航空燃气涡轮发动机的起动控制与试验研究

航空燃气涡轮发动机在起动过程中,极易因为供油量不够精确而出现“热悬挂”和超温问题从而导致发动机的运行故障,甚至影响发动机的正常使用寿命。为了实现对发动机起动控制过程中供油量的精确控制,有效解决起动过程中的“热悬挂”和超温问题,本文以某型燃气涡轮发动机为研究对象,提出了发动机起动控制方案,并利用试验模拟的方式验证了该方案的效果与可行性,然后根据试验结果对相关控制参数进行调整优化,使发动机起动过程中涡轮出口的排气最高温度大幅度降低,且温度到达峰值的时间也有所缩短,从而有效避免了超温问题对发动机的损坏。     

发动机地面起动时涡轮叶尖间隙动态变化规律

基于涡轮叶尖间隙主动控制的需要,本文分析了涡轮叶尖间隙的变化机理,建立了机匣、叶片和转子的简化模型,同时基于某型发动机试车数据计算了涡轮叶尖间隙,研究了发动机地面起动时涡轮叶尖间隙动态变化规律。结果表明:地面起动时涡轮叶尖间隙呈减小趋势,机匣形变量上升速率最大,叶片变化量对叶尖间隙变化影响最小,可为发动机地面起动时涡轮叶尖间隙控制策略的设计提供参考。     

高速磁悬浮永磁电机多物理场分析及转子损耗优化

为提高高速磁悬浮永磁电机的综合性能,得到最优的设计参数,针对一台30kW,48 000rpm的磁悬浮电机进行了电磁场、转子动力学以及转子强度分析,提出一种基于多物理场分析结果的电机尺寸优化方法。使用ANSYS以及ANSOFT对电机进行建模和有限元分析,并用ISIGHT软件进行集成优化设计。以转子损耗最小为优化目标,电机几何尺寸为设计变量,在优化过程中考虑尺寸变化对电机转子模态以及强度的影响,以尺寸、电机电磁性能、力学性能等为约束条件。经过优化后,电机的转子损耗减小16.7%,其余性能均符合设计要求。根据优化设计结果加工了样机并进行电机对拖与温升实验,结果证明了优化设计的合理性,验证了本文提出方法的正确性。     

混合动力发动机快速起动过程模拟与分析

基于自主研发的ISG轻度混合动力电动汽车,分析了其发动机快速起动瞬态过程。采用实车试验数据,得到了发动机起动过程的阻力矩特性。利用Matlab/Simulink软件建立了快速起动过程仿真模型,进行了冷/热起动性能仿真。分析了不同起动控制参数、电机设计参数和旋转部件转动惯量等参数对发动机起动性能的影响,并遴选出相对较优的设计参数,为发动机快速起动过程的优化奠定了基础。     

涡轮盘片多学科优化系统设计与实现研究

针对某型号发动机涡轮转子盘片结构,设计开发了涡轮盘片多学科设计优化系统;实现涡轮叶片、叶冠等部件的优化仿真集成以及优化模型的建立;设计并编写了各功能模块之间的数据存储结构与交换接口,保障了数据传递的准确性;并以涡轮叶片为例进行优化设计,验证了系统的可行性和可操作性。     

起动阶段涡轮导向叶片热应力及冷却作用研究

建立了涡轮导向叶片有限元分析模型,参照相关的试验数据和文献资料确定热边界条件,计算了发动机起动阶段涡轮导向叶片各瞬时的温度及热应力。分析所得高温、高应力区域与相似条件下某型发动机地面试车过程中出现裂纹的区域基本一致,验证了数值模拟过程的正确性。在此基础上,对比分析施加对流冷却与无冷却措施两种条件下的计算结果,发现对流冷却使叶片各点温度下降而应力升高,推断出温度与应力的变化趋势反向,因而在叶片冷却系统的设计中需要权衡温度与应力的关系。其结果与结论对叶片瞬态热应力计算和热疲劳分析有一定的借鉴意义。     

涡轮叶片一维气动方案多学科优化设计

涡轮叶片设计过程中涉及气动、几何、结构、材料、强度、温度等多个学科,需要用多学科优化设计方法进行涡轮叶片的设计。本文应用iSIGHT软件和基于精化网格法的自编程序分别进行了涡轮叶片一维气动方案设计。通过对iSIGHT软件中不同算法的求解与对比分析,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计过程中的优化算法选择提供了参考。应用精化网格法编制的多级涡轮叶片优化设计程序,根据发动机总体提出的性能要求与约束条件,计算得到了多级涡轮热态子午流程通道以及涡轮叶片气动三角形等参数,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计提供了初始的设计点。     

流固耦合在涡轮叶片瞬态传热仿真中的应用

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进。     

转子对高压涡轮叶尖间隙变化规律的影响

基于涡轮叶尖间隙主动控制的需要,初步分析了涡轮叶尖间隙的变化机理,建立了机匣、叶片和转子的简化模型。在此基础上,分别仿真计算转速变化和发动机起动过程瞬态温度下转子的径向变化,讨论了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响。结果表明,转子振动幅值和径向位移对叶尖间隙变化有重要作用。     

基于遗传算法的零偏置磁轴承定子结构优化

探索单绕组线圈电流控制的零偏置磁轴承定子结构优化设计,研究了一种基于遗传算法的设计方法。该方法对悬浮力、体积及温升多个目标进行优化设计,选定极靴、厚度等作为优化对象,并利用有限元分析进行验证。结果表明,基于遗传算法的结构优化可以精准快速地寻取最优解,在满足约束条件下,悬浮力提升40%,体积与温升分别降低20%和13%。     

人工免疫控制在热工过程的应用与研究

热工过程有着明显不同于其他工业过程的特征,由于其内部过程的复杂性,热工过程往往表现出非线性、时延性、不确定性、变量间的关联性以及信息的不完整性,对其建立精确的数学模型十分困难。因此,常规控制难以获得理想的控制效果。现以热工过程中窑炉温度为研究对象,采用智能控制技术,对温度提出一种人工免疫遗传算法,并设计人工免疫遗传算法优化的PID参数,对其控制器进行参数整定实现对窑炉的温度控制,通过METLAB仿真,结果表明人工免疫遗传算法在热工过程控制具有通用性和实用性。     

复合功率分流系统发动机起动模型预测控制

复合功率分流混合动力系统从纯电动模式至电子无级变速（Electronic-continuously variable transmission,E-CVT）混合动力模式的切换过程,伴随发动机的起动。由于发动机在整个起动过程始终与传动系相连,其低速往复脉动阻力矩特性对车辆模式切换过程的驾驶平顺性有直接影响,若控制不当,常引起较大的车辆纵向冲击。针对复合功率分流混合动力系统模式切换过程,基于Matlab/Simulink平台建立传动系动态模型和发动机阻力矩模型;提出一种发动机起动模型预测优化控制策略,在线计算电机转矩拖转发动机跟踪目标最优转速曲线并补偿输出端转矩波动。离线仿真及硬件在环台架试验结果表明,所开发的发动机模型预测转速跟踪控制策略能够快速起动发动机并使车辆平稳切换,将整车纵向冲击度限制在11.0 m/s³以内,且对整车参数摄动具有较好的鲁棒抑制效果。     

基于多目标遗传算法的齿轮传动优化

针对某牵引机车齿轮常出现齿面胶合、点蚀等问题,采用遗传算法,以重合度,齿面接触应力和齿根弯曲应力为优化目标,对齿轮的啮合参数进行了优化。为节省计算成本,在齿轮参数化有限元模型仿真计算的基础上,建立了齿面接触应力和齿根弯曲应力的代理模型。结果表明:遗传算法在多维区域内能快速有效的搜索Pareto解集,实现多目标的优化。以优化的结果对齿轮进行重新设计后,经有限元仿真验证,轮齿齿面接触应力及齿根弯曲应力均得到有效降低。     

分数阶全息的转子起停车故障特征提取方法

针对传统起停车过程分析采用短时傅里叶变换提取瞬时幅值和相位会损失瞬变信息的不足,提出了基于分数阶全息原理的转子起停车故障特征提取方法。该方法利用分数阶傅里叶变换从转子起停车振动数据中提取随转速变化的各倍频分量,并通过Hilbert变换求取幅值和相位,克服了傅里叶变换的平均效应,保留了转子振动的瞬变信息。通过结合全息谱理论绘制分数阶全息瀑布图,提取出转子起停车状态下的故障特征。实验结果表明,该方法能够有效提取出起停车过程中振动信号的典型故障特征,对于常见的典型故障有很好的区分能力。     

HHT-based crack identification method for start-up rotor

This paper presents a crack identification method for start-up rotor based on the Hilbert-Huang transform (HHT). With this method, the instantaneous frequency (IF) of each intrinsic mode function is obtained through the Hilbert transform, and the spectrum of IF is calculated accordingly. The influence of acceleration and crack depth on the rotor is analyzed through experiments. HHT is employed to detect the shallower crack, and is then tested during the start-up process of the rotor. The results of the experiment show that HHT is a better tool for crack detection than fast Fourier transform.     

低压电动机反时限过流保护算法及其实现的研究

在分析标准反时限特性曲线的基础上,运用MacLaurin展开算法构建低压电动机新的特性曲线数学模型,提出了反时限特性曲线分段计算处理的方法,并根据热积累保护原理推导出实用的保护动作时间数学模型,最后运用遗传算法优化低压电动机特性曲线数学模型,此优化模型解决了在微处理器中特性曲线指数运算的问题且能达到0.1%的精度,为低压电动机软件保护提供了实施方案,具有较高的工程实用价值.     

遗传算法在转子-轴承系统参数识别中的应用

介绍在外电磁激励力作用下的转子不平衡参数识别方程，并引入遗传算法来解决参数识别问题，从理论上分析利用遗传算法的必要性。结合参数识别方程，详细论述遗传算法具体应用内容，并改进遗传算子。通过求解病态参数识别方程的算例，验证遗传算法的优越性。     

用形状记忆合金弹簧主动控制转子振动

选择形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）制作的弹簧元件作为转子系统的弹性支承，研究对转子振动的主动控制。利用SMA近似的应力－应变－温度的多项式模型，推导出SMA弹簧的非线性恢复力模型。运用简化的势和学模型，建立SMA弹簧的温度控制系统，以电流加热的方法改变SMA的温度。在数值仿真中，设计了给定温度曲线，计算出电流功率，并验证了改进后系统的振动抑制效果。仿真结果表明该方法能将转子最大振幅减少30％以上。     

卧式加工中心主轴温度场预测与热误差分布

通过有限元与试验测试结合的方式,研究了加工中心主轴温度场和热误差分布规律。研究发现,卧式加工中心热变形与温度有较好的对应关系,主轴发热量增大引起主轴变形增大,主轴转子与轴承的摩擦生热是主轴系统高速转动时热量产生的主要原因。主轴热平衡时间大约90min左右,并且后轴承附近的温度最高,温升幅度最大。通过有限元方法进行热分析,可以在机床样机定型之前进行热对称结构设计,提前进行结构优化。     

双螺杆压缩机热力结构特性分析

针对双螺杆压缩机在实际工作过程中的热力变形结构特性问题,以双螺杆压缩机的阴、阳转子为研究对象,考虑转速对螺杆压缩机工作性能的影响,采用间接耦合方法通过插值技术将温度场作为体载荷施加于阴、阳转子,并进行热力耦合数值模拟分析。通过求解阴、阳转子静平衡方程,对螺杆转子在静力场、稳态温度场和热力耦合场进行模拟分析对比,得到螺杆转子的应力、变形分布规律。研究结果表明:在静应力场下,阴转子的变形量大于阳转子,且静应力的仿真与耦合场下仿真差异明显。在双螺杆压缩机工作过程中,热变形是转子变形的主要原因,且轴向的变形量最大,热分析和热力耦合情况下转子的变形趋势相同,且在耦合场下阴转子的齿面变形较大。