航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述

整机总体性能仿真是航空发动机及燃气轮机仿真的重要组成部分,在航空发动机及燃气轮机的设计制造和使用全寿命周期内发挥着重要作用。综合70多年来航空发动机及燃气轮机总体性能仿真的发展成果,梳理了各时期总体性能仿真的发展历程。从基本方法、模型精细化、求解算法和修正方法等角度,分析了国内外以部件级模型为代表的基于物理机理的总体性能仿真方法研究现状;探讨了以人工神经网络、支持向量机和深度学习为代表的人工智能算法在总体性能仿真中的应用现状;介绍了机载模型、机理-数据混合模型和多维度模型基本方法和主要成果。基于目前的研究成果和技术发展趋势,认为航空发动机及燃气轮机总体性能仿真应向物理机理模型更精细化、人工智能技术更深入和应用模型构建更为规范化的方向发展。     

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。     

面向对象的航空发动机性能仿真程序设计方法研究

本文提出了一种用于建立扩展性强、灵活可靠的航空发动机性能仿真方法。通过建立一个面向对象的航空发动机基本类库（或称为航空发动机应用程序框架）,针对不同的研究目的或不同类型的航空发动机,能够非常方便可靠地建立起高效专用的发动机性能仿真程序。本文提出了在仿真程序中建立异常处理机制以方便仿真软件的调试和提高它的可靠性。本文在该框架的基础上建立了某双轴涡扇发动机的性能仿真模型和某涡轴发动机的性能仿真模型,揭示了该框架的灵活性和专用性     

间冷航空派生燃气轮机

将航空动力装置应用于地面的燃气轮机,并采用间冷技术,功率大,效率高,运行和维修方便,是当代能源建设的一项发展方向。     

基于Modelica和Dymola的航空发动机建模与性能仿真

本文介绍了Modelica/Dymola软件的主要特点,航空发动机模块划分的原则和方法,以及利用Modelica/Dymola软件开发的航空发动机通用模型库中主要部件的建模方法,并采用己建立的部件模型,搭建了双轴涡扇发动机的系统级模型,对其起动过程进行了仿真.结果表明,仿真结果符合实际情况,该模型库对于航空发动机的概念设计和初步设计具有重要意义和实用价值.     

航空发动机整机性能仿真中的功率平衡方法

提出了一种在CFD三维整机仿真中实现功率平衡的计算方法。推导确定了决定平衡关系的关键变量:涡轮前温度与物理转速。提出了基于稳态流场和功率经验关系实现功率平衡的数值迭代方法。本文将该迭代方法与CFD三维求解耦合,发展了一种可用于三维整机CFD耦合仿真的功率平衡计算方法。采用该功率平衡计算方法对MTJ-80涡喷发动机开展了三维整机CFD数值计算,实现了整机性能三维仿真与控制规律的耦合和预测。在控制燃油量不变的条件下,通过转速迭代可以实现压气机和涡轮的功率差小于0.1%,可以预测固定燃油供给量条件下所能达到的稳态运转转速。在控制转速不变的条件下,通过调节燃油量实现压气机和涡轮的功率差小于0.15%,可以预测固定转速条件下的燃油流量。数据验证结果表明:该功率平很给计算方法可以与CFD三维整机计算耦合,并且具有很强的收敛性,解决了以往整机三维性能仿真过程中的功率不平衡问题。      

面向对象的通用航空发动机建模技术研究

针对目前发动机性能仿真中燃气热力性质计算方法适用范围和通用性差的问题,加入一种变成分的求解方法,并利用面向对象技术构建了通用的航空发动机性能仿真系统.建模中考虑了部件特性耦合、引气、冷却和功率提取等影响.同时在程序中加入了一些异常处理机制,以便于快速准确地进行调试,增强系统的可靠性.最后利用该仿真系统进行了某型双转子混排涡扇发动机的稳态特性计算,并与试验数据进行了比较.结果表明采用的变成分法进行发动机性能仿真的推力误差一般不超过3%,耗油率误差不超过2.5%,取得了良好的精度.尤其在高空小马赫数时变成分法的精度高于传统的拟合法.      

航空发动机整机吞水性能试验

国家军用标准GJB242-87要求新型发动机设计定型前必须做吞水试验以保证发动机具备要求的吞水能力。为进行某型在研航空涡轴发动机吞水试验,设计了喷水设备及专用进气整流装置,采用大小喷水环实现对发动机进行给定水流量的喷入。进行了发动机进口空气流量2.5%、 3.5%吞水量的试验,试验结果表明：试验方法及装置的设计合理可行;均匀吞水量不高于进气流量3.5%,发动机吞水时各截面温度下降量由进口至出口依次降低;吞水试验后,发动机性能下降。     

基于Modelica和Dymola的航空发动机燃气发生器的建模与性能仿真

基于对压气机、涡轮与燃烧室共同工作条件的分析,建立了1种快速简便的单轴燃气发生器性能仿真模型;用Modelica语言和Dymola编译器实现了单轴燃气发生器的性能仿真,验证了该模型的有效性。结果表明:该模型能够模拟单轴燃气发生器的性能,并能实现非设计转速小流量工况下的性能仿真。     

基于相似理论的燃气轮机建模技术研究

针对部件特性数据缺乏的情况下如何对燃气轮机建模的问题,提出了基于相似理论的建模方法。运用参考机组与目标机组的转速相似参数和流量相似参数,对参考机组的特性数据进行变换从而获得目标机组特性数据;考虑到参考机组和目标机组的非绝对相似性,对目标机组的特性数据提出了一系列修正措施。该方法已应用于某型燃气轮机建模,仿真结果表明:该模型具有良好的实时性,收敛性与动态响应特性,可以满足控制系统半物理仿真的需要。      

燃气涡轮发动机压气机轮盘拓扑优化设计方法

为填补国内发动机设计体系初始阶段的不足,基于渐进结构法建立了一套适用于燃气发动机压气机转子轮盘的拓扑优化设计方法,充分考虑工程需求,对优化过程中可能出现的主结构断裂、封闭环腔结构问题,以及优化过程不可逆的缺陷,分别提出了限定全局与优化子步中可优化域、人为控制优化进程等应对措施。以轮缘径向位移协调为目标的算例表明,该方法有效提高了轮盘处内流道的保形效果,具有流程可行性与结果有效性,从而具备良好的工程实用性。     

基于改进牛顿法的航空发动机起动建模技术

为进行涡扇发动机起动过程性能仿真研究,在发动机慢车以上部件级模型的基础上,通过指数外推法获得低转速部件特性,在建立起动附件模型的同时,修正起动过程各部件总压恢复系数,从而建立起包含地面起动过程的全状态性能模型。在求解发动机各部件共同工作非线性方程组时,采用基于传统牛顿拉夫森迭代求解方法的改进方法,即在第1次完成中心差分得到Jacobian矩阵后,使用修正项迭代更新上一步的Jacobian矩阵。结果表明:该建模方法可以有效地建立起动过程性能模型,并大幅改善模型的执行效率、提高模型仿真求解速度。     

自组织神经网络航空发动机气路故障诊断

 为克服学习样本依赖于发动机精确模型的问题,提出了一种基于自组织神经网络的发动机智能故障诊断的方法,并运用故障特征提取的数据预处理方式,成功地对航空发动机气路部件的几种典型故障做出正确诊断。为验证网络的抗噪性能,引入了自联想神经网络。研究表明,自组织网络可以脱离发动机模型,并且对测量噪声有良好的鲁棒性,能基本满足航空发动机故障诊断的要求,具有较好的工程应用前景。     

航空发动机叶片CAD造型方法

提出了一种叶片截面线光滑拼接的造型方法,解决了造型中截面线产生拐点等问题;同时提供了一种叶片曲面放样的方法,解决了弯扭叶片在截面叠加时曲面易扭曲等问题;最后以通用CAD软件为平台,开发了航空发动机叶片CAD造型软件,实现了叶片造型的可修改性,大大地缩短了叶片的造型时间,取得了良好的应用效果.     

基于神经网络和证据融合理论的航空发动机气路故障诊断

为解决航空发动机这一复杂系统的故障诊断问题,提高智能化诊断方法的准确率,使用了改良的D-S证据理论,对基于自组织竞争网络和BP神经网络的2个诊断子系统的诊断结果进行决策级融合。结果显示,经过融合整个系统降低了误诊率,改善了诊断性能。文章还针对噪声干扰的情况,通过调整对于2个子系统的权重,在保证高准确率的同时提高了系统的抗噪声性能。研究结果表明D-S证据理论的使用可以达到比单独运用2个神经网络子系统都要好的诊断效能。     

航空发动机低压涡轮轴结构参数建模与分析

为研究成熟核心机的衍生发展能力,基于流体力学原理及强度理论,提出了1种低压涡轮轴结构参数的建模方法。根据涡扇发动机基本原理,建立了风扇叶尖直径、风扇角速度和低压涡轮轴输出扭矩的数学模型,并根据扭转强度、破坏扭矩和扭转稳定性等强度理论,建立了1种低压涡轮轴结构参数的数学模型。运用该模型讨论了某型核心机的衍生发展能力,分析了涵道比、低压涡轮轴壁厚与其外径及质量间的影响规律。结果表明:当涵道比一定时,低压涡轮轴外径与壁厚成反比,质量与壁厚成正比;当壁厚一定时,低压涡轮轴外径和质量均与涵道比成正比。     

低排放航空燃气轮机燃烧技术

对于干式低排放燃烧技术,富油急冷贫油燃烧室、贫油预混预蒸发燃烧室、贫油直喷燃烧室是最值得关注的概念,同时这些燃烧概念通常也需要与分级概念结合使用。本文针对当前较受关注的低排放燃烧技术,对其能力、限制和发展做一个简要而全面的介绍。     

基于自组织拓扑映射图的发动机故障诊断研究

根据SOM自组织网络的高维数据矢量量化、快速聚类、信息融合和拓扑映射等特征,建立了发动机故障诊断可视拓扑映射图模型,给出了映射模式误差测度和拓扑误差测度,并通过拓扑映射图对发动机故障进行诊断,获得了很好的效果。同时,进一步通过建立的故障模式的测量参数灰度图,可以清晰地观察到故障模式矢量特征、测量参数相关性特征、参数变化趋势,并可进行更深层次故障机理分析。