进口导叶可调的涡轴发动机性能寻优控制模式

根据变比热容原理建立了进口导叶可调的涡轴发动机部件级全包线数学模型;仿真研究了涡轴发动机的最大功率、最低油耗、最低涡轮前温度控制模式.仿真结果表明:建立的涡轴发动机数学模型具有较高的准确度;采用最大功率控制模式在整个包线范围内显著提高了涡轴发动机的功率;采用最低油耗控制模式保证功率基本不变,而耗油率明显降低;采用最低涡轮前温度控制模式,能够保证功率基本不变,动力涡轮前温度显著降低.      

航空涡轴发动机发展趋势

基于国际上典型航空涡轴发动机的发展历程,概括了航空涡轴发动机产业发展趋势,其所呈现的系列化、军民两用化和国际合作化特点十分鲜明,国家层面实施的发展计划对航空涡轴发动机的发展起到了重要引领作用。基于统计分析,展望了航空涡轴发动机结构布局和性能发展趋势。研究表明:在结构布局方面,航空涡轴发动机朝着结构紧凑化方向发展,压气机和涡轮级数呈现不断减少的趋势。1 500 kW级以下的航空涡轴发动机将更普遍地采用单级/双级离心压气机和单级涡轮,1 500 kW以上的航空涡轴发动机将更普遍地采用轴流+离心组合压气机和双级涡轮,同心轴前输出功率型式成为主流功率输出型式。在性能方面,未来先进航空涡轴发动机的压比将达到30,涡轮前温度将达到1 900 K,油耗将低至0.20 kg/(kW·h),单位功率将达到400 kW/(kg/s),功质比将达到14 kW/kg。      

涡轴发动机的结构材料

与其他类型的航空发动机一样,涡轴发动机性能的改进都与材料有关,材料性能的重大变革必然会导致发动机性能的改进。选材料特点涡轴发动机的选材和其他航空涡轮发动机有共性,但根据功能、用途的不同,涡轴发动机的选材也有其自身的特点。这些特点是: 高的功率重量比 涡轴发动机从50年代开始研制至今已有40多年的历史。按功率重量比划分,涡轴发动机大致可分为4代。目前广泛使用的     

涡轴发动机性能非确定性模型校核与应用

为了使涡轴发动机性能非确定性模型能够在工程中应用,利用均值法和发动机温度特性试验数据对其进行了校核,输出功率均方根误差为2.1%,耗油率为1%。基于此模型,对涡轴发动机循环参数选择和自由涡轮效率裕度进行了研究。结果显示,当考虑涡轮进口总温升高引起的涡轮冷气量变化及冷却气掺混引起的涡轮效率变化时,现有循环参数选择范围已不能满足发动机性能指标要求。根据控制燃气发生器的相对转速保持为设定值不变的控制方案,当自由涡轮效率裕度提高1.8%时,发动机输出功率和耗油率达标概率≥95%。     

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.      

涡轴发动机性能退化数学建模研究

分析了航空发动机各部件性能退化原理;分别建立了压气机、燃烧室、涡轮性能退化的部件模型;根据航空自由涡轮式涡轴发动机的工作和使用特点,建立了性能退化的涡轴发动机数学模型;利用该模型,仿真研究了不同部件性能退化对涡轴发动机性能参数的影响。结果表明,建立的模型正确反映了部件退化对涡轴发动机的影响。     

涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.     

涡轴发动机涡轮级间支承结构设计关键技术

高效、稳定的涡轮级间支承结构需要先进的设计技术予以支持。考虑涡轮级间支承结构处于高温、多种载荷的工作环境,以及先进涡轴发动机的设计需求,提出了结构设计的基本原则,如小热应力和热变形低,隔振性能良好,极限状态下的安全性好。在此基础上,对几种典型的涡轴发动机涡轮级间支承结构进行了分析与对比,确定了结构多功能、结构变刚度质量分布、连接稳定性和结构与动力学一体化等设计是先进级间支承结构设计的关键技术与发展方向。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

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.