航空发动机设计和研制技术的应用研究

【类型】学位论文

【作者】王华青 

【关键词】 发动机匹配技术,航空发动机,压气机

【摘要】航空发动机是飞机的动力装置，飞机的性能和安全性、可靠性的基础是发动机的性能和可靠性，特别是歼击机用的发动机，要求工作范围宽、推重比大、加减速性好、工作稳定可靠。航空发动机设计和研制技术是一门综合性的高科技，技术难度大，费用高，在世界上仅少数经济发达、技术先进国家才能研制。我国航空发动机发展经历了50年历程，目前正处于从测绘仿制逐步走向自行设计和研制的历史时期，如何应用航空发动机设计和研制技术，设计和研制出有自主产权的满足空海军急需的航空发动机，这是非常迫切的任务。本科研工作的目的就是对航空发动机设计和研制技术的应用进行研究，一方面设计和研制出急需的产品，满足现役飞机改进需要；另一方面对航空发动机设计和研制技术的应用实践，积累经验，完善和提高航空发动机设计和研制技术，为自行设计研制先进的航空发动机作基础。航空发动机技术是一项高科技，它的发展关系到国家的国民经济发展和国防力量增强，目前我国的航空发动机技术水平落后，与先进国家相比约落后30年左右，急需走出自行设计和研制的道路，缩短与先进国家的差距，因此对航空发动机设计和研制技术的应用进行研究是非常有意义的。但本科研工作量很大，涉及面宽，周期长，费用高，技术难度大。 本科研工作是结合某型发动机设计和研制展开的，内容包括型号研制管理、发动机总体参数计算和总体方案论证、压气机设计和研制的预研与应用、发动机匹配性调整技术研究。发动机型号的研制是集体创作的结果，需要各专业人员配合和协作，文中所论述的4个章节的内容是以本人为主研究和完成的工作。 航空发动机型号研制管理是非常重要的，关系到所研制的型号能否达到设计指标，能否满足用户的需求，能否占有市场份额。在型号研制管理中主要依据国军标规定的有关军用航空发动机研制程序和规范进行，同时在本型号研制管理研究中应用了工程系统工程方法，对用户需求分析、发动机设计特性分析、研制项目分析和关键研制项目分析作了研究，并在型号研制管理中应用和实行。在本型号研制管理中根据具体情况将发动机研制分为验证机研制阶段管理和原型机研制阶段管理，在本管理中认为比较有创新的内容是对关键研制项目的分析和管理过程，首先准确地确定关键研制项目，接着是提出具体管理办法来管理关键研制项目和解决关键的技术问题，这些内容在文中都有叙述。由于管好了关键研制项目，关键的技术问题提前解决，使本型号发动机在试飞阶段很顺利，并立为国家重点工程。 在发动机总体气动热力方案设计研究中，首先对发动机的技术指标和使用要求进行了深入分析，根据技术指标和使用要求确定发动机总体气动热力方案和研制项目。为了保证发动机推力、油耗、寿命和使用指标达到要求，确定研制高负荷高通流跨音压气机，这给新机研制带来技术难度，但如果不能突破高负荷高通流跨音压气机设计和研制技术，本新机技术水平难以提高，技术指标难以达到要求，这是国内发动机设计技术的创新点。 压气机技术是国内航空发动机设计和研制的关键技术之一，有关专业人员都在攻关。本课题设计和研制出平均加功量系数为0.319，进口单位迎面流量为191.0kg/m〓.s，进口平均M〓为0.676，效率为0.82的高负荷、高通流压气机。压气机流场气动设计采用了北航陈矛章教授提供的流线曲率法计算软件进行设计点流场计算和设计，同时用本人开发的准三维轴流压气机特性计算软件进行压气机方案论证，选出可行的方案，并且用本人开发的压气机转子叶片静强度设计计算软件和盘静强度设计计算软件对转子叶片和盘进行结构设计。一级压气机转子叶片结构设计要求高，因为第一级转子叶片展向大，质量大，容易发生颤振、共振和循环疲劳等故障，所以在设计一级转子叶片时对一阶固有频率进行调整，同时对叶片尖部叶型进行调整以防止颤振出现，另外将叶片榫头结构设计为带凸肩的燕尾形榫头以防止叶片榫头出现循环疲劳故障。此压气机设计在气动方面和结构方面都是本科研工作的创新点。高负荷高通流跨压气机在应用过程中遇到中低转速稳定工作边界变窄的技术问题，为了扩大中低转速稳定工作边界，首先提出改进处理机匣；陈矛章教授提出带弯扭扰流片的新型处理机匣使压气机在中低转速稳定工作边界扩大了5％；同时对加宽Ⅱ级压气机转子叶片弦长方案也进行了研究，此项技术又使压气机稳定工作边界进一步扩大（宽弦二级压气机叶片研制没有结束，因此本文未论述）；另一方面，在发动机整机匹配性技术进行了研究，调整涡轮导向器面积和尾喷口直径匹配关系，使发动机共同工作线下移，以扩大发动机稳定工作裕度。这些是高负荷高通流跨音压气机在应用研究中取得的创新点。在压气机研制过程中对部件和装在发动机上进行了大量试验，通过压气机特性测量、流场测量、抗进气畸变测量、稳定工作裕度测量、动频动应力测量等试验，根据试验测取的数据对一级转子叶片和静子叶片进行少量修改，就达到了设计要求，满足了工程应用。 在新研制发动机匹配性调试技术研究中也做出了卓有成效的工作。发动机匹配性调试包含了二方面内容，一方面确定Ⅰ、Ⅱ级涡轮导向器面积和喷口直径匹配具体数值，并制定出出厂验收用的转差线图和台架点；另一方面用定性方法和定量方法检查发动机各部件匹配性。在发动机匹配性调试技术研究中，编制了用数值计算分析软件和结合发动机调试，以比较简便和有效的方法确定了Ⅰ、Ⅱ级涡轮导向器面积和喷口直径的具体量值，解决了复杂的调试过程和解决了单依靠试车调试不能解决的问题，因为三面积的匹配关系不仅影响发动机整机性能，而且关系到整机的稳定工作裕度大小，这只有用计算分析方法才能分析出三面积关系对整机稳定工作裕度影响大小。以前在制定发动机出厂交付试车检验用的转差线图中，无依据检查其合理性，只有在试飞中考核。在研究中发现可用喷水逼喘测得全台压气机稳定工作边界线来分析和判断转差线图中下限界合理性，因为下限界位置影响发动机稳定裕度。这两点也是本科研工作的创新点，解决了发动机匹配性调试中的技术问题。 通过本科研工作，研制成功某型高负荷高通流跨音压气机和某型新的发动机，并得到推广应用于多型飞机上，同时验证和完善了压气机设计用的一套软件，积累了发动机型号研制技术和型号研制管理的经验，发展了发动机匹配性调试技术，取得了重大科技成果，获得部级科技一等奖一项，国家发明二等奖一项。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】陈矛章

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