一种基于螺旋桨部件特性的螺旋桨建模方法

通过缩比法,利用螺旋桨通用部件特性获得期望研究的螺旋桨部件特性,提出了飞行速度不为零条件下的螺旋桨数学模型建模算法,同时,借鉴缩比后螺旋桨部件特性、螺旋桨定桨叶角工作性能曲线以及螺旋桨空气动力学原理,分析了静拉力状态下的螺旋桨功率系数、拉力系数、桨叶角、螺旋桨静态推力进距比阈值以及螺旋桨几何设计参数的相互作用关系,提出了静拉力状态下的螺旋桨数学模型建模算法。所述算法与Gas Turbine Simulation Program (GSP)软件仿真数据进行了数字仿真对比验证。结果表明:所提出的螺旋桨建模算法具有有效性,在前进状态下,螺旋桨拉力相对误差最大不超过6.6059×10-6,需求功率相对误差最大不超过5.5098×10-6,效率相对误差最大不超过6.6955×10-6。      

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.      

涡桨发动机总体性能优化设计

为提高非设计状态下发动机总体性能预估精度,发展了0D/2D耦合总体性能预估方法。针对某型3轴涡轮螺旋桨发动机建立了基于T-MATS平台的涡桨发动机总体性能0D仿真模型。对涡桨发动机可用功分配提出了2种优化方案。对原方案和2种优化方案的自由涡轮、尾喷管2个部件进行了2D流道和叶型设计,通过S_1流面与通流CFD计算验证了所设计部件的气动性能满足发动机总体性能指标要求。为提高非设计状态下发动机总体性能预估精度,采用0D/2D耦合总体性能预估方法分析了3种方案。结果表明:优化方案1使发动机当量耗油率在设计、巡航、地面状态分别降低2.1%、1.2%、2.0%。     

一种多旋翼电动力无人机螺旋桨设计方法

多旋翼电动力无人机多工作在零前进比或低前进比状态下,因此螺旋桨静态拉力及其效率,对无人机的载重能力和续航能力影响很大。基于涡流理论,提出了一种适用于多旋翼电动力无人机螺旋桨的设计方法,可以在零前进比或低前进比工作状态下,给出最小能量损失的螺旋桨设计方案。以一款462. 28 mm螺旋桨为例,给定相应工况,利用设计程序得到相应的弦长分布及桨距角分布,使用CATIA软件建立相应螺旋桨的三维模型,通过台架试验进行静态拉力及功率消耗测量,验证了本方法的有效性。     

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%。     

前/后置螺旋桨对涡桨发动机性能影响的整机试验

基于一款15 kW涡桨发动机,构建了带偏置进气道的前/后置螺旋桨整机试验台,探究了前/后置螺旋桨流动特性对涡桨发动机性能的影响规律.研究结果表明:随着燃气涡轮转速的增加,螺旋桨滑流增压效果增强、进气道内气流损失增加,其中相对换算转速64％及88％状态滑流增压效果分别为0.35％及0.7％,综合表现为前置状态下螺旋桨/进...     

小型无人机动力装置建模与仿真研究

针对小型无人机广泛使用的二冲程活塞式航空发动机螺旋桨动力装置,研究了发动机的速度、高度特性及定距螺旋桨的拉力系数、功率系数及效率随前进比变化等问题,建立了二冲程活塞式发动机螺旋桨动力装置模型。动力装置模型应用于无人机非线性飞行仿真平台中,进一步研究了无人机风门-高度、升降舵-速度保持/控制等问题,结果表明动力装置模型合理可行,满足小型无人机飞行控制仿真的要求。     

螺旋桨拉力计算验证及参数敏感性分析

本文介绍了桨叶角法理论基础并给出了计算表达式,同时考虑了诱导速度和不同前进比的影响,在此基础上给出了螺旋桨拉力的计算步骤。以某型螺旋桨缩比模型风洞试验结果为基础,对桨叶角法进行了验证。同时针对螺旋桨拉力确定试飞所测量的关键参数进行敏感性分析与评估。计算及分析结果表明,桨叶角法能够准确地预测出不同工况下的螺旋桨拉力系数,满足工程应用要求,为后续某型螺旋桨拉力确定试飞提供了理论基础。     

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。     

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.      

一种超声速状态下机载推进系统模型的建模方法

为了满足机载航空推进系统模型对精度、实时性及数据存储量的苛刻要求,提出了一种机载模型建模方法.对传统的机载稳态模型建立过程中使用的相似准则进行了充分讨论,得出了一种具备更高建模精度的相似准则.在新的相似准则基础上,建立了包含泰勒展开式中非线性2阶项的高精度稳态变量模型,有效解决了分段线性稳态变量模型在大包线、变状态条件下精度难以保证的问题;为了解决超声速状态下安装推力与发动机净推力差别较大的问题,建立了考虑外流特性的简化进气道模型,给出了一种计算安装推力的方法,即由简化发动机模型计算安装推力中符合相似准则的部分,由进气道模型计算溢流阻力、放气阻力及发动机推力中不符合相似准则的部分.仿真结果表明:基于新的相似准则所建立的机载模型具有大包线、变状态适应性,输出参数误差均在0.5%以内.      

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。      

基于新型音轮的涡桨发动机桨距-相角-转速一体化测量研究

为了有效解决多传感器安装的困难和音轮转子不平衡问题,研究了一种基于新型音轮的涡桨发动机桨距-相角-转速一体化测量方法,提出带有多个常规齿和一组对称标志斜齿的新型音轮结构,经过信号处理模块把传感器波形调理成方波,分析方波边沿时刻就能获取螺旋桨的桨距、相角和转速。通过COMSOL数值仿真研究了不同音轮结构对电压波形及测量精度的影响,设计了涡桨发动机桨距-相角-转速一体化测量试验台。试验结果表明,在非极端齿位差角范围内,桨距和相角的误差曲线呈现很好的线性特性,经过线性补偿修正后,桨距、相角和转速测量精度可以分别控制在±0.7%,±0.05%和±0.027%,可以满足涡桨发动机控制精度需求。     

涡桨发动机安装节拉杆系统力学分析

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。     

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.