航空发动机转子系统主动抑振控制方法研究

现代先进航空燃气涡轮发动机均不断追求高性能,高可靠性设计,在初始结构设计时,常由于布局构型不合理迫使对结构改型,不仅大大延长了设计周期,而且往往造成费用的超额支出。采用多种现代控制理论结合的综合控制方法,通过对主动控制器的设计,从而实现对航空发动机转子系统的临界转速裕度、不平衡量敏感性以及快速衰减瞬态振动等的综合力学性能的改善。仿真表明,通过主动抑振控制器设计,可以大幅度提高转子系统的抑振能力,有效提升转子系统的可靠性和安全性,可以为航空发动机转子结构减振的主动控制策略提供参考。     

基于结构声强法的机匣振动能量传递特性

为了分析在转子不平衡力激励作用下机匣上纵波、剪切波、扭转波以及弯曲波所携带的瞬态与稳态振动能量的分布规律和传递特性,将结构声强法拓展成矩阵的形式应用到航空发动机领域。建立了转子不平衡力作用下的双转子-支承-机匣耦合模型,通过由有限元工具和自编译程序组建的计算系统,求解并可视化了在高低压转子不平衡力激励作用下机匣瞬态与稳态的总结构声强场以及不同类型振动波的结构声强场。此外,通过运动方程推导并分析了结构声强与结构振动特性之间的内在物理关系。结果表明,机匣上纵波振动能量穿过法兰边后沿其周向传递,而剪切波和扭转波所携带的振动能量则可以穿过法兰边沿机匣轴向传递;支板上的振动能量首先以弯曲波的形式传递到机匣上,振动能量在机匣上沿主要路径传递过程中会发生不同类型振动波相互转换的现象;结构声强通过结构的动能变化率、应变能变化率以及阻尼耗散等能量参数与结构振动特性产生内在物理联系,对结构振动的控制本质上就是对振动能量流的控制。研究结论可为航空发动机机匣以及整机减振提供一定理论指导。     

转子结构布局及其力学特性优化设计

针对高推质比航空发动机结构设计,提出了航空发动机转子结构布局优化设计方案。对总体结构布局的优化可以有效提高材料使用效率,获取更优的力学特性,减小结构质量以提高推质比。介绍了转子结构布局的研究内容,给出了结构布局优化设计方法,并通过对高负荷转子结构系统的布局优化设计,验证了结构布局设计方法的可行性。算例结果表明:该方法可使结构效率损失系数降低0.335,方法的创新对航空发动机转子系统初始结构设计具有指导意义,对转子结构设计方案筛选和缩短设计周期具有重要的作用。      

航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计

针对异常载荷下,航空发动机宽弦风扇叶片的叶尖与机匣刮蹭变形及损伤特征缺乏数据支持,而传统理论计算方法存在较大的误差问题,建立了宽弦风扇叶片叶尖刮蹭显式动力学分析模型,采用宽弦风扇叶片与机匣刮蹭试验数据,对分析模型的计算精度进行了验证。基于分析模型进行了仿真参数的敏感度分析,得到了叶片与机匣刮蹭后叶片变形及机匣损伤规律。研究结果表明:叶尖伸长量对转子转速非常敏感,叶尖径向伸长量增加速率远大于转速增加值,因此在叶片设计中应考虑到风扇叶片极限转速下叶尖伸长量。同时需要选取合理的扭转角度以满足叶片安全性和气动性能的要求。在风扇机匣包容区设计中应主动考虑异常载荷的影响,增大安全性设计域度;设计合理的耐磨层材料参数,减小风扇叶片对其冲击损伤。采用该方法可以提高叶尖间隙控制精度,减小刮蹭对叶片和机匣造成的损伤。      

航空发动机叶片前后缘自由式砂带抛光技术

由于叶片前后缘(LTE)的轮廓形状和表面质量将对航空发动机的气动性能和叶片的疲劳性能产生直接影响,因此为提高前后缘的轮廓度和表面质量,通过对目前航空发动机叶片前后缘抛光所存在的问题进行分析,结合叶片前后缘抛光工艺要求,并基于自由式砂带抛光的工艺特点,提出了叶片前后缘自由式砂带抛光工艺方法;针对该抛光工艺方法,建立其砂带张紧力控制系统,确定了抛光加工中的砂带走刀步长计算公式及抛光轨迹规划方法;最后以某型号叶片的前后缘作为加工对象进行抛光实验研究。检测结果显示:叶片前后缘轮廓度误差小于0.01mm,其表面粗糙度小于0.4μm,证实了该抛光工艺方法对提高叶片前后缘的轮廓度和表面质量的有效性。     

机动飞行条件下双转子系统动力学建模与响应分析

考虑航空发动机双转子中介轴承的耦合作用及陀螺力矩的影响,利用Lagrange方程建立了机动飞行条件下双转子-滚动轴承支承耦合系统动力学模型,对耦合双转子系统的动力学特性进行了理论与实验研究.结果表明:随着内外转子转速比增大,高压转子振动幅值减小,分岔点处转速增大,最大增幅近67.49%.机动飞行使转子的振动响应幅值增大,出现较多分频.在跃升和横滚飞行姿态下,高压转子响应主要表现为:随着跃升速度增加,高压转子振动幅值明显增加,最大增幅近409.24%,分岔点对应的速度增大;在横滚速度增大时,转子振动特性主要表现为从复杂的运动形态变换到单周期运动形态,转子的振动幅值明显增加.利用基础运动双转子模型实验台对跃升和横滚两种飞行姿态下耦合双转子系统的部分动力学特性进行了实验研究,实验结果与数值模拟结果有较好的一致性,证明了计算结果的正确性.      

轴向三级旋流燃烧室流场结构大涡模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室内部复杂流场结构,在自有CFD平台上采用动态亚网格模型对一种轴向3级旋流燃烧室的单个头部矩形试验模型0.5MPa下冷态流场结构进行了LES(大涡模拟).为避免试验模型简化误差,对包括火焰筒上约2000个气膜孔在内的燃烧室所有精细结构进行了完全仿真.计算模拟了燃烧室内复杂流场从静止启动到统计定常状态的完整非定常发展过程,成功捕捉到主旋流与横向对冲射流相互影响作用及涡旋破碎等细观结构,获得的测点湍动能谱与湍流经典理论中惯性子区-5/3规律一致,LES时间平均流场结构与已有PIV（particle image velocimetry）试验结果吻合,表明所建立的高仿真网格与LES方法可进一步用于真实航空发动机环形燃烧室流场数值模拟.      

不确定航空发动机分布式控制系统自适应滑模控制

针对存在参数摄动、外部干扰的航空发动机不确定性分布式控制系统,在系统具有时变输入时延和干扰上界未知的情况下,设计了具有鲁棒性能的自适应滑模控制器。基于预测控制和矩阵奇异值理论,对初始的发动机离散分布式模型进行等效线性变换,得到不显含时延项的规范形系统模型,便于进行滑模面参数的求解;在给定的H∞指标下,推导了滑模运动在非匹配不确定性作用下渐进稳定的充分条件,给出了线性矩阵不等式(LMI)形式的滑模面参数设计方法;最后,设计对干扰具有估计功能的自适应率,在此基础上提出自适应滑模控制器。仿真结果表明:所设计的控制器能够有效降低外部干扰对系统动态性能的影响,在所考虑的不确定性因素作用下,系统的滑模运动具有理想的H∞性能。当外部干扰强度变化时,控制器的鲁棒性较好,状态收敛时间小于0.8s,且不存在抖振。      

民用航空发动机进气道防冰功率的计算方法研究

根据民用航空发动机短舱防冰系统设计的要求,对进气道的防冰功率进行了的计算研究.基本思路是利用结冰数值计算软件计算进气道水滴撞击范围,在此基础上,根据进气道防冰表面不同温度的要求,确定了进气道防冰系统引气功率的需求.提出的发动机进气道防冰功率计算方法,可供民用航空发动机短舱进气道防冰系统设计参考和借鉴.     

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.