基于流体网络拓扑的航空发动机及燃气轮机整机性能建模方法

为了快速、灵活、自由地搭建航空发动机及燃气轮机不同构型整机性能仿真模型,提出了一种基于流体网络拓扑的发动机整机性能仿真模型方案。从发动机部件及整机性能模型建模基本原理出发,在现有面向对象的部件性能建模及通用仿真系统总体框架基础上,采用迭代变量和平衡方程组与发动机部件模型和部件模型计算顺序相关联技术,建立了适用于不同航空发动机和燃气轮机类型的稳态性能仿真模型,并将该模型计算结果与成熟的商用仿真软件计算结果进行了对比分析。结果表明：该方案、模型可以实现发动机计算模型/拓扑自动构建,以及迭代变量与平衡方程组自动构建,提高了仿真系统的适用性。     

燃气轮机仿真中部件特性处理方法的准确性研究

在基于部件的燃气轮机性能仿真建模过程中,部件特性线处理方法的准确性是影响整个机组仿真精度的关键因素。分别介绍了采用传统离散插值处理方法、人工神经网络法和偏最小二乘法进行部件特性线处理的原理和方法,利用一部分已知样本特性数据和不同处理方法对某燃气轮机进行性能仿真,并将仿真结果与另一部分已知样本特性数据进行比较,分析不同处理方法对部件特性和整机性能计算精度的影响。结果表明:在仿真过程中利用偏最小二乘法可直接使用重构方程求解部件特性,无需对部件特性离散化和插值处理,避免了传统部件特性处理方法的计算误差,提高了燃气轮机热力模型求解的精度。     

双轴燃气轮机仿真及试验验证

为解决燃气轮机仿真实时性差和仿真结果精度低等难点,采用模块化建模方法,对某型双轴燃气轮机进行建模仿真,并将仿真结果与试验结果对比后对模型进行修正:增加燃气轮机各部件特性修正系数,完善空气系统,考虑实际过程中转子的摩擦力和气动阻尼等因素的影响.在燃油调节系统中,增加了惯性环节,并对P1参数等进行了优化调整,对试验负载曲线进行优化,以减小各种干扰.结果表明,经修正后的仿真模型具有很高精度,可以对燃气轮机发电过程进行模拟,以及对燃气轮机的研制工作进行评估.     

基于平行压气机模型的发动机整机性能计算方法

为了满足航空发动机型号设计、适航审定等阶段所采用的仿真模型能够快速有效计算进气畸变对发动机性能影响的需要,开展了基于平行压气机模型的发动机整机性能计算方法研究。在发动机整机性能通用仿真系统基础上,通过继承、关联等方法,构建平行压气机部件类;以发动机整机性能仿真模型迭代计算参数作为子压气机出口边界约束,进行子压气机工作点迭代计算,从而获得压气机、发动机工作点及发动机整机性能;以某型混合排气加力式双转子涡扇发动机为仿真对象,分别计算了设计点性能和进气畸变条件下的非设计点性能,验证了计算方法的有效性,并分析了进气畸变对压气机及发动机整机性能的影响。     

部件三维仿真模型与发动机循环参数分析的耦合方法研究

为了将基于部件三维仿真模型获取的部件工作特性耦合于发动机循环参数分析、提高整机性能预估的可信度,本文提出了改进完全耦合方法,结合核心机驱动风扇级(Core Driven Fan Stage,CDFS)三维仿真模型和变循环发动机(Variable Cycle Engine,VCE)零维仿真模型,使用迭代耦合和改进完全耦合方法建立了VCE多维度仿真模型,研究了修正因子计算方法及边界参数松弛处理方法对VCE多维度仿真模型的影响,对比了迭代耦合与改进完全耦合方法的差异。结果表明,采用改进完全耦合方法时,直接将基于部件高保真度仿真模型得到的压比和等熵效率应用于发动机循环参数分析,可避免非线性方程组线性化过程对部件高保真度仿真模型的重复调用,同时计算过程不依赖于部件通用特性图。采用优化方法计算修正因子或者对边界参数进行松弛处理均可以抑制改进完全耦合方法中迭代残差的震荡,加速收敛。改进完全耦合方法与迭代耦合方法计算结果无明显差异,且在使用优化方法计算修正因子时收敛速度基本一致。超声速巡航状态下,与VCE零维仿真模型的计算结果相比,多维度仿真模型中CDFS压比升高了2.73%,由此导致VCE推力降低了3.48%。     

动力涡轮导叶可调的三轴式船用燃气轮机动态实时仿真

鉴于传统的燃气轮机建模方法用于动力涡轮导叶可调的三轴式船用燃气轮机动态实时仿真时具有一定局限性,提出了一种新型的基于径向基函数(Radical basis function,RBF)的神经网络与部件法(Component modeling method,CMM)的复合建模方法 (HMRC)。该方法针对该型燃气轮机的结构和总体性能特点,合理地选取了样本点以减小样本规模。通过神经网络与部件法分别计算燃气发生器与动力涡轮相关参数,采用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立实时仿真模型。与传统的部件法建立起来的仿真模型对比,新方法计算结果与部件法吻合度高,误差低于1%,同时模型的实时性得到了大幅提升,计算速度约为部件法的7倍。     

不同维度缩放方法在航空发动机总体仿真中的应用

为了研究完全耦合和迭代耦合方法的实现途径及两种方法的差异,针对涡扇发动机,建立了风扇部件的二维仿真模型,发展了基于完全耦合和迭代耦合两种维度缩放方法的发动机多维度仿真模型,对比分析了两种方法在仿真结果、计算速度及可操作性等方面的差异,同时对比了基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型与多维度仿真模型的计算结果。结果表明:采用完全耦合方法进行维度缩放时,需要结合部件二维仿真模型对边界条件的要求调整迭代变量,同时需使用发动机零维仿真模型的计算结果作为多维度仿真模型中迭代变量的迭代初值,才能保证模型的收敛性;采用迭代耦合方法进行维度缩放时只涉及部件二维仿真模型与发动机零维仿真模型之间的参数传递控制,更容易实现。在计算均收敛的情况下,基于完全耦合方法与迭代耦合方法的发动机模型的计算结果无明显差异,但后者的计算速度更快。与基准模型相比,基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型计算得到的推力最大误差大于8.34%,而多维度仿真模型的推力和耗油率的误差均小于3%,多维度仿真模型可更准确地预估发动机性能。     

基于试验数据的发动机部件串行协同仿真方法

为探究整机与部件仿真数据和测试数据的匹配性，基于MATLAB/SIMULINK、Python和通用商业CFD软件，开发了数据驱动的部件串行协同仿真技术，主要由航空发动机整机的集成仿真平台和部件串行协同仿真平台组成。其中，集成仿真平台采用模块化的方法对发动机部件建模，结合共同工作方程及边界约束条件，实现了发动机整机和部件特性的迭代模拟；发动机部件串行协同仿真平台采用自编程序结合底层求解程序，提出了重叠区域的交界面数据传递与处理方法，实现了部件间的串行仿真和边界迭代求解，完成了零维、三维仿真的耦合求解过程。以某小型涡喷发动机为研究对象，基于已有试验数据进行案例验证，计算结果最大误差不超过5%，表明集成仿真平台与串行协同仿真平台的准确性及工程应用价值。     

液氢预冷吸气式发动机建模与循环特性分析

为研究预冷发动机的循环特性,提出了一种结构简单、部件匹配难度低的液氢预冷吸气式发动机构型,分析了其热力循环过程,比较了与预冷膨胀式空气涡轮冲压发动机(ATREX)在循环方式上的异同.基于部件法建模,提出了一种通用的自定义部件计算顺序的方法,解决了加热器部件冷热两端的先后计算问题,发展了整机性能计算模型,计算并分析了关键...     

边界条件对变循环发动机多维度仿真模型的影响研究

为了研究变循环发动机（Variable Cycle Engine,VCE）多维度仿真模型中整机零维仿真模型与核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage,CDFS）三维仿真模型之间边界参数传递处理方式对计算结果的影响,建立了CDFS和前可变面积涵道引射器（Forward Variable Area Bypass Injector,FVABI）耦合三维仿真模型及CDFS单部件三维仿真模型,对比了CDFS工作特性及出口区域静压分布的差异,并采用迭代耦合方法将CDFS工作特性耦合于循环参数分析,研究了CDFS出口静压分布差异对VCE多维度仿真模型计算结果的影响。结果表明,耦合仿真模型中CDFS稳定工作范围随着内涵出口静压变化而变化,其数值喘振点的换算流量与CDFS单部件仿真模型存在明显的差异。FVABI部件的存在降低了内涵出口及FVABI出口的平均静压边界条件对CDFS出口区域静压分布的影响,而且CDFS内、外涵流量分配会显著影响CDFS出口区域的静压分布。因此,由耦合仿真模型得到的CDFS出口区域静压分布更为真实、合理。超声速巡航工况下,相较于在CDFS出口使用平均静压边界条件,VCE多维度仿真模型在使用真实静压分布之后,CDFS内涵压比和等熵效率基本不变,CDFS外涵压比和等熵效率分别降低了0.86%和2.27%,导致VCE推力升高了0.41%,且迭代次数大幅降低。     

空气系统对核心机性能敏感性的影响

为了确定空气系统不同位置引气量对核心机性能的影响，给总体性能和空气系统设计提供依据，以某型核心机设计过 程为例，将空气系统设计迭代到总体性能设计中，研究了空气系统对核心机性能和部件特性的影响，并开展了空气系统对核心机 性能的敏感性分析。结果表明：每个引气位置引气量的增加均会导致燃烧室出口温度的升高，其中用于涡轮转子冷却的引气对燃 烧室出口温度的影响最大，其次为第5级压气机引气，再次为用于涡轮导向器冷却的引气，影响最小的为用于涡轮后机匣冷却的 引气。将空气系统设计结果迭代到核心机性能模型中，迭代后的压气机和涡轮工作特性发生了变化，压气机共同工作线受引气量 增加的影响稍微下移，涡轮落压比由于燃烧室出口温度的升高而减小。     

基于新型涡轮冷却算法的航空发动机性能计算模型

针对气膜冷却和对流冷却两种常用的冷却方式,建立了新的涡轮冷却计算模型,并实现了与燃气涡轮发动机总体性能计算模型的耦合,得到了可考虑的不同冷却方式、适用于高涡轮前温度、大冷气量的燃气涡轮发动机总体性能计算模型,并与简化涡轮冷却模型的计算数据及试验数据作比较分析,表明新型涡轮冷却算法的可行性和能够提供更详细的涡轮部件气流参数.     

引气冷却模型对涡轴发动机总体性能的影响研究

随着现代涡轴发动机性能的不断提高,其热力循环参数和引气量显著增加。针对这一问题,建立考虑压气机引气位置可变和涡轮中冷却气参与做功的涡轴发动机性能计算模型。当压气机引气位置变化时,采用流量平衡和功率平衡同时修正法计算发动机性能;涡轮冷却计算模型则考虑了第一级导向器叶片冷却气的做功。与传统涡轴发动机性能计算模型的计算结果对比表明:本文的计算模型能够合理反映引气量和引气位置对发动机特性的影响,更接近发动机的真实物理过程,可为发动机空气系统设计提供输入。     

局部相似理论在双轴燃气轮机实时建模中的应用

本文提出的双轴燃气轮机的局部相似理论, 将高压转子看成一台在特定环境下工作的单轴燃气轮机, 将高、低压涡轮及尾喷管看成一个独立的联合部件。用这种方法建立的燃气轮机实时模型, 可降低动态特性参数的维数, 满足计算速度和精度的要求。因而能用于双轴燃气轮机的微机数字控制和对气动性能参数监控中的失效参数实时估值计算。      

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.     

Digital twin model of gas turbine and its application in warning of performance fault

The digital twin-driven performance model provides an attractive option for the warn gas-path faults of the gas turbines. However, three technical difficulties need to be solved: (1) low modeling precision caused by individual differences between gas turbines, (2) poor solution efficiency due to excessive iterations, and (3) the false alarm and missing alarm brought by the traditional fixed threshold method. This paper proposes a digital twin model-based early warning method for gas-path faults that breaks through the above obstacles from three aspects. Firstly, a novel performance modeling strategy is proposed to make the simulation effect close to the actual gas turbine by fusing the mechanism model and measurement data. Secondly, the idea of controlling the relative accuracy of model parameters is developed. The introduction of an error module to the existing model can greatly shorten the modeling cycle. The third solution focuses on the early warning based on the digital twin model, which self-learns the alarm threshold of the warning feature of gas-path parameters using the kernel density estimation. The proposed method is utilized to analyze actual measured data of LM2500 +, and the results verify that the new-built digital model has higher accuracy and better efficiency. The comparisons show that the proposed method shows evident superiority in early warning of performance faults for gas turbines over other methods.     

TA-6发动机的引气特性

在TA-6发动机的压气机出口处引气,得到了发动机转速不变条件件下压气机增压比、引气阀压力损失系数、引气管内气流总压和引气气流温度与引气量之间的关系。研究表明,相对引气量在9～22％范围内变化时,TA-6发动机流量几乎不变,压气机增压比变化仅5％,引气压力为1.27×10~2～2.45×10~5Pa,引气温度约473K。所得结果可为燃气涡轮装置引气设计提供参考。     

飞机热气防冰系统研究

介绍了飞机热气防冰系统的应用背景及基本结构,回顾了其发展历程及国内外研究现状.从防冰表面水滴撞击特性计算、蒙皮外部结冰/溢流水模型建立、热气防冰腔内部结构参数研究以及多物理场防冰表面内外耦合仿真这4个关键问题角度,分析了热气防冰系统的主要研究内容.分析表明:准确预测三维溢流冰形成过程、优化热气防冰腔内部结构参数、确定防冰安全边界和防冰裕度以及冰风洞防冰系统实验的参数缩比等关键研究点是热气防冰系统的发展趋势.      

某型船用燃气轮机的仿真建模

利用部件级建模法建立了某型船用燃气轮机的仿真模型;描述了该仿真模型的功能、计算方法和部件模块设计及程序运行界面。