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。     

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。     

某航空涡轴发动机健康状况监视与分析

为了及时掌握某涡轴发动机的健康状况，设计了机载发动机参数监视仪，发动机的热力参数，滑油参数及振动参数进行了监视，编制了地面分析软件，给出了用于诊断发动机单元体故障的测量参数和部件性能评估参数，探讨了利用故障因子概念诊断单元体故障的方法，运用发动机的实际无故障数据和模拟故障数据进行了仿真，结果表明，诊断结论可信，该系统在对役涡轴发动机的健康监视具有实用性。     

某型航空涡轴发动机吞砂试验研究

砂尘环境是航空发动机事故中常见且重要的诱发环境,因此,吞砂试验是新型发动机摸底和定型的重要试验项目。根据GJB 242-1987相关要求,通过设计投砂装置模拟真实砂尘环境,对某型航空涡轴发动机进行地面吞砂试验。试验结果表明:随着吞砂时间的增加,发动机功率衰减,耗油率增加,燃气涡轮出口总温有所提高;发动机性能在吞砂前2 h变化速率较快,随吞砂时间增加变化速率放缓。     

重型直升机用大功率涡轴发动机的技术特点分析

重型直升机已在西方国家的军事和民用等方面发挥了重要的作用。对国外在役的重型直升机所使用发动机的性能方案和结构特征进行了分析与对比,归纳总结了重型直升机用大功率涡轴发动机的技术特点、设计思路和发展途径,并结合国外先进涡轴发动机的未来发展方向,给出了大功率涡轴发动机的未来发展趋势,并提出了我国大功率涡轴发动机的初步发展思路。     

前功率输出式涡轴发动机涡轮结构布局改进

本文介绍了国外前功率输出式涡轴发动机的主要涡轮结构布局形式,针对国内研制的前功率输出式涡轴发动机功重比低、效率低、油耗大、可靠性不高的现状,提出了在涡轮结构设计中的改进思路,并对影响结构设计改进的关键技术进行了分析。     

涡轴发动机多发功率匹配控制研究

为解决涡轴发动机多发匹配控制问题,通过分析恒转速控制条件下多发匹配控制机理,以串级控制方案为基础,提出了1种适用于装有多台涡轴发动机的直升机的功率匹配控制策略。该策略通过飞行员手动切换匹配模式,兼顾直升机传动系统、发动机的寿命均衡和单发性能退化等因素,实现发动机间的功率匹配。桌面、半实物试验及配装直升机试飞试验的结果表明,提出的多发功率匹配控制策略简单、有效,能够实现多台发动机之间的功率匹配,并具有较强的工程应用价值。     

波转子技术对涡轴发动机性能的影响

本文分析了采用波转子技术后涡轴发动机的性能改变,讨论的是典型的四端口波转子加入基准发动机后可采用的五种循环形式,用热力学方法计算了波转子发动机的性能参数。结果表明,采用波转子技术可在保持压气机压比、涡轮膨胀比和进口温度不变的情况下大幅度提高基准发动机性能。     

涡轴发动机/直升机综合控制仿真平台设计

建立了UH-60直升机/T700涡轴发动机综合控制数字仿真平台。基于VC++环境开发了包含UH-60直升机/T700涡轴发动机综合实时模型的上位机程序,与运行机载涡轴发动机+旋翼实时模型及在线优化控制模式的下位机程序。两者基于TCP/IP协议实时通讯,可进行模拟实际直/发综合优化控制的数字仿真实验。在该数字仿真环境下,分别给出了提高直升机常规飞行性能的多种优化控制模式仿真、变旋翼转速优化控制以及快速功率跟随控制模式仿真,充分表明该平台可为新一代直/发综合系统的开发研制提供一个可靠的前期数字仿真验证。     

带级间燃烧的涡轴发动机性能仿真

为了分析涡轮级间燃烧技术对常规涡轴发动机性能提升的潜力,针对两种带级间燃烧的涡轴发动机性能方案,分别建立了部件级稳态性能计算模型,并通过仿真对比分析了级间燃烧室不同温升及总压损失条件下发动机的整机性能,结果表明:级间燃烧室总压恢复系数和温升对单位功率和总功率影响较大,当级间燃烧室总压恢复系数为0.95、温升为200K时,保持进口空气流量不变,涡轴发动机单位功率和总功率增加17%,耗油率增加约11%;在高的级间燃烧室温升条件下,适当增加动力涡轮导向器面积,改善涡轮流通能力,有利于进一步提高整机功率,降低动力涡轮前温度;两种方案对比,在涡轮过渡段设置级间燃烧室空间上更好布置,性能上更占优势.      

直升机自转下滑训练过程发动机的控制规律

为确定直升机自转下滑训练过程发动机的控制规律,分析了采用正常控制规律进入自转状态时涡轴发动机的变化过程,提出了在现有控制规律基础上增强动力涡轮转速控制模块中总矩"提前器"作用和适当放宽速率限制值的控制对策.仿真结果表明,改进后的控制规律能够基本满足直升机对发动机状态控制的要求,为解决直升机发动机在自转训练情况下的控制问题提供了一条有效的技术途径.     

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.      

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。     

涡轴(涡桨)/涡扇(涡喷)发动机通用核心机技术

通用核心机技术不仅可增加所发展发动机的通用零件数,缩短研制周期,还可使所发展的各类发动机性能均较先进.不同流量的通用核心机可相应发展不同功率/推力范围的各类发动机,通用核心机的设计需考虑强度与气动性能的折衷,其部件应有宽广的高效与稳定工作范围,且通用前提下也允许核心机后续发展时有小的变动.文中最后讨论了某中小型通用核心机方案设计中涡轮级数和压气机形式的选择问题.      

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题, 分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系, 旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数, 用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验, 仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化, 可以降低油耗1.5%～5.5%, 同时降低涡轮温度4.4～16℃, 具有实际应用价值.      

涡轴发动机性能在线监测技术研究及试验验证

研究了基于模型的涡轴发动机性能在线监测技术,开发了涡轴发动机性能在线监测软件,并进行了真实台架试车试验验证.试验结果表明:软件能够自动判断发动机是否已进入准稳态工况,并根据当前的大气条件、燃气涡轮转速、动力涡轮转速,实时计算发动机其它状态量与性能量,如压气机增压比、动力涡轮前温度、轴输出功率、耗油率等.与模型计算结果相比,被试发动机压气机增压比稳态测量值最大偏低2.3%左右,反映了被试发动机与基准发动机之间的性能差异,验证了涡轴发动机地面台架试车性能在线监测技术的有效性.      

涡轴发动机整机受迫振动分析

涡轴发动机的一种常见的安装方式是其主安装节直接与主减速器相连,对这种安装形式下涡轴发动机的受迫振动问题进行了研究.首先讨论了其结构特点并对引起激振力的原因进行了分析,然后对激振力引起的轴向力、弯距在各承力件上沿轴向的分布规律进行了分析,介绍了受迫振动响应分析和有限元方法.发动机整机振动试验证明了该方法的有效性.      

某型涡轴发动机性能衰减与部件退化评估

为在某型涡轴发动机持久试验中进行性能健康检查,采用多点匹配方法建立了个体发动机性能衰减计算模型,基于非线性气路分析方法对部件性能退化进行了计算,集合已有经验确定性能偏离部件,完成了某型发动机持久试验中不同阶段的性能衰减评估.结果表明,某型发动机性能衰减及部件性能退化成阶段性分布,前期压气机和燃气涡轮性能变化最快,随后处于相对稳定阶段,动力涡轮性能在目前试验时数范围内基本无变化.该方法的验证为涡轴发动机使用过程中的性能健康与评估提供了有益的经验.      

Research on nonlinear model predictive control for turboshaft engines based on double engines torques matching

In order to reach a compromise between fast response control and torques matching control in double turboshaft engines, research on nonlinear model predictive control for turboshaft engines based on double engines torques matching is conducted. Meanwhile, a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) method is proposed, which combines the control index of the power turbine speed with torques matching of double engines creatively. In addition to the control index, the difference of output torques between each engine is also incorporated in the objective function as a penalty term to ensure constant speed control and short torques matching time. Simulation results demonstrate that relative to unilateral torques matching, the settling time of the bidirectional matching method can be reduced by nearly 30.8%. Nevertheless, compared with the bidirectional torques matching method under the cascade PID controller, the NMPC method can decrease the overshoot of the power turbine speed by 65% and reduce the matching time by 15.5% synchronously. Besides fast response control of turboshaft engines, fast torques matching control of double engines is accomplished as well.