研制的 EMD(发动机状态监控和故障诊断)系统。该系统自1990年和1991年先后在国际航空公司、东方航空公司的 JT9D 和CF6等40台发动机上运行,获得了很好的结果。     

某型涡扇发动机分布式容错控制系统设计与试验验证

为了提高某型涡扇发动机控制系统的安全性和可靠性,提出1种分布式架构下的容错控制方案。基于模块级硬件冗余的思想,设计了包含7个智能节点的基于TTP/C(时间触发协议)总线的发动机分布式容错控制系统,可以实现核心控制节点的硬件备份。基于控制律重构的方法,采用模型参考变结构控制算法设计了容错控制器,可以根据系统故障情况将控制结构切换至无故障的控制回路中。搭建了涡扇发动机分布式容错控制系统硬件在环仿真试验环境,开展了容错控制系统的试验验证。结果表明:在核心控制节点故障时,容错控制系统可以在120 ms内快速启用热备份节点代替故障节点;在非核心控制节点故障时,容错控制系统可以在100 ms内完成控制回路的切换,并保证发动机各状态量不产生明显波动。     

涡扇发动机极点配置圆的多变量PI控制设计

为了实现对涡扇发动机高精准稳态控制,在静态输出反馈渐近稳定条件的基础上,考虑控制系统的鲁棒稳定裕度,推导了闭环极点配置圆的条件,提出了 1 种多变量控制系统闭环极点配置圆的线性矩阵不等式 LMI 设计方法。在双转子涡扇发动机上进行了仿真验证,双回路控制仿真表明:控制系统对于高压转子转速和涡轮落压比回路具有伺服跟踪和抗回路耦合干扰性能;单回路控制仿真表明:在不考虑执行机构动态直接进行控制器设计时,其相角裕度将减小 30°左右,导致系统的动态性能和稳定性变差。     

对航空发动机研究和发展规律的认识

探讨了世界上航空发达国家航空发动机技术加速发展的态势。分析了甸航空动力技术预先研究的现状及存在问题。加深了对航空发动机发展规律的认识。对如何振兴航空、动力先行,把我国航空发动机搞上去,走自主创新的发展道路提出了建议。     

涡轮-冲压组合发动机技术发展浅析

为了确定发展高超声速涡轮-冲压组合发动机的基本思路和分解关键技术,通过对涡轮-冲压组合发动机的基本概念和原理分析,以及国内外发展情况和应用前景等分析,提出了我国发展涡轮-冲压组合发动机的基本思路和需要解决的关键技术。     

不均匀进口总压对涡轮气动性能的影响

为了探究不同进口总压分布对涡轮气动损失的影响规律及作用机理,以 GE-E3 发动机高压涡轮的第 1 级导叶为研究对象,通过设定总压畸变高度和强度,利用数值模拟方法对多种涡轮进口 1 维分布形式下的涡轮气动性能展开研究。结果表明:当端区总压强于中展区总压时,静叶压力面附近流体向中展区汇集碰撞,出口效率降低;随进口总压畸变强度的提高,静叶出口效率线性降低;当端区总压弱于中展区总压时,静叶出口效率变化不大;单级涡轮出口效率随总压畸变形式变化的规律与静叶的类似。     

基于高空气流特性的转子发动机进气系统建模与仿真

针对转子发动机进气量难以直接测量的问题,基于某型转子发动机进气系统特点分析,考虑高空气流特性对进气量的影响,建立了转子发动机进气系统均值模型,通过Matlab/Simulink仿真软件仿真得到不同海拔高度下的进气量脉谱图。仿真结果与试验数据对比分析表明:发动机进气流量及进气管压强的仿真结果与试验数据基本吻合;在节气门开度较大时,节气门开度的变化对进气流量的影响逐渐减弱;所建转子发动机进气模型精度高,可用于转子发动机进气量的仿真计算。