风洞试验中旋翼的智能控制技术

直升机风洞试验是高转速、高难度、高风险的动态试验,人工操控具有效率低、安全性差、劳动强度大等缺点。为了克服人工操控的缺陷,构建了基于网络通信的试验管理系统和软硬结合的多重安全保护措施,在此基础上形成了成熟的直升机风洞试验自动配平技术。目前这些技术已成功应用于直升机风洞试验控制,应用效果表明旋翼的智能控制技术具有结构灵活、操作方便、安全可靠、数据质量好、试验效率高等特点,大大提升了直升机风洞试验的控制水平,充分满足了直升机风洞试验的需求。     

轴承配置对转子轴系振动特性的影响

以三支承转子轴系为研究对象,采用有交互作用的正交试验法,分析轴承位置对转子轴系振动特性的影响,找出轴承位置的优选组合及对振动影响的主次顺序。将简化的转子轴系模型导入ANSYS Workbench中,分别对不同轴承位置下系统临界转速附近振动情况进行仿真分析,以前3阶中正涡动状态下的最小振动变形量为目标参数,得出了轴承位置变化同目标参数之间的关系。结果表明:轴承Ⅰ×Ⅱ的交互作用会对轴系的振动特性产生较大影响,轴承Ⅰ的位置对轴系的振动特性的影响最大,轴承Ⅲ的位置对轴系的振动特性影响相对较小。      

基于叶尖定时的航空发动机压气机叶片振动测量

基于叶尖定时的转子叶片非接触振动测试系统的基本原理和数据分析方法,将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片排故(改型)中,获取叶片共振时的振动频率和幅值,并通过有限元分析方法得到叶尖位移与关键点的位移-应力换算系数。依据反算的关键点动应力可实现(改型)前后转子叶片的高周疲劳寿命预测。某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片非接触振动测试结果显示:由于加工工艺原因导致原型叶片叶型厚度变大,引起叶片固有频率升高,转子叶片在发动机工作转速范围内发生3阶激励激起的一弯振动,导致叶片发生故障。改进加工工艺后,非接触振动测试系统结果显示叶片振动状态较好。      

转子时间常数在线校正的感应电机转速观测

基于磁链的模型参考自适应算法中,转子时间常数失准会影响电流模型精度。建立了消除耦合关系的可同时辨识转速和转子时间常数的模型。针对纯积分环节造成的电压模型磁链失准问题,采用了包含两个神经元自适应滤波器的积分器代替传统积分器,消除了直流漂移和积分初始条件的影响。仿真结果表明:设计的模型参考自适应转速观测系统不受转子时间常数变化和直流漂移的影响,系统动态性能良好。最后在DSP电机控制试验平台上进行试验,验证了该方法的有效性和高性能。     

基于后缘小翼的旋翼翼型动态失速控制分析

针对后缘小翼(TEF)的典型运动参数对旋翼翼型动态失速特性的控制进行了研究。发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度CFD方法。通过求解Poisson方程生成围绕旋翼翼型的黏性贴体和正交网格,为保证后缘小翼附近的网格生成质量,建立了基于翼型点重构的方法来描述后缘小翼的偏转运动;为克服变形网格方法可能导致网格畸变的不足,发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型运动嵌套网格方法。基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程、双时间法、Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型和Roe-Monotone Upwind-centered Scheme for Conservation Laws(Roe-MUSCL)插值格式,发展了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)隐式时间推进方法及并行技术提高计算效率。以有试验结果验证的HH-02翼型和SC1095翼型为算例,精确捕捉了动态失速状态下的气动力迟滞效应,验证了本文方法的有效性。着重针对SC1095旋翼翼型的动态失速状态开展后缘小翼的控制分析,提出了可以体现翼型升力、阻力及力矩综合特性的关系式Po和Pc,揭示了后缘小翼振荡频率、相位差和偏转幅值对动态失速特性影响的规律。研究结果表明:当后缘小翼偏转的相对运动频率为1.0,且小翼运动规律与翼型振荡规律之间的相位差为0°时,后缘小翼能够更好地抑制翼型动态失速现象;在此状态下,当偏转幅值为10°时,SC1095翼型最大阻力系数和最大力矩系数可以分别降低19%和27%。     

考虑遮蔽区影响的旋翼三维水滴撞击特性计算新方法

针对直升机旋翼三维黏性流场特有的复杂环境,建立了一种基于欧拉法的旋翼三维水滴撞击特性计算的新方法。首先,在旋翼桨叶嵌套网格的基础上,发展了一套用于预测旋翼绕流流场的计算流体力学(CFD)模拟方法。然后,为克服传统直升机旋翼二维水滴撞击特性计算方法的不足,充分考虑旋翼流场的三维效应,在嵌套网格中基于欧拉法求解旋翼三维水滴撞击流场。其中,为解决尾流等区域的密度脉冲现象所引起的稳定性和收敛性问题,提出并建立了遮蔽区扩散模型。该模型通过判断遮蔽区变量,在计算域中动态生成遮蔽区域,并随迭代步数逐渐扩散。最后,通过与NACA0012翼型及国外UH-1H桨叶的试验和计算结果的对比,验证了旋翼三维水滴撞击特性计算新方法的可靠性,并进行了温度和水滴当量直径(MVD)对旋翼三维水滴撞击特性的影响分析。结果表明:遮蔽区扩散模型的加入,使二维情况的计算时间减少了22%,并增加了三维情况的计算稳定性,显著提高了旋翼三维水滴撞击特性的计算效率;沿着旋翼桨叶展向位置增大的方向,旋翼桨叶剖面水滴撞击范围有所增大,最大水滴局部收集系数呈先增加后减少再增加的变化趋势,其变化幅度接近50%;旋翼桨叶表面的水滴撞击区域和水滴局部收集系数随水滴当量直径的增加而增加。     

考虑几何分散性的涡轮盘寿命概率分析

针对考虑几何分散性的涡轮盘低循环疲劳（LCF）寿命概率分析中几何参数多、几何随机变量难确定、分布特征获取困难、模型需自动更新及计算成本高的问题,提出几何分散性的概率处理方法:采用试验设计方法对涡轮盘结构所有几何参数进行灵敏度分析,筛选出对应力影响较大的关键几何参数作为随机变量,使用K-S(Kolmogorov Smirnov)方法确定其分布类型和特征参数,最后建立代理模型进行Monte Carlo概率分析.基于此方法,开发出了涡轮盘概率分析系统,在该系统中筛选得到某发动机GH720Li涡轮盘内径、外径、盘缘厚度3个结构参数作为几何随机变量,完成对LCF寿命的概率分析工作得到寿命-可靠度分布曲线.分析结果表明涡轮盘外径对LCF寿命有较大影响.      

外物撞击航空发动机转子叶片速度估算

以飞机进气道为参照系,利用动量定理推导了外物在飞机进气道内运动的速度方程;以叶片为参照系,建立了外物撞击速度及撞击角度的表达式。为直观显示不同因素对速度变化的影响,以某型飞机及其发动机为例,研究了飞机离地时,发动机100%设计转速下,外物在飞机进气道内运动速度的变化规律。结果表明:影响运动速度的因素不仅包括外物的材质、形状、大小及姿态,而且涉及飞机进气道长度、发动机工作状态等;外物撞击方向与叶片表面不垂直。      

无刷直流电机在转子偏心故障时的容错控制研究

在一些工业场合,无刷直流电机需要在转子偏心故障的情形下保持运行状态,而传统的控制策略无法有效地实现容错运行。针对这个问题,提出了一种无刷直流电机在转子偏心时的故障容错控制策略。分析了在传统无刷直流电机控制方法中,每相定子电流参考在波形上是一致的,仅存在一定的相位延迟,而没有考虑电机偏心后导致的反电动势和相电感变化,因此电机偏心将导致未知的转矩脉动。新型控制策略在传统控制策略的基础上采用了在线估计方法,获取了相电感和反电动势的值,从而控制器设置定子电流参考时包含了对偏心故障的考虑和相关运算,从而使电机能够降低转矩脉动,具备一定的故障容错运行能力。最后通过对比试验的方法对新型控制策略进行了试验验证。     

旋翼尾流对空空导弹的气动干扰研究

直升机发射导弹时,旋翼尾流对导弹产生很强的气动干扰,研究旋翼尾流对导弹的气动干扰对于改进机载导弹发射技术具有重要意义。结合动量理论和涡流理论,推导了桨叶环量方程,用广义尾流模型计算了旋翼下洗流场。并在此基础上用工程方法计算了有旋翼尾流干扰和无旋翼尾流干扰两种条件下的某空空导弹气动特性,揭示了旋翼尾流对导弹的气动干扰规律,为直升机载导弹的发射控制提供了参考依据。