大涵道比宽体客机发动机方案设计及系列化发展研究

基于宽体客机航空发动机系列化发展进行了总体性能方案设计,并分别基于保持整机不变和保持核心机不变的原则,对推力系列化发展方案进行了分析。结果表明,对于减推力使用发动机而言,可以直接采用降低高低压轴转速的方式;对于推力增长发动机而言,需重新匹配低压系统以得到更优化的方案。     

本期导读 核心机系列发展

<正>核心机系列发展,是指在保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的条件下,匹配不同的风扇、低压涡轮、加力燃烧室等低压部件及相关系统,以较低的风险研制出不同用途、覆盖一定推力(功率)范围的一系列发动机。核心机系列发展是发动机系列化发展的最主要途径,能较好解决发动机与飞机研制进度协调的问题,减少发动机研制和翻修     

核心机及其派生发动机发展的方法研究

核心机及其派生发动机发展的方法研究表明,可通过增大空气流量和增大核心机循环功来实现发动机推力增大,但这需要在发动机设计中事先考虑工作转速、流通能力和叶轮机功率等的储备。在核心机基础上进行发动机系列化发展,原则上可采用保持高压压气机设计换算转速不变、或保持最高燃气温度不变的技术措施,但在实际应用中上述两种方法都采用。因此,在核心机及基本发动机研制中．既要有燃气温度和转速的储备,又要有高压压气机性能的储备。由于使用要求不同,在核心机基础上研制大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的技术途径是不同的。     

核心机及其派生发动机发展的方法

核心机及其派生发动机发展的方法研究表明,可以通过增大空气流量和增大核心机的循环功来实现发动机推力增大,但需要在发动机设计中事先考虑工作转速、流通能力和叶轮机功率等储备。在核心机基础上进行发动机系列化发展,原则上可以采用保持高压压气机设计换算转速不变,或者保持最高燃气温度不变的技术措施,实际应用中上述两种方法都采用。因此,在核心机及基本发动机研制中,既要有燃气温度和转速的储备,又要有高压压气机性能的储备。但是,在核心机基础上研制大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的技术途径是不同的。      

变循环发动机双涵道模式下变几何控制探索

为了实现变循环发动机的性能优化,利用混合优化算法寻找最优的几何控制变量来实现变循环发动机的性能提升。在节流优化过程中,采用了单独减小高压转子转速和协同调节高低压转子转速两种控制方案,并计算了巡航状态时在这两种控制方案下发动机由最大推力到50%最大推力的节流过程中,发动机性能参数和工作参数的变化。计算结果表明:在高度为11km、马赫数为0.9条件下,保持进口流量不变,在50%最大推力时协同调节方案相比单一调节方案,发动机的耗油率下降了5.997%,另一个巡航状态(高度为9km,马赫数为0.8)下也有相似的结果。这表明采用高低压转速协同控制能对发动机进行更有效的控制,进一步改善了发动机的巡航性能。     

基于未知输入观测器的涡扇发动机直接推力控制

针对某型涡扇发动机,进行直接推力控制回路设计方法研究.基于未知输入观测器(UIO)原理建立了涡扇发动机机载模型和推力估计器,UIO通过解耦外界干扰实现了全飞行包线推力的准确估计;提出了直接推力闭环反馈控制的双回路结构设计方案,内环转速控制,外环推力控制,有利于实现各回路控制参数的独立设计.仿真验证结果表明:基于UIO的模型基涡扇发动机直接推力控制具有良好的控制稳定性和抗干扰性能,对于发动机不同工作点直接推力控制,推力控制误差不超过0.1%,转速控制偏差不超过0.2%.      

更低的费用,更好的发动机

在普惠公司,最大和最好并不只是说说而已。普惠公司深知要保持在大型发动机市场的领先地位,必须生产出最好的产品。 普惠公司负责高推型发动机的高级副总裁D.爱德华·克劳认为,PW4000发动机在同一推力级的发动机中的拥有费用是最低的。八十年代开始研制PW4000采列时,目标就是要用一台通用核心机发展出系列化的产品。为波音777研制的PW4084发动机获得适航许可证,标志着这一目标已经实现,其取证推力达到了84000磅力。普惠公司现已开始推力达90000磅力发动机的研制计划。     

基于典型飞行任务的CCA技术优势分析

基于典型飞行任务,在F-119发动机方案的循环参数基础上,对采用冷却冷却空气（CCA）技术的航空发动机性能开展研究,分析CCA技术对发动机总体性能及涡轮叶片温度的影响规律,评估采用CCA技术的涡扇发动机对其所装配飞机的飞行性能的影响。结果表明：针对仅预冷高压涡轮动叶冷却气方案,当保持冷却空气流量不变时,采用CCA技术可将涡轮冷气温度降低16.98%~41.21%,使得高压涡轮动叶表面最高温度降低8.89%~16.80%;当保持叶片表面最高温度不变时,采用CCA技术可减少高压涡轮动叶48.61%的冷却用气,且发动机的推力和耗油率等总体性能基本不变;针对同时预冷高压涡轮导叶和动叶冷却气方案,通过调整循环参数,在保持冷却空气流量和叶片温度不变的前提下,可使涡轮前最高温度提高6.91%,从而提高典型飞行状态下的航发推进性能,进而有效提升所配装飞机的起飞载质量、最大爬升率、最大马赫数、使用升限及航程等飞行性能。     

矢量喷管控制对发动机性能的影响

建立了带推力矢量的涡扇发动机数学模型。结合某型涡扇发动机研究了矢量喷管偏转对发动机工作和性能的影响,研究结果表明,矢量喷管偏转时,在一定条件下,发动机低压转子共同工作线向喘振边界移动,而高压转子共同工作线不发生变化,发动机总推力是增大的。但当将矢量喷管偏转与喉部面积放大相结合,可使发动机保持原工作状态不变,而发动机总推力却随着几何矢量角的增大而减小。      

"系列核心机及派生发展"的航空发动机发展思路

核心机的派生发展一直受到航空发达国家的高度重视，并成为发动机系列化发展的主要技术途径。根据我国目前的发动机发展现状。本文提出了“系列核心机及派生发展”的发动机发展思路，对核心机技术及核心机的派生发展进行了讨论和分析。详细介绍了5个核心机的基本参数，通过这5个核心机派生发展形成的系列化发动机，其推力可以覆盖200～20000daN范围，基本能够满足我国军民用飞机发展对动力装置的需求。     

雨水对飞机发动机的影响

雨水对飞机发动机影响较大,当飞机在大雨中降落时,可能会引发发动机熄火,但在飞机起飞时,能起到喷水加力的效应.为了对发动机防吞雨水停车和喷水增大推力研究提供参考,综述了CFM56-3型发动机投入使用后出现的一些吞雨停车故障,并总结了在发动机设计中采取的尽量减少雨水流入内涵的4点措施,介绍了喷水增大推力的机理和其在一些军、民用飞机发动机上的应用情况.     

宽体客机高速风洞试验数据修正方法

宽体客机航程远、巡航马赫数高,其气动设计对风洞试验数据精准度要求很高。通过完善中国空气动力研究与发展中心FL-26风洞试验数据修正技术和设备,对宽体客机高速风洞测力试验数据进行支撑/洞壁干扰、模型变形及流场畸变等系统修正,获取干净、可靠的风洞试验基准数据,为开展雷诺数、静气动弹性和动力影响等相关性修正奠定基础。研究表明：支撑干扰试验时,尾腔压力分布测量位置和假支杆长度伸入模型尾腔50 mm即可获得可靠的支撑干扰试验结果;在试验包线范围内,洞壁干扰对宽体客机模型升力、阻力和俯仰力矩系数影响较小;试验模型变形对宽体客机气动特性影响较为明显,马赫数0.85时模型变形后的升力线斜率减小0.005左右,焦点前移0.021 b_A,需进行相关修正。     

基于深度神经网络的客机总体设计参数敏感性分析

飞机总体主要设计参数敏感性分析揭示了总体主要设计参数对飞机特性指标的影响,有助于总体设计方案的决策。针对宽体客机总体主要设计参数敏感性问题,根据其总体主要设计参数和特性指标的特点,以及多学科间的耦合关系,建立了深度神经网络模型。该深度神经网络模型以客机总体主要设计参数为输入,对特性指标进行预测。在深度神经网络模型中,设置了多个输入层、多个输出层以及多个分块的隐藏层,从而模拟客机总体主要设计参数对特性指标的影响以及不同特性指标之间的相互作用。测试结果表明,与传统代理模型相比,深度神经网络模型对客机特性指标的预测精度更高,多参数适应性更好。利用该深度神经网络模型对客机总体主要设计参数进行敏感性分析。分析结果表明,机翼1/4弦线后掠角在30°~31.5°时,有利于减少最大起飞重量和起飞平衡场长;发动机海平面最大静推力和机翼面积对客机直接使用成本、最大起飞重量等特性指标的影响最为显著。     

带推力矢量飞机的重构飞控系统设计

带推力矢量飞机的重构飞行控制系统是由带推力知量的基本飞行控制系统和重构控制系统两部分组成。前者是加装推力矢量飞机控制的关键。后者是当飞机舵面或作动器发生故障后，利用矢量喷管进行飞控敏理构，可以使推力矢量再次发挥作用。以加装推力矢量喷管的飞机为研究对象，阐述了上述两种控制系统的详细设计方法，此法带有一定的普遍性，为进一步展开这方面的研究提供了参考。     

飞机发动机固定装置的载荷计算方法

飞机发动机固定装置是飞机的重要结构之一,它除了支承庞大发动机结构外,还要承担飞机的动力传输,故其强度问题是该部件的设计关键。解决该问题时首先必须知道结构上承受的载荷,然后逐一校核该装置的零件强度。因此,如何准确计算发动机固定装置的载荷,对飞机的设计乃至其飞行安全都有着重要意义。本文采用常规力学计算方法和有限元计算方法对载荷计算进行了探讨。     

Multipoint optimization on fuel efficiency in conceptual design of wide-body aircraft

Aircraft conceptual design optimizations that maximize the performance at a design condition (single-point) may result in designs with unsatisfying off-design performance. To further improve aircraft efficiency under actual flight operations, there is a need to consider multiple flight conditions (multipoint) in aircraft conceptual design and optimization. A new strategy for multipoint optimizations in aircraft conceptual design is proposed in this paper. A wide-body aircraft is taken as an example for both single-point and multipoint optimizations with the objective of maximizing the specific hourly productivity. Boeing 787-8 flight data was used in the multipoint optimization to reflect the true objective function. The results show that the optimal design from the multipoint optimization has a 7.72% total specific hourly productivity increase of entire flight missions compared with that of the baseline aircraft, while the increase in the total specific hourly productivity from the single-point optimal design is only 5.73%. The differences between the results of single-point and multipoint optimizations indicate that there is a good option to further improve aircraft efficiency by considering actual flight conditions in aircraft conceptual design and optimization.     

翼身融合布局飞机机体-发动机气动干扰效应

翼身融合（BWB）布局飞机是一种相对较新的飞行器概念,具有商业运输飞机的潜在用途。研究表明,翼身融合布局客机可获得比常规布局客机更好的性能。但是,由于各方面限制,BWB飞机不宜使用传统的机翼安装或机身安装的发动机布局,发动机背部安装成为首选布局。然而,背部安装发动机容易产生激波、分离、进气畸变等空气动力干扰问题,发动机与机身一体化的气动设计已成为BWB飞机发展的关键技术。针对BWB布局飞机的机体和发动机之间的气动干扰进行了数值研究,结果表明,背部安装发动机对BWB布局飞机的全机气动特性和发动机本身的推力性能都会产生较为明显的影响。     

民用飞机非对称动力时的飞行品质研究

民用飞机发生非对称动力飞行时,要求其能够继续安全飞行并着陆。对于双发飞行器而言,单发失效的概率较大,在此情况下,飞机必须采取相应的操纵来保持飞机安全飞行。因此,有必要对其飞行品质进行研究。通过对六自由度运动方程进行仿真计算,研究了飞机非对称动力时的操稳特性,并总结了其飞行品质的验证方法。仿真结果表明该方法是有效的,并具有一定的工程设计指导作用。     

航空发动机飞行载荷谱的预测

提出了基于飞机的设计飞行任务剖面、飞行力学及发动机原理的发动机飞行载荷的预测方法,即首先将飞机的设计飞行任务剖面通过飞行力学的基本原理转化为发动机的推力（或油门）剖面,然后通过发动机性能计算获得发动机的其它工作状态参数,从而获得发动机的飞行载荷谱。      

发动机非包容性转子失效布置与防护设计

民用飞机发动机服役经验表明:发动机非包容性转子失效仍会发生。为将这种非包容性转子失效可能带来的危害降至最低,基于一种发动机翼吊式安装的民用飞机,结合咨询通告AC20-128A的要求以及民用飞机设计的工程经验,开展了飞机内部系统布置和结构防护设计研究。首先介绍了减小发动机非包容性转子失效危害的设计流程和分析模型,其次从民航局审查关注的角度,重点阐述了不可控制的着火、推力损失、飞机操纵的损失、对乘客和机组人员的保护和结构完整性等五个方面的设计思路和方法。研究结果表明:飞机设计时,通过采取将关键部件和系统移出碎片影响区、冗余设计、提供可接受的防护等预防措施来减小发动机非包容性转子失效对飞机的危害,对发动机非包容性转子失效的设计和适航验证具有指导意义。