螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟,以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一,引入其特性图,用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡,发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型,实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数,和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

涡桨发动机发螺一体化起飞推力优化控制

针对涡桨发动机对起飞阶段的快速响应需求,提出一种发螺一体化控制架构,通过油门杆综合燃油回路和桨距回路,提高系统动态响应。根据螺旋桨特性,设计起飞阶段推力优化控制策略,通过空速调度最大有效起飞功率,从而提升起飞阶段推力响应。仿真结果表明:这种发螺一体化起飞推力优化控制策略使得涡桨发动机起飞加速段推力平均增加2.59%,发动机加速到起飞响应时间小于2.5 s,有效提升了涡桨飞机的快速响应。      

齿轮传动对转桨扇发动机总体性能建模

为了开展齿轮传动对转桨扇发动机总体性能计算,在双轴涡桨发动机性能模型基础上完善了减速器与对转桨扇性能计算模型,通过构建求解方程组完成了齿轮传动桨扇发动机总体性能建模。计算表明,本模型设计点性能计算结果与公开文献计算结果误差不高于0.1%。本模型可在控制规律设计中选择桨距角为被控参数,且桨距角的调节对对应桨性能及转速影响最大;选定燃气发生器某一参数作为被控参数,再从前后桨桨距角、转速及自由涡轮转速中选取两个被控参数,组合形成的10种三变量组合控制规律均能在本模型中完成计算。结果表明,本模型可支持开展桨扇发动机控制规律设计与性能计算,具有良好的适用性与收敛性。     

液氧/甲烷发动机推力室多循环热-结构分析

为了研究一款液氧/甲烷发动机推力室多循环工作状态下的结构变形,拓展并验证了一种包括流动-传热分析和非线性有限元分析的热-结构分析方法。通过该方法得到了推力室热载荷与压力载荷分布,并分析了推力室在这些载荷下的应力应变响应。研究表明：推力室整体结构变形并非主要取决于热载荷,压力载荷引起的冷却通道底面弯曲在喷管扩张段尤其明显;后冷阶段产生的弹塑性拉伸应变大于热试阶段产生的压缩应变是导致每次循环结束后结构产生残余应变的直接原因;随着工作循环次数的增加,扩张段的冷却通道底角位置残余应变累积速率最快,该部位被确定为结构失效的潜在位置;增加冷却剂入口附近的通道底面厚度、减小后冷阶段与热试阶段的温差以及将冷却通道的尖锐底角设计为圆角可以成为抑制变形和减缓应变累积的备选措施。     

一种新型结构非本征光纤F-P传感器全应变测量性能研究

光纤传感器作为一种新的测量信息传输方式,在航空发动机部件材料高温测量领域具有重要的应用价值。基于多光束干涉原理,制作一种新型结构的非本征光纤 Fabry-Perot（F-P）传感器,探索其在航空发动机部件材料室温/高温环境静力拉伸试验过程中的变形测量性能。采用平板和圆棒两种形状的试样,在不同表面粗糙度和两种加载速率下,分别对比高级视频引伸计（AVE）进行室温、高温环境下静力拉伸试验。结果表明：新型结构的非本征光纤 F-P 传感器具有测量范围大,测量精度高,测量结果不受外界因素影响等优势,可实现航空发动机部件材料的超量程全应变测量;此外,在测量精度和设备体积方面明显优于 AVE。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

基于单杆操纵的双轴涡桨发动机稳态调节计划设计

为实现涡桨发动机的单杆操纵,提出一组基于发动机稳态特性的功率规划具体寻优设计流程。提出巡航状态下的两种综合性能指标,以兼顾发动机耗油率与螺旋桨效率的优化需求。为解决优化设计过程中稳态特性图难以有效获取的问题,对稳态求解模型进行了逆算法改进。某型双轴涡桨发动机的仿真结果表明,逆算法的求解精度与正向算法一致,且与传统双杆恒转速调节计划相比,单杆功率规划变转速调节计划使发动机在巡航状态设计工况下的平均耗油率降低了1.38%,平均效率/耗油率综合性能指标提升了2.09%。     

平流层飞艇三叶螺旋桨结构优化方法

为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计，发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围，应采用变桨距技术，需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配，可实现人工变桨距，在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构，基于NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm），完成了支座固支的桨叶铺层参数优化，得到桨叶质量和频率的Pareto解集，在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案，并与实物测试值对比，结果表明：桨叶质量相对误差2.09%；支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%；桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%，避开了工作转速共振区间，证明该结构优化方法是合理有效的。     

发动机篦齿-橡胶涂层碰摩转子振动特性实验研究

转静碰摩是航空发动机的多发故障,其引起的转子振动特性受转静碰摩材料的影响。考虑了碰摩机匣的硫化橡胶软涂层,实验研究了发动机增压级封严篦齿与封严机匣之间的渐进式碰摩,分析了转静碰摩过程中的转速、振动位移波形、轴心轨迹和进动特征的变化规律。结果表明：封严篦齿与橡胶涂层机匣的碰摩可分为四个阶段,转子转速经过了掉转-超加速-波动恢复-过减速的过程,振动位移波形在转速掉转阶段变化最明显,轴心轨迹呈现稳定-不稳定-稳定的变化规律,篦齿-橡胶软碰摩激起了转静子局部共振,表现为正反进动的高阶超次谐频,碰摩同时引起了对正反进动基频和低阶倍频的频率调制,增压级转静碰摩对涡轮端振动的影响相对较弱。     

薄膜温度传感器的研制及应用

一种新型的薄膜温度传感器,采用真空镀膜的方法制作在涡轮叶片表面,两者构成一体,可以真实反应表面温度。传感器的质量小、响应快,对叶片内部换热和表面燃气流无干扰。 传感器的敏感元件为铂姥_(10)-铂热电偶,测温上限可达1000℃,测量精度为±3％。     

涡轮螺旋桨发动机桨叶角测量试验

详细介绍了涡轮螺旋桨发动机桨叶角测量方法,包括桨叶角传感器的研制、安装以及测试系统数据遥测、采集处理整个无线传输过程。该方法在运八飞机试验平台上成功地进行了飞行验证,为验证螺旋桨空中调节和运行规律提供了宝贵的试验数据,对于今后螺旋桨、旋翼及其它高速旋转部件的试飞测试具有重要参考价值。     

进动效应对涡轮螺旋桨飞机的影响

从转动力学的角度 ,分析了在大型涡轮螺旋桨飞机中 ,螺旋桨和发动机转子进动效应对飞机飞行品质和操纵品质的影响。阐述了螺旋桨和发动机转子转动惯量的计算方法 ,由进动产生的附加力矩或角速度的计算方法。     

Inverted decoupling and LMI-based controller design for a turboprop engine with actuator dynamics

The main objective of the turboprop engine control system is to ensure propeller absorbed power at a constant propeller speed by controlling fuel flow and blade angle. Since each input variable affects the selected output variables, there exist strong interactions between different control loops of a Two-Spool TurboProp Engine (TSTPE). Inverted decoupling is used to decouple the interactions and decompose the TSTPE into two independent single-input single-output systems. The multi-variable PI controller and two single-variable PI controllers are designed for the TSTPE with actuator dynamics based on Linear Matrix Inequality (LMI), respectively, which is derived from static output feedback and pole placement condition. The step responses show that due to the difference in the response times of the selected output variables, it is difficult to design an appropriate multi-variable PI controller. The designed single-variable PI controllers are tested on the TSTPE integrated model to illustrate the effectiveness of the proposed method, that is, the interactions are first decoupled and then the controllers are designed, and the resulting simulated responses show that compared with the controller designed without actuator dynamics, the gas-generator shaft speed and power turbine shaft speed can better track their respective commands under the action of the controller designed with actuator dynamics.     

基于部件特性的螺旋桨数学模型通用建模算法

为了有效地建立螺旋桨数学模型和涡桨发动机数学模型,以及为涡桨发动机控制规律设计奠定基础,借鉴压气机部件特性缩比方法,提出了一种适用于螺旋桨部件特性的修正缩比方程;基于螺旋桨静态特性,提出了静拉力状态下的螺旋桨建模优化算法;针对螺旋桨低速前进状态下和高速前进状态下的不同工作特点,提出了两种不同的螺旋桨建模算法,以实现全飞行包线内的螺旋桨数学建模。通过与GSP (Gas turbine Simulation Program)软件仿真数据对比验证,其结果表明,基于所提出的算法建立的螺旋桨数学模型输出拉力、功率和效率的最大相对误差分别不超过3×10-6,3×10-6和6×10-5,同时,验证了算法有效性和通用性。     

涡桨发动机螺旋桨实时建模技术

基于螺旋桨片条理论对叶素进行受力分析,推导了螺旋桨拉力和功率等参数的计算公式,建立了螺旋桨实时数学模型,将模型求解归结于干涉角的迭代,并指出模型保证实时性的关键在于迭代算法的收敛速度.通过分析迭代函数及其导数关系,提出一种干涉角初值设置方法,并提出采用割线法代替导数法能加快迭代运算.仿真结果与实验数据对比分析表明:基于叶素受力分析得到螺旋桨拉力和功率的计算精度满足要求,干涉角初值设置以及基于割线法的迭代收敛速度能满足涡桨发动机控制系统实时仿真的需要.      

两相混合式步进电机减小齿槽转矩的方法

为提高混合式步进电机的位置和速度控制精度, 需要减小电机的齿槽转 矩。本文推导了两相混合式步进电机定转子等齿距和不等齿距时齿槽转矩的解析表达 式,提出了通过微调定子齿距为最优角度的错齿方法,能够消除气隙磁导4 次谐波产生 的转矩分量,从而减小电机的齿槽转矩。设计了3 台不同定子齿距的样机,对齿槽转矩 和保持转矩分别进行了二维有限元计算和试验测试,结果表明,通过定子错齿方法,能 够明显减小齿槽转矩,使矩角特性的波形接近正弦波。     

考虑螺旋桨滑流的涡桨运输机失速速度的适航验证

涡桨运输机使用螺旋桨作为能量输出,滑流是螺旋桨飞机的重要特征,在适航验证时需考虑.失速速度是反映飞机气动特性的重要参数,在开展失速速度的验证时考虑滑流的影响尤为重要.分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响,根据涡桨运输机失速速度的适航规章条款CCAR25.103的相关要求,提出了涡桨运输机考虑滑流影响的失速速度的适航验证...     

轴流叶片非接触式模态特性测试系统的开发与研究

基于涡轮螺旋桨发动机安装节拉杆系统,对各拉杆的受力状态进行分析,推导拉杆系统力学方程,并得到拉杆之间的力 学关系,结果显示各拉杆所受拉力比值为常数,该常数仅取决于拉杆的尺寸、安装角度、材料参数等。基于ANSYS Workbench 建立拉 杆系统有限元模型,对该系统进行静力学分析得到拉杆应变随拉力的变化关系,并得到不同拉杆拉力之间的关系,数值仿真结果与 理论分析结论相互印证。为基于安装节拉杆的涡桨发动机飞行拉力测量奠定技术基础。