我国民用涡轴发动机的发展研究

民用涡轴发动机的研制对通用直升机的发展至关重要。简要介绍了国内外现役民用直升机及配装涡轴发动机的发展情况,归纳总结了民用涡轴发动机发展的现状和技术特点。探讨分析了国外民用涡轴发动机的发展趋势和成功经验,并对我国民用涡轴发动机的发展需求、研制能力和现状进行了剖析,从完善社会配套体系、制定发展战略、深化国际合作和加强技术攻关等方面提出了针对性的发展思路和建议,可为解决直升机心脏受制于人、实现军民融合式发展提供参考和借鉴。     

国外军用直升机的动力装置

介绍了国外现役的二三代涡轴发动机的结构和性能,提出了未来军用直升机对动力装置的要求及动力装置的发展趋势。     

美国军用直升机动力装置研发进展

美国军用直升机动力装置在2013年取得了多项重大进展：启动全新的涡轴发动机技术预研计划,为新一代联合多任务（JMR）旋翼机发展动力技术;改进涡轮发动机项目进行了首台HPW3000和GE3000发动机的试车;未来经济可承受涡轮发动机预研计划进展顺利;GE38-1B发动机首次安装在CH-53K重型直升机上进行了测试,为今年的首飞打好了基础。     

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

美国军用直升机发动机计划进展

美国陆军近年来先后启动了5项未来直升机发动机预研计划,它们为陆军发展下一代先进涡轴发动机打下坚实技术基础。     

直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制设计

提出了一种直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制方法。分别设计了基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒保性能控制的直升机四通道多变量控制器和涡轴发动机转速控制器;为了进一步提高发动机自由涡轮转速环的抗扰能力,结合自抗扰控制(ADRC)方法,构建了涡轴发动机转速鲁棒保性能控制+扭矩ADRC补偿的控制方案,充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力,避免了鲁棒设计方法的保守性。在UH-60直升机/涡轴发动机综合模型仿真环境下通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了直升机/涡轴发动机综合系统所采用的鲁棒抗扰控制,尤其是涡轴发动机鲁棒自抗扰控制,具有理想的抗扰控制效果,能够抑制直升机机动操作过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响,从而使直升机具有更好的机动能力。     

直升机涡轴发动机发展趋势

法国透博梅卡公司早在1950年就研制出首台直升机用阿都斯特Ⅰ型涡轴发动机。此后,涡轴发动机技术迅速发展,在直升机上得到广泛应用,基本取代了活塞发动机,并且每隔10年左右就出现一代新产品。     

涡轴发动机监视技术及其发展趋势

涡轴发动机是直升机的动力装置,对涡轴发动机监视,既可以提高直升机的飞行安全性,又可以降低维修费用,大力发展发动机监视技术是直升机设汁和使用的一种趋势。本文分析了直升机发动机监视中使用的性能、滑油、振动、寿命、噪声和静电探测技术的特点及其应用,并且提出了发动机监视技术的发展趋抛。     

军用涡轴发动机发展研究

回顾了军用涡轴发动机的发展历程,介绍了几种典型军用涡轴发动机的性能特点及各国现役军用涡轴发动机的装备情况;分析并提出了军用涡轴发动机的关键技术,并通过研究国外典型涡轴发动机技术研究计划和新用的先进技术,预测了军用涡轴发动机的有关技术趋势。     

一种新的涡轴发动机转速抗扰控制器设计及应用

主要研究了涡轴发动机控制问题。涡轴发动机由于直接与旋翼相连,因此直升机与涡轴发动机的动力学耦合十分明显,从涡轴发动机子系统角度讲,直升机传递来的扭矩可认为是对该系统强的扰动,如何提高涡轴发动机闭环系统的抗扰性能,提高涡轴发动机对直升机操纵的跟随品质就显得非常重要。自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control)是近年来新兴的一种的控制方法,它具有模型依赖程度低,抗扰能力强,设计简单且易于实现的特点.在不改变原有发动机串级PID控制结构的基础上,提出并构建了一种串级PID+扭矩ADRC补偿的控制结构, 该结构充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力。最后,在直升机/发动机综合模型仿真环境下,通Ｄ庵鄙蠓彼偕挡僮?验证了该算法具有比较理想的抗扰控制效果,能够较好地抑制直升机操控过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响.     

涡轴/涡桨发动机压气机流动特点与发展趋势

首先,介绍了涡轴/涡桨发动机的现状与发展历程以及涡轴/涡桨发动机压气机的主要结构形式与技术特点。其次,从压气机的内部流动特点角度,详细介绍了涡轴/涡桨发动机组合压气机中的轴流级相比大推力涡扇发动机轴流压气机的内部流动特点与流场改善措施,及涡轴/涡桨发动机普遍采用的离心压气机中离心叶轮和扩压器的内部流动及匹配的特点。然后,对涡轴/涡桨发动机压气机内部流动失稳和扩稳措施进行了分析。最后,对未来的涡轴/涡桨发动机压气机的发展趋势进行了展望。     

航空涡轴发动机发展趋势

基于国际上典型航空涡轴发动机的发展历程,概括了航空涡轴发动机产业发展趋势,其所呈现的系列化、军民两用化和国际合作化特点十分鲜明,国家层面实施的发展计划对航空涡轴发动机的发展起到了重要引领作用。基于统计分析,展望了航空涡轴发动机结构布局和性能发展趋势。研究表明:在结构布局方面,航空涡轴发动机朝着结构紧凑化方向发展,压气机和涡轮级数呈现不断减少的趋势。1 500 kW级以下的航空涡轴发动机将更普遍地采用单级/双级离心压气机和单级涡轮,1 500 kW以上的航空涡轴发动机将更普遍地采用轴流+离心组合压气机和双级涡轮,同心轴前输出功率型式成为主流功率输出型式。在性能方面,未来先进航空涡轴发动机的压比将达到30,涡轮前温度将达到1 900 K,油耗将低至0.20 kg/(kW·h),单位功率将达到400 kW/(kg/s),功质比将达到14 kW/kg。      

涡轴发动机性能退化数学建模研究

分析了航空发动机各部件性能退化原理;分别建立了压气机、燃烧室、涡轮性能退化的部件模型;根据航空自由涡轮式涡轴发动机的工作和使用特点,建立了性能退化的涡轴发动机数学模型;利用该模型,仿真研究了不同部件性能退化对涡轴发动机性能参数的影响。结果表明,建立的模型正确反映了部件退化对涡轴发动机的影响。     

涡轴发动机技术参数与发展趋势评估

为了给先进涡轴发动机总体性能设计和尺寸与重量计算提供技术参数选择依据,本文收集10台一至四代国外典型的涡轴发动机技术参数,建立总体性能计算和尺寸与重量联合计算的涡轴发动机技术参数评估模型并开发计算程序,利用计算程序对收集的技术参数进行评估,获得涡轴发动机技术参数的水平和发展趋势,并预测下一代先进涡轴发动机的技术参数;以技术参数发展趋势为基础,研究各部件主要的气动、结构、强度、材料参数变化对涡轴发动机性能的影响。获得的涡轴发动机技术参数发展规律及其对发动机性能参数的影响,为先进涡轴发动机总体设计提供了依据。     

某涡轴发动机联动环偏心和变形对压气机导叶角度的影响

以某涡轴发动机为例,通过理论公式与数值模拟计算并分析了导叶角度分散度和平均值随联动环偏心和变形的变化,并通过了试验验证,为故障分析提供数据支持,为该涡轴发动机的改进优化提供方向.     

基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律

为了探究某型涡轴发动机喘振发生位置规律,采集并分析了台架喘振试验时进气道、轴流压气机叶尖、轴流压气机出口和离心压气机出口的压力信号。采用连续小波时频变换对压力信号进行特征提取,以小波系数作为喘振信号特征,阈值为小波系数最大值的10%,结果表明:某型涡轴发动机的轴流压气机总是比离心压气机先发生喘振,喘振在轴向上由进气道向离心压气机传递的同时,在周向上也沿着压气机转子叶片旋转方向传递。对某型号发动机进行实时喘振监测时,监测轴流压气机能比监测离心压气机更早发现喘振,在后续某型涡轴发动机改型设计时,可增加轴流压气机的喘振裕度来提升整机防喘能力。      

涡轴发动机全状态实时气动热力学数值模拟

应用“外推”法得到了某型涡轴发动机起动状态的部件特性,采用容积法建立了表达发动机热力过程特性的非线性方程组,从而,解决了通常的部件法建模所带来的需要迭代的问题,建立了涡轴发动机全状态的气动热力学实时模型,给出了某发动机工作全过程的数值模拟结果。     

离心压气机温升效应对涡轴发动机起动性能的影响

介绍了涡轴发动机起动过程中部件材料温升对离心压气机效率影响的数学模型。按照某涡轴发动机起动供油规律,利用建立的数学模型计算了此发动机起动性能,并和发动机试验结果进行比较,以验证模型建立的准确性。然后,利用建立的数学模型分析部件材料温升对燃气涡轮轴发动机起动性能的影响。