新研民用涡轴发动机起飞状态喘振试验

为了深入研究大功率、高风险状态下喘振对发动机安全工作的影响，以某新研民用涡轴发动机为平台，采用从外部向压气机出口快速引入高压空气的逼喘方法，完成了起飞状态整机喘振试验研究，综合分析了喘振过程非定常流、固、热、声耦合现象。试验结果表明，起飞状态喘振时，发动机出现多次明显的放炮、喷火、冒烟等现象，气流参数大幅波动；受燃气温度较高的影响，起飞状态喘振一旦发生可短时引发数次喘振；发动机控制系统采用合理的燃油控制规律和导叶角度偏离诊断策略，可有效缓解喘振时燃气超温现象，帮助压气机导叶角度快速恢复和发动机退出喘振；喘振时发动机转子基频幅值没有明显变化，机匣径向振动总量未超过限制值。试验验证了发动机具备承受起飞状态喘振的工作能力。     

涡扇发动机整机试验高压压气机流量计算方法研究

发展了一种涡扇发动机整机状态下高压压气机进口流量的计算方法。通过部件试验获得转速、压比、可调静叶（VSV）角度和级间引气对高压压气机进口换算流量的影响规律,基于此规律将核心机试验结果修正到设计要求状态,获得对应于设计要求工况的压气机“转速-流量基准数据”。基于该“转速-流量基准数据”和整机试验工况相对于设计要求状态的偏差,根据部件试验获得的各因素影响规律,修正得到整机试验实际工况下的高压压气机的进口流量。本方法经某大涵道比涡扇发动机部件试验和多台份核心机试验验证,方法可靠,流量计算偏差小于0.5%,应用于整机试验能够有效支撑试验的开展和整机性能的评估。     

涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

航空发动机高压压气机采用可调静子叶片,可改善高压压气机的工作特性,扩大喘振边界,保证发动机稳定工作;通过优化可调叶片角度控制规律,还能提高发动机性能。基于双转子涡扇发动机的试车数据,介绍了可调叶片角度的控制方法,研究了可调叶片角度在低转速和高转速时的控制规律,分析了打开可调静子叶片角度对发动机性能的影响。研究表明,高压转子转速较高时,通过调节可调静子叶片角度,可以降低高压转子的物理转速,增加转子转速裕度,降低机械负荷,增加发动机在翼使用时间。     

微型涡喷发动机控制算法研究

针对微型涡喷发动机的工作过程,在研究发动机控制规律的基础上,开发了微型涡喷发动机起动过程、加减速过程、稳态过程和停车过程的控制程序;结合微型涡喷发动机的数字电子控制器,采用动态预估自适应滞后补偿控制规律,完成了控制软件设计.发动机地面试车试验表明,该控制程序可满足发动机控制要求.     

某型涡轴发动机喘振攻关与验证

针对某型涡轴发动机夏季试车时常发生加速喘振故障的问题,使用故障树初步分析引起喘振的主要原因,并通过径向扩压器叶片进行流场仿真、串装、多台发动机对比计量、试车试验等,对喘振原因进行深入分析。研究表明径向扩压器进口叶根倒角变大对发动机加速性能有一定程度的改善作用,大气条件对发动机加速性有一定影响,径扩面积越大、叶根圆角与进气边转接越顺滑,越有利于加速性能。     

航空发动机滑油颗粒监测与控制标准研究

在航空发动机零部件的加工、装配及发动机工厂试车和检验试车过程中,运用先进的技术手段,开展以发动机零部件清洁度控制、装配清洁度控制及试车阶段滑油磨粒的监测试验,探索滑油中污染物的来源、污染程度及其对发动机使用的影响,确定磨粒来源、产生原因及典型故障模式,提出减少、控制污染物及磨粒的改进意见,进而制定出发动机滑油颗粒监测与控制标准,并应用于发动机生产及零部件的质量控制,对改进产品质量,降低生产成本,缩短生产周期等具有重要意义。     

一种两级导叶可调的模拟方法

现代发动机压气机压比设计状态较高,压气机特性线较陡,在节流状态发动机很快达到喘振,而压气机导叶调节作为一种行之有效的方法,越来越广泛地参与到发动机调节控制中。同时特性图的插值是发动机部件级模型关键一环。本文提出了一种压气机两级导叶可调的四元插值方法,能够对压机导叶进行无极可调模拟仿真。结果表明,该方法的正确性和通用性,经过发动机整机计算表明导叶调节可以提高发动机的稳定性,该方法对静子导叶调节规律的制定和优化具有指导性的意义。     

涡扇发动机气路故障诊断在寿命试验中的应用

在发动机直连管试车台上,模拟一定的飞行高度和飞行速度条件,对某型涡扇发动机进行了累计10 h以上的大推力状态寿命试车。采集了发动机性能参数和重要截面参数。对试验后的发动机进行分解,根据试验过程中发动机性能参数和重要截面参数变化情况,及发动机结构变化情况,总结出由于发动机部件性能老化引起的发动机总体性能下降规律。利用试车数据进行了故障诊断,验证了对发动机故障原因的分析,并给出了部件性能恶化量级,获得了对发动机工程实用具有指导意义的结论。     

自旋动力恢复过程涡轴发动机快速响应控制律对比研究

针对直升机自旋过程中对动力快速安全恢复的问题,充分利用涡轴发动机气路中的导叶、涡轮放气控制,提出了两种涡轴发动机多回路多变量鲁棒控制规律,以实现自旋训练过程中发动机扭矩的快速响应,同时降低旋翼转子瞬态下垂量。采用保性能H2/H∞鲁棒控制算法,分别设计了基于燃油流量压气机导叶调节,以及燃油流量涡轮放气调节的具有快速响应能力的发动机转子转速控制规律,使得涡轴发动机在直升机自旋动力恢复过程中,在保证气动稳定安全的前提下,输出扭矩能够快速响应,且旋翼转子下垂量由常规燃油控制的5%下降至3%以内,并能够显著改善燃油动态特性。最后,通过数字仿真对两种控制方法进行了对比分析,得出了在工程应用中两者可能存在的优缺点。     

基于高速慢车的航空发动机快速响应控制

针对传统航空发动机响应速度慢,难以在紧急事件中用于控制受损飞机完成起降过程的问题,采用高速慢车控制模式来提升发动机加速性能,通过增加发动机在慢车时高压压气机转速,为加速前期提供更大的燃油流量,从而缩短发动机从慢车至最大状态的加速时间。为保证慢车时高压转子转速提高的同时发动机推力和稳定裕度不变,通过修改高压压气机可调导叶控制计划来调整高压转子工作点。仿真结果显示,与原有控制相比,采用高速慢车快速响应控制模式的发动机加速上升时间从原来的2.00s缩短至1.86s,而高压压气机最小喘振裕度仅由16.01%下降至14.81%,同时慢车推力基本保持不变。     

基于在线可变导叶角的涡轴发动机优化控制

研究了基于在线可变压气机导叶角的涡轴发动机最小油耗优化控制.分析了压气机导叶角的变化对涡轴发动机的影响.提出了基于在线可变导叶角的涡轴发动机优化控制方法.最后,进行了涡轴发动机最小油耗优化控制的仿真实验.仿真结果表明通过调节压气机导叶角可以使单位功率耗油率降低3%～7%,具有实际应用价值.      

基于功率保持的辅助动力装置引气性能计算模型

以带负载压气机辅助动力装置(APU)为对象,分析了其结构特点与工作原理,针对目前工程上常用的APU引气性能计算模型的不足,建立了基于APU与空气涡轮匹配的总体性能数学模型和负载压气机变几何部件特性插值模型。在此基础上,研究了APU功率调节规律,获得了轴功率负载、APU涡轮前温度、排气温度与负载压气机进口导叶角度之间的匹配关系,进而实现了APU全包线内和全工况下的引气性能计算。利用GTCP131-9A试验数据对模型进行了验证,结果表明:引气流量计算误差小于3%,引气压力计算误差小于4%;功率保持下的APU涡轮前温度限制值仅与轴功率负载大小有关,与进气温度无关。研究结论对于带负载压气机APU总体性能计算和调节规律设计提供了参考。      

变循环发动机模态转换的几何调节规律

考虑了变循环发动机转子惯性效应和部件容积效应,分析了模态选择阀门面积、核心驱动风扇级导叶角度、低压涡轮导向器面积、喷管喉部面积等几何参数及其不同组合调节方式对变循环发动机模态转换过程的影响,并与实验数据进行了对比.结果表明:所建立的数学模型能正确反映变循环发动机在模态转换过程中参数的变化规律.为确保转换过程的顺利进行,在放大(关小)模态选择阀门面积时,应关小(放大)核心驱动风扇级导叶角度.低压涡轮导向器面积和喷管喉部面积的调节可使得转换过程中参数的变化更加平稳.      

基于变导叶调节的涡扇发动机加速过程优化控制

提出了一种利用变导叶调节,基于可行序列二次规划算法的涡扇发动机加速过程优化控制方法,研究发现,通过在发动机加速过程中对压缩部件导叶角度的适应性调节,可以优化压气机和风扇在过渡态的空气流量,使得燃油在满足各方面约束条件下以最大可能的速度增加,从而提升了发动机加速性能.最后,与常规两变量加速过程优化方法进行了对比研究:在相同目标函数和约束条件下,分别进行了两控制量(主燃油和尾喷管喉道面积)、增加风扇导叶调节或压气机变导叶的三控制量的加速优化控制仿真,结果表明,所提出的方法在优化过程中可以使得燃油最大可能速率高于常规方法,且发现压气机导叶角在优化过程的作用优于风扇导叶角,优化后的工作点加速路径紧贴喘振裕度限制边界,且各个约束严格在可行域范围内,3种方案的加速时间分别为5.5,4.9s和4.5s.     

涡扇发动机进口畸变条件下的优化控制规律

提出了一种满足涡扇发动机不同进口畸变要求的控制规律.在涡扇发动机低进口畸变条件下通过提高增压比来提高性能,在高进口畸变条件下降低增压比并辅助导叶角调节以提高发动机裕度.根据不同的进口畸变条件下的裕度要求,提出了带边界缓冲区的差分进化算法(DEBZ),在包线内优化获取发动机增压比及导叶角控制规律.结合模型、控制器和控制规律完成涡扇发动机全包线仿真.仿真结果表明:采用该控制规律在畸变指数为2的条件下,涡扇发动机推力性能能够提高8%以上,而在畸变指数为8的条件下,涡扇发动机的可用裕度可以满足稳定要求,同时推力性能能够提高1%以上.      

复合倾斜冲击冷却结构设计及应用

以某型航空发动机低压涡轮导向叶片局部结构设计为研究对象,研发了1种复合倾斜冲击冷却的结构形式,介绍了复合倾斜角度冲击冷却结构设计特点,并进行了流动特性和温度场的计算分析,计算分析和壁温测试表明:复合倾斜冲击冷却方式能以较小的冷气流量对壁面形成了较好的冷却效果;对叶片上缘板表面形成了均匀冲击冷却的效果,发动机台架试车也验证了该冷却结构的性能和可靠性。     

航空发动机中介轴承的动力学减载设计

通过对3种典型的航空发动机中介轴承各30台份的试车数据统计,得到使中介轴承免受“同步冲击”的原则,即:中介轴承内、外环特征频率同风扇叶片气动激振频率的整倍数接近至2%的范围内的情况为危险区域,禁止发动机在此区域长期工作.继而提出了带中介轴承的转子系统优化迭代的动力学设计方法, 通过调整叶片数目或高、低压转子转速比,直至保证危险区域的范围不超过发动机工作范围（从慢车状态至最大状态）的10%.该方法可使中介轴承免受“同步冲击”,有效地降低轴承滚道上的动载荷,提高中介轴承的疲劳寿命.      

变几何涡扇发动机加速控制规律优化设计

首先建立了一种变几何通道涡扇发动机数学模型,该模型中,风扇及压气机在不同进口导流叶片角度下的特性是通过对基准特性的修正而获得的。然后根据变几何涡扇发动机的特点,利用非线性规划中的约束变尺度法（ＣＶＭ）设计了最优加速规律。研究结果表明：用约束变尺度法优化设计出的发动机加速控制规律,可以保证发动机在全飞行包线范围内稳定工作,且加速时间最短。     

导流叶片宽度对预旋系统性能影响的数值研究法

为研究导流叶片结构尺寸对盘腔预旋性能的影响,采用RNG k-ε模型对导流叶片无量纲宽度为0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0的预旋系统在不同旋转雷诺数工况下进行了数值研究.结果表明:导流叶片能够提高喷嘴压比和温降系数,旋转雷诺数越大,提高的幅度越大;旋转雷诺数较大时,喷嘴压比和温降系数随导流叶片无量纲宽度增大而增大,无量纲宽度超过0.6后,趋于平稳.当导流叶片无量纲宽度在0~0.2范围内,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大而增大;当导流叶片无量纲宽度大于0.2时,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大基本不发生变化.     

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.