民用涡扇发动机结构与建模分析研究

数学模型是航空发动机性能仿真与控制系统设计的重要技术基础,针对民用涡扇发动机建模需求,以广泛使用的大涵道比涡扇发动机为研究对象,参考国外经验并结合理论分析,进行与整机建模相关的发动机主要部件结构特点和部件建模方法研究,给出发动机大风扇特性分解方法,分析空气引气系统、压气机稳定性控制系统、涡轮叶尖间隙控制系统、反推力装置等系统的结构和建模方法,以期为民用大涵道比涡扇发动机整机建模提供技术支持.     

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。     

航空发动机叶尖间隙测量技术研究

在一台航空发动机的研制过程中,叶尖间隙是一个基本的测量参数。同时它也是发动机在运转过程中主动叶尖间隙控制、健康管理和故障诊断的一个重要组成部分。本文介绍了目前航空发动机叶尖间隙测量技术的几种主要方法。     

民用航空发动机涡轮叶尖间隙主动控制技术分析

综述了民用航空发动机涡轮主动间隙控制技术发展现状,总结并分析了涡轮叶尖间隙的影响因素与变化机理,介绍了主动间隙控制方法及其发展趋势,给出了涡轮主动间隙控制方案分析和主动间隙控制系统的关键技术     

涡轮叶尖热主动间隙控制系统布局分析

涡轮叶尖间隙控制系统是现代军、民用大涵道比航空发动机普遍采用的提高发动机性能的重要系统之一。本文分析研究了现代大涵道比航空发动机典型的涡轮叶尖热主动间隙控制（ACC）系统的结构布局及冷却空气流向，根据各自特点将其总结归纳为双层机匣内置冲击隔板和机匣外部环绕冲击冷却管两种形式。其中，双层机匣内置冲击隔板布局结构简单，采用的引自高压气源的冷气在实现间隙控制功能后可以用于二次冷却其他部件，但从高压压气机中间级引气的性能代价比较高，因此实际应用较少。机匣外部环绕冲击冷却管布局结构件较多，但可以实现冷却管与机匣外壁凸肋的紧密配合，从而实现最优的冲击靶向位置及冲击距，增强机匣热响应效率，而且采用引自风扇后低压气源的冷气的性能代价低。从发动机实际应用来看，机匣外部环绕冲击冷却管布局在现代大涵道比发动机上应用较多，成为涡轮热主动间隙控制系统结构布局的发展趋势。     

考虑发动机性能退化的涡轮叶尖间隙预估方法研究

针对有主动间隙控制的某型高压涡轮,建立了考虑发动机退化的叶尖间隙预估模型,重点研究了发动机在长期使用、性能退化过程中涡轮前燃气温度和蠕变变形对叶尖间隙的影响。研究中,首先分析了间隙预测中发动机性能退化影响的引入方式,建立了对应的间隙预估流程。随后以某型发动机典型工作历程为对象,对比研究了传统间隙控制方案、考虑发动机性能退化影响两种条件下的涡轮叶尖间隙尺度变化规律,并据此开展了间隙控制策略的优化调整。研究中发现,由于发动机性能的退化,导致涡轮前燃气温度升高,使得机匣、轮盘和叶片的热变形量增大,其中在最大巡航阶段对机匣的影响最大,其伸长量达到了6.914mm,与未退化前相比增大了17%,同时由于发动机的长期使用,叶片和轮盘受蠕变变形影响,导致叶尖间隙的变化。研究结果表明,采用优化后的主动间隙控制方案,各个工况下的叶尖间隙值均控制在合理范围内,尤其在高温起飞阶段,与退化状态下的间隙值相比提高了53%,有效避免了叶片严重碰摩等故障发生。     

PW2037发动机VSV系统非典型故障分析

现代民用涡扇发动机普遍采用VSV系统提高发动机的喘振裕度和性能,该系统的常见故障主要集中在控制系统部件及相关线路上,本文介绍了由于VSV系统同步环滑块和HPC机匣间隙原因导致的非典型VSV系统故障,对VSV系统间隙性重复故障的排除具有一定参考作用。     

航空发动机叶尖间隙测量技术

虽然可用计算机模型来预测压气机和涡轮的叶尖间隙,但这种预测必须由试验数据来验证和细调。所以,在一台航空发动机的研制过程中,叶尖间隙是一个基本的测量参数,同时也是发动机在运转过程中主动叶尖间隙控制、健康管理和故障诊断的一个重要组成部分。     

民用涡扇发动机多变量增广LQR控制器设计

针对民用涡扇发动机设计多变量控制器,提出将多变量增广LQR控制算法引入到民用涡扇发动机的方法。将发动机控制量作为增广的状态向量引入LQR算法设计,并根据控制系统回路的性能需求,设计期望动态响应曲线;期望动态响应与实际动态响应的差值范数作为优化目标用来调整、确定LQR控制算法的权阵取值;设计的控制器与民用涡扇发动机非线性模型仿真验证。结果表明,多变量增广LQR控制器满足民用涡扇发动机的控制需求。     

涡扇发动机过渡过程模拟精化方法

以某涡扇发动机的过渡态性能模拟为研究对象 ,建立了过渡过程中零部件与气流之间的不稳定热交换、由于热交换引起的间隙变化以及引起的部件效率变化的数学模型 ,并且将此模型引入面向对象的航空涡扇发动机过渡过程性能模拟程序的框架中。通过计算分析 ,零部件与气流之间的热交换对发动机过渡过程性能有显著影响 ;过渡过程叶尖间隙的变化引起的部件效率损失是不容忽视的。上述模型的建立将有效的提高涡扇发动机过渡过程性能模拟程序的精度     

基于航空发动机工况的叶尖间隙智能预测方法

在实际工程中保持航空发动机高效运行的有效措施之一是应用叶尖间隙主动控制技术,其前提是建立精确的叶尖间隙模型以实现叶尖间隙预测。建立叶尖间隙的简化物理模型和数学模型,将叶尖间隙计算转化为热变形与传热问题,通过机器学习模型对发动机工况参数进行特征提取,利用有效特征求解传热问题的边界,从而实现基于发动机工况参数快速预测实时叶尖间隙。机器学习模型的十折交叉验证集的平均准确率为98.9%,叶尖间隙模型的验证误差为4.3%,得到了不同工况下的叶尖间隙计算结果和冷气流量大小变化规律,计算耗时小于0.03 s。     

高压涡轮间隙控制

现代航空燃气涡轮发动机的高压涡轮间隙对发动机效率即经济性和可靠性影响很大。高压涡轮间隙过大,漏气损失增大,发动机效率降低,供油量增加,使发动机高温,对发动机的寿命有不利影响;高压涡轮间隙过小,在大转速时可能使叶片折断,发动机失效。因此,高压涡轮的间隙大小对发动机高效、安全而可靠工作至关重要。本文以CFM56—3民用高涵道比涡扇发动机为例,分析高压涡轮间隙的控制方法以及对发动机性能的影响情况。     

蚌壳式反推装置打开时反推性能参数计算

根据自由流线理论建立了蚌壳式反推装置二维流动数学模型,得到蚌壳式反推装置打开时反向气流偏转角 与蚌壳式反推装置几何参数间的关联关系。将该模型和涡扇发动机性能计算模型耦合,得到了蚌壳式反推装置打开时反推参数的计算模型。以某型涡扇发动机为例,计算了着陆时反推气流角和反推装置几何参数,以及反推力随马赫数、发动机转速的变化关系,并与测量数据进行了对比分析。表明本文给出的蚌壳式反推装置打开时反推性能计算模型具有较好的计算精度。     

航空发动机叶尖间隙在线测量技术研究综述

叶尖间隙是航空发动机设计和试验的关键参数,直接影响发动机的工作效率和运行安全。航空发动机叶尖间隙的实时在线监测已成为测试大纲中的必备项目。随着新型航空发动机的发展,叶尖间隙测量技术进一步成熟和深入。介绍了叶尖间隙在线测量原理,阐述了系统典型结构及常用测量流程,归纳了叶尖间隙在线测量的6大关键技术,详细分析了放电探针法、光纤法、电容法、电涡流法和微波法等叶尖间隙测量方法的工作原理、性能特征、关键技术发展历程及未来发展方向,对比总结了各种方法的研究成果和最新产品,提出了叶尖间隙测量领域的发展趋势与展望,从6个方面总结了叶尖间隙测量领域的未来重点研究方向,为后续研究提供参考。     

暖机对涡扇发动机加速过程中压气机叶尖间隙影响分析

为了研究涡扇发动机暖机程序是否合理,分析了暖机与不暖机对发动机加速过程中压气机叶尖间隙变化造成的影响,并进行了两种情况下变化规律的对比分析。建立了转子模型,在综合考虑转子离心载荷与温度载荷基础上,运用该发动机暖机与不暖机情况下台架测试数据绘制载荷谱,并基于Workbench平台采用热—固耦合分析方法对加速过程中发动机转子径向位移进行仿真计算。根据转子径向间隙计算模型,利用仿真结果计算获得暖机与不暖机情况下的叶尖间隙。结果表明,充分暖机后的压气机叶尖间隙值明显小于不暖机情况下的间隙值,相对原始装配间隙,两者在慢车状态时相差19.86%,在最大加力状态相差8.04%,且加速过程中叶尖间隙变化规律均为随时间增加而不断减小,在慢车至中间状态过程中迅速减小,在加力过程中缓慢减小。     

采用改进减缩模型的涡轮叶尖间隙快速分析方法

改进了一种预测涡轮叶尖间隙的缩减模型,此模型可模拟发动机各工况下温度、转速和压差对间隙的影响.利用该改进模型在某发动机高压涡轮结构设计中进行叶尖间隙计算,结果显示改进的模型能较好地揭示各工况下叶尖间隙的变化规律.此分析模型只需要输入发动机总体参数、几何参数、基本的材料参数以及传热参数,便能快速得到各个工况下叶尖间隙的变化规律,从而找出最小和最大间隙值及发生时所在工况,可在发动机初步方案设计阶段为叶尖间隙评估提供一种高效率的方法.      

抓斗式反推装置打开时反推性能参数计算

根据共形映射理论建立了抓斗式反推装置二维流动数学模型,得到抓斗式反推装置打开时反向气流喷射角ф与抓斗式反推装置几何参数间的关联关系.将该模型和涡扇发动机性能计算模型耦合,得到了抓斗式反推装置打开时反推参数的计算模型.以某型涡扇发动机为例,计算了着陆时反推气流角和反推装置几何参数,以及反推力随马赫数、发动机转速的变化关系,并与测量数据进行了对比分析.表明给出的抓斗式反推装置打开时反推性能计算模型具有较好的计算精度.      

大涵道比涡扇发动机涡轮结构设计关键技术分析

针对大型运输机用大涵道比涡扇发动机的技术特点,分析了其涡轮结构设计中所采用的主动间隙控制、多级涡轮、高展弦比细长叶片结构设计的特殊要求,提出了提高可靠性和使用寿命的思路。     

民用涡扇发动机高高原起动风险规避试验方法

为了保证民用涡扇发动机在高高原机场首次试飞起动成功,采用建模设计方法,建立了发动机部件级起动模型,包括高 海拔气候条件对起动机特性的影响、旋转部件低转速特性延伸和修正、高海拔燃油雾化及点火对燃烧室效率的影响、发动机附件 阻力和功率损失、风阻和吸放热等模块,设计了民用涡扇发动机高海拔起动控制规律。采用仿真和试验分析技术建立了民用涡扇 发动机起动方案设计方法和试验调试优化方法,详细分析了起动机能力降低、转子运转阻力增大、燃油喷嘴雾化效果差、部件效率 和稳定性降低等4项影响高高原起动成功的因素。按照循序渐进的原则设计了高高原试飞起动风险规避试验流程。试验结果表 明：设计的民用涡扇发动机高高原起动风险规避试验方法有效,确保了飞机首次转场高高原机场降落后成功起飞。     

巡航状态下涡轮径向间隙主动控制

发动机叶尖间隙变大,会导致压气机和涡轮的工作效率下降,发动机推力减少,耗油率增大。主动间隙控制技术是根据发动机工作状态,人为地控制机匣或转子的膨胀量,使转子和静子的热响应达到良好的匹配,以保证径向间隙最小。针对涡轮在巡航状态下采用冲击冷却,确定涡轮在冲击冷却下的优化设计数学模型,利用MPOP优化程序综合寻优,达到涡轮在巡航状态下优化设计主动控制的目的。