航空发动机升力风扇驱动系统设计与仿真研究

针对某航空发动机升力风扇驱动系统高精度要求、快速响应等难点,提出一种升力风扇驱动系统详细设计方案。分析了升力风扇驱动系统的组成与工作原理,在Matlab/Simulink平台建立航空发动机升力风扇驱动系统仿真模型,并详细分析了驱动系统的动态特性与稳态性能,最后进行了系统的故障分析与改进措施。仿真结果表明,系统动态响应的带宽频率约为6.7Hz,全行程运动时间约为0.45s,响应快速准确,设计方案原理可行,对国内升力作动系统的工程实用具有一定的参考价值。     

升力风扇和涡扇发动机组合动力系统性能模拟与分析

基于部件匹配和多设计点分析技术,发展了加装升力风扇的涡扇发动机性能计算模型.以F135涡扇发动机为例,对模型的可靠性进行了验证.数值模拟结果表明:升力风扇不工作时,涡扇发动机性能模拟与常规涡扇发动机是一致的,当升力风扇工作时,若实现低压涡轮与涡扇发动机风扇、升力风扇工作点的匹配,不仅需要调节尾喷管喉道面积,而且可变外涵道出口面积、低压涡轮导向器喉部面积也需要调节.基于该模型,可以进行带升力风扇的涡扇发动机循环参数匹配和不同任务状态的性能分析.      

本期导读

正轴驱动升力风扇发动机性能仿真方法短距起飞/垂直降落战斗机集固定翼和旋翼飞机的优势于一体,是未来高性能战斗机的发展方向之一。研发具备短距起飞/垂直降落能力的轴驱动升力风扇发动机,是使战斗机实现短距起飞/垂直降落的关键。     

2种构型升推组合推进系统装机后地面效应影响仿真

为了解近地环境下不同构型升推组合推进系统装机后的环境适应性和性能差异性,研究了地面效应对推进系统外流升力损失、内流性能损失和气动稳定性等方面的影响。构建了STOVL飞机+推进系统耦合流场模型,制定了处于同一技术水平的升力发动机和升力风扇2种构型升推组合推进系统方案,对相关参数进行了计算和对比分析。结果表明：推进系统装机后受地面效应影响,在工作环境、性能保持和功能完整性等方面,升力风扇构型明显优于升力发动机构型;相比升力风扇构型,升力发动机构型总升力减小10%,总耗油率提高5%,主发动机压缩部件喘振裕度减小10%;如要保证升力分配比为1.0,总升力同比进一步减小超过23%;为防止推进系统气动失稳,应保证主发动机进气相对温升不超过3.5%、温升率不超过50 K/s。     

基于某型发动机发展 STOVL 动力性能方案研究

短距起飞/垂直降落（STOVL）飞机由于其优越的作战性能,受到了世界航空大国的高度重视。通过借鉴目前最先进的 STOVL 动力 F135- PW -600发动机技术发展思路,研究了基于国内某型发动机改 STOVL 动力方案时,主发动机与升力风扇之间的匹配和约束关系。研究结果表明：随着升力风扇压比和流量的增加,主发动机升力减小,升力风扇升力增加;同一主发动机状态下,升力风扇流量越大,发动机前后升力平衡的升力风扇压比越小,总升力越大;主发动机性能越高,发动机前后升力平衡的升力风扇压比和流量越大,发动机总升力也越大。     

短距起飞/垂直降落发动机建模技术研究

参考常规双轴涡扇发动机数学模型,建立了适用于短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机的变循环发动机部件级数学模型;通过特性外推,建立了轴驱动升力风扇数学模型;采用神经网络映射涵道总压损失的方法,建立了滚转喷管和外涵模型.根据STOVL发动机结构和部件变化特点,建立了稳态和动态共同工作方程.参照国外文献仿真数据进行设计点计算,并按照Bevilaqua提出方法开展了由常规涡轮风扇模式到悬停涡轮轴模式的过渡态仿真.仿真结果表明:建立的数学模型在悬停状态设计点和高空巡航点与国外文献数据相比误差均小于1.5%,推力达到悬停状态要求,符合STOVL发动机的设计特点,验证了该建模方法的有效性.      

F135-PW-600发动机升力系统与整机匹配性能研究

对F135-PW-600发动机的升力系统与发动机主机匹配工作性能进行了研究。针对F135-PW-600发动机的工作特点,从分析升力系统工作原理开始,分别分析了升力风扇所需功率、滚转喷管引气流量、尾喷管喉道面积调节和低压涡轮导向器面积调节对整机匹配性能的影响,获得了发动机的基本调节原理。之后根据相关文献中的发动机数据,验算了发动机在常规模式、升力模式和超声巡航状态下的性能,对分析结果进行了验证。为F135-PW-600发动机性能和控制规律分析提供了一种研究方法。     

基于部件法的涡轴发动机性能计算模型研究

为研究自由涡轮式涡轴发动机的稳态特性,建立了基于部件法的涡轴发动机稳态特性计算模型,编制了计算程序,并指出了涡轴发动机各部件在共同工作时需要满足的平衡关系,同时建立了求解稳态特性计算模型的非线性方程组。然后利用编制的稳态特性计算程序,计算了某涡轴发动机在考虑使用限制时的最大状态特性和不同高度下的节流特性。通过对计算结果...     

带升力风扇的垂直起降推进系统建模研究

为了填补国内对转升力风扇研究与垂直起降系统建模研究相结合的空缺,分别针对常规与对转升力风扇,建立了垂直起降推进系统的部件级实时数学模型,并进行了性能对比。针对减阻的要求,通过插值将升力风扇进气道的阻力系数选为0.0470;针对升力风扇非设计点特性准确性的要求,采用基元级理论对风扇进行半设计半计算;特别引入中介推力修正系数(κ)用于对转风扇的参数设计,该方法下两升力风扇推力相等,轴功率偏差为0.0265。进一步的动态仿真表明,由于风扇特性的影响,同样工况下非设计点处对转风扇的升力和轴功率更大;并且由于升力风扇与发动机的耦合性,针对不同升力风扇的差异性,发动机会通过调整转速而产生"趋同"的作用效果。     

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-涡扇变循环发动机方案及性能匹配设计研究

针对旋转机翼式垂直起降高速巡航飞行器,提出了一种新概念结构形式的涡轴-涡扇变循环（TSFVCE）发动机,能够分别在涡轴和涡扇两种模态工作。首先对涡轴-涡扇变循环发动机的结构及工作模式进行了介绍,并建立基于变比热的部件级性能仿真模型;然后通过循环分析,确定发动机第二涵道比为3,Flade外涵风扇压比为1.98,第一涵道比为0.11,完成发动机设计点性能方案设计;最后分析了核心机驱动风扇（CDFS）可调机构对发动机性能影响机理,得出CDFS放气阀对发动机涡扇模态下的推力与涡轴模态下的功率影响较大,对涡扇模态的推力影响最大为61.5%,对涡轴模态的功率影响最大为33.3%,可利用此特性实现发动机在涡扇和涡轴模态下推力和功率输出的匹配。     

基于试飞数据的涡轴发动机性能建模技术

为了实现军用涡轴发动机在装机状态下的虚拟预测试飞，通过罚函数法求解超定非线性方程组的最小二乘解，并采用回归分析对部件特性耦合因子进行曲线拟合，优化基准稳态模型，构建了某型涡轴发动机稳态性能计算模型；在此基础上，应用发动机加减速试飞数据，综合考虑部件容腔效应、转动部件的转子动力学和高温部件的传热效应，开发了涡轴发动机部件级过渡态性能计算模型。采用该模型对包线范围内不同工况的发动机稳态和过渡态工作过程进行了仿真预测，结果表明：与真实装机试验结果相比，发动机各工作参数的稳态预测精度在4.2%以内，过渡态预测精度在9.2%以内，满足工程精度要求。该模型能够满足虚拟预测试飞的技术需求，对涡轴发动机的设计、试飞和使用具有重要作用。     

发动机加力喘振故障原因仿真分析

某型带加力涡扇发动机多次出现风扇加力喘振故障,对飞行安全和发动机寿命产生严重影响.为了分析加力喘振故障原因,首先通过发动机稳态计算模型分析了喷口控制系统稳态特性与加力喘振故障之间的关系,指出了加力工作线位置与风扇喘振的关系;其次根据基于AMESim的加力喷口控制系统模型和基于Simulink发动机分段线性化模型构建了联合仿真模型,基于联合仿真模型分析了喷口控制系统动态特性与加力喘振故障之间的关系,同时分析了喷口打开速度对于风扇喘振裕度的影响.     

3 外涵变循环发动机循环参数匹配模拟

3外涵技术能使发动机涵道比调节范围更宽,使其在所有推力范围和全包线下性能最优。分析了带核心机驱动风扇级（CDFS）的3外涵变循环发动机工作机理,利用稳态性能数值仿真程序,开展了3外涵变循环发动机循环参数匹配模拟研究,得到发动机循环参数取值范围。研究结果表明：3外涵变循环发动机工作范围更广,重点是通过改变其涵道比来实现压比的变化和发动机模态的转变,最终实现3外涵变循环发动机的优越性能。     

F135发动机的升力风扇喷管

F1 35推进系统升力风扇组件的可伸缩式D形喷管在STOVL工作状态为F - 35C飞机提供偏转推力。D形喷管由 4段构成 ,最后部分包括固定的叶片。 1 997年 4月至 7月中旬 ,AADC公司在NASALewis公司航空声学推进试验室的推进升力试验设备上完成了 1 /3缩比升力风扇排气喷管模型的台架试验。在整个喷管压比范围内 ,喷管的俯仰矢量角向前 1 5° ,向后 6 0°。试验结果表明 ,该喷管满足了JSF计划的设计要求 ,也与AADC公司的内流计算流体力学分析结果一致。这些试验结果也将用于升力风扇系统的全尺寸设计。F135发动机的升力风扇喷管@梁春华…     

基于混合算法的涡轴发动机稳态性能仿真模型

以自由涡轮式涡轴发动机为研究对象,建立了涡轴发动机的稳态性能仿真模型,提出了基于天牛须算法和N+1点残量法的求解发动机模型的混合算法(BAS-N+1混合算法),利用发动机台架试车数据对仿真计算结果进行了验证。结果表明,该稳态性能仿真模型各参数的求解误差在3%以内。与PSO-N+1混合算法相比,BASN+1混合算法求解精度更高,收敛更快。BAS-N+1混合算法既保留了智能算法对初猜值误差的包容性,也拥有接近经典迭代算法的收敛速度和精度,能够实现涡轴发动机稳态仿真模型的高精度大范围快速收敛。     

大涵道比涡扇发动机总压进气畸变数值模拟

基于数值缩放理念,以一台大涵道比涡扇发动机为研究载体,将三维彻体力模型与二维多子平行发动机模型进行有机结合,初步搭建了适用于分析复杂进气畸变对航空发动机整机流场特性影响的多维耦合计算模型。利用该多维耦合模型定量分析了稳态周向总压畸变及插板式总压畸变进气下发动机内部的流场特性。计算结果表明即便是进口单纯的方波周向总压畸变进气,在经过大涵道比风扇转子作用后在下游内外涵进口的畸变流场特征也将具有显著差异;在内涵进口形成的总压/总温复合畸变在四级增压级中均得到不同程度的衰减;插板式总压畸变进气下风扇转子进口近轮毂处受周向静压梯度驱动将产生一定程度旋流,并导致风扇转子出口轮毂处形成低压区。     

风扇冲压发动机性能计算及参数分析

本文介绍了涡轮风扇冲压组合发动机的一种简化的热力性能计算方法及风扇压比为3的风扇冲压发动机沿等动载((?)=0.7)轨迹飞行时发动机性能计算结果。文章着重分析了风扇压比对发动机高空推力及起飞推重比的影响,还分析了大飞行动载及高飞行攻角对发动机性能的有利影响。最后,对发动机在M≥6之后采用注水加力方法提高亚燃冲压发动机工作上限问题进行了研究。     

航空发动机电驱动滑油泵控制算法研究

采用B.M.捷米道维奇模型,计算了航空发动机典型工况下各润滑点对应的滑油流量以计算的流量作为电驱动滑油泵性能目标值,针对电驱动滑油泵性能控制需求,利用MATLAB软件,通过线性回归求解得到滑油流量与发动机状态关联模型,并以该模型为基础建立了电驱动滑油泵控制算法电驱动滑油泵试验件试验结果表明,该控制算法可行,流量控制精度满足不大于5%的要求。     

基于常规发动机发展STOVL推进系统的总体性能方案

结合F135-PW-600发动机构型,开展基于常规涡扇发动机发展短距起飞/垂直降落(STOVL)推进系统的总体性能方案研究,分析了影响性能方案的各升力部件参数,完成了针对总升力提升的方案优化。研究结果表明:以提高总升力为目标,升力风扇应选取低功耗、小压比、大流量的参数组合;滚转喷管引气量应由风扇裕度、滚转力及其力矩控制需求共同决定;增加外涵道调节机构和重新设计低压涡轮等措施,可将推进系统总升力最高提升近20%;保持主发动机部件不变,通过多学科优化设计,综合考虑质量等结构参数及耗油率等性能参数影响,可使短垂推进系统净收益提升近20%。