航空发动机空中环境模拟技术(上)
(完整版)航空发动机试验测试技术
航空发动机试验测试技术航空发动机是当代最精密的机械产品之一，由于航空发动机涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科，一台发动机内有十几个部件和系统以及数以万计的零件，其应力、温度、转速、压力、振动、间隙等工作条件远比飞机其它分系统复杂和苛刻，而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性又有很高的要求，因此发动机的研制过程是一个设计、制造、试验、修改设计的多次迭代性过程。
在有良好技术储备的基础上，研制一种新的发动机尚要做一万小时的整机试验和十万小时的部件及系统试验，需要庞大而精密的试验设备。
试验测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一，试验测试结果既是验证和修改发动机设计的重要依据，也是评价发动机部件和整机性能的重要判定条件。
因此“航空发动机是试出来的”已成为行业共识。
从航空发动机各组成部分的试验来分类，可分为部件试验和全台发动机的整机试验，一般也将全台发动机的试验称为试车。
部件试验主要有：进气道试验、压气机试验、平面叶栅试验、燃烧室试验、涡轮试验、加力燃烧室试验、尾喷管试验、附件试验以及零、组件的强度、振动试验等。
整机试验有：整机地面试验、高空模拟试验、环境试验和飞行试验等。
下面详细介绍几种试验。
1进气道试验研究飞行器进气道性能的风洞试验。
一般先进行小缩比尺寸模型的风洞试验，主要是验证和修改初步设计的进气道静特性。
然后还需在较大的风洞上进行l／6或l／5的缩尺模型试验，以便验证进气道全部设计要求。
进气道与发动机是共同工作的，在不同状态下都要求进气道与发动机的流量匹配和流场匹配，相容性要好。
实现相容目前主要依靠进气道与发动机联合试验。
2，压气机试验对压气机性能进行的试验。
压气机性能试验主要是在不同的转速下，测取压气机特性参数(空气流量、增压比、效率和喘振点等)，以便验证设计、计算是否正确、合理，找出不足之处，便于修改、完善设计。
压气机试验可分为：(1)压气机模型试验：用满足几何相似的缩小或放大的压气机模型件，在压气机试验台上按任务要求进行的试验。
航空发动机结构设计中的多物理场分析模拟
航空发动机结构设计中的多物理场分析模拟第一章：引言航空发动机是航空器的核心部分，它负责驱动飞机在空中飞行。
航空发动机结构设计是航空发动机设计中的重要环节，它直接影响发动机的性能和寿命。
多物理场分析模拟技术是航空发动机结构设计中不可或缺的成分。
本文将对航空发动机结构设计中的多物理场分析模拟技术进行探讨。
第二章：航空发动机结构设计航空发动机结构设计是航空发动机设计中的关键环节，主要涉及到以下方面：1. 材料选择：航空发动机工作环境恶劣，材料的选择对结构的强度和耐久性有着至关重要的影响；2. 零部件设计：航空发动机包括涡轮、燃烧室、气缸等多个组成部分，每个零部件的设计都需要考虑其功能和对整个结构的影响；3. 结构组装：航空发动机由多个零部件组成，对结构的组装需要严格按照设计要求进行，以保证其性能和寿命。
第三章：多物理场分析模拟多物理场分析模拟是航空发动机结构设计中使用的一种技术，它可以模拟多种物理场的相互作用，对结构进行仿真分析，从而评估结构的性能和寿命。
多物理场分析模拟主要包括以下几个方面：1. 结构强度分析：通过模拟结构受力情况，评估结构的强度和承载能力；2. 热场分析：分析发动机工作时产生的高温环境对结构的影响，以保证结构的耐久性和寿命；3. 流场分析：仿真流场对涡轮、燃烧室、气缸等零部件的影响，以保证结构的稳定性和效率；4. 振动分析：仿真分析结构在工作过程中产生的振动情况，以保证结构的稳定性和安全性。
第四章：多物理场分析模拟在航空发动机结构设计中的应用多物理场分析模拟在航空发动机结构设计中有着广泛的应用。
例如：1. 通过强度分析，评估发动机零部件对外界载荷的承载能力，以保证结构的安全性；2. 通过热场分析，评估发动机工作时产生的高温对结构的影响，确定材料的选用和保护方式；3. 通过流场分析，评估发动机零部件在高速气流中的稳定性和效率，以优化结构设计；4. 通过振动分析，评估发动机零部件在工作中产生的振动情况，以保证结构的安全性和稳定性。
航空发动机露天试验基地选址分析
图1 安装了整流屏的噪声研究试车台轮风扇发动机通用规范》中提出了发动机红外辐射特征分析和测试试验的要求。
根据红外辐射测量特点，在进行全尺寸试验件台架试车时，需要选择具有足够红外辐射测量场地的露天试车台或在机场装飞机进行，同时，试验过程对方位角也有相关要求，如图2所示。
发动机吞咽试验民用适航条例要求军用航空发动机须进行特种试验，如抗外物损伤试验、包容试验等，具体包括吞鸟、吞冰、吞水、吞砂等。
此类试验具有较大的破坏性和危图3 2022年8月27日机组由630mw降至300MW压力负荷变化曲线规程》（DL/T 657-2015）、《山东电力辅助服务市场运营规则-(试行)(2020年修订版)》的相关要求，调节品质优良。
4 结语随着新能源占比的增大、用电结构性变化以及电力现货交易的开展，1030MW火电机组参与调峰的深度、广度必然加大。
试验结果表明，本文结合实际运行经验，118中国设备工程 2023.08 （上）害性，不适合在室外试验设施中进行，为减少破坏后的损失，节省防护费用等，一般在室外露天试车台进行。
环境适应性试验（1）结冰试验。
环境结冰试验是模拟飞机在存在过冷水滴、冰晶及雪花的大气中飞行时，发动机的零部件，特别是进气部件前缘可能发生的结冰情况。
目的就是验证发动机进气系统结冰情况和防冰系统的工作能力，验证防冰系统的可靠性。
（2）侧风试验。
飞机在宽广的空域和复杂的气象条件下进行，随时都可能遇到与发动机中心线成各种夹试车台，就因为噪音问题无法投入正常使用。
建议规划公里范围内作为噪声影响区，可以耕种，发动机排气系统红外测试试验方位角要求示意图120研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用中国设备工程 2023.08 （上）址时，需要选择风向稳定且风速较低区域。
建议选址环境风向要基本固定，且风速不高，一般不大于2.5m/s；大气温度应接近15℃为宜。
2.6 选址地区交通便利、能源充足露天试车台区建在淡水资源、电力资源充足的地区，这样才能保证试车台设施和配套气源、风力装置等设施的正常使用。
B737-300飞机发动机试车大纲
课程名称：B737-300飞机发动机（CFM56-3B/C）试车执照培训课程课时：28小时方法：授课+岗位实习+模拟机/飞机实际操作考试培训对象：航线部、技术部、定检部、质量管理部的相关维护人员人员要求：参照《维修基地管理手册》第10章第08节第06项“试车人员合格审定规定”的规定目的：培训发动机试车人员按安全有效的程序对B737-300发动机进行试车/调节目标：完成培训的人员将可以：z能按标准的VHF通话程序与塔台、现场进行通讯联系z按正常操作程序对发动机进行启动和停车以及冷转操作z熟练掌握发动机紧急停车的程序和步骤z能进行发动机/飞机系统测试项目的试车z能用与测试有关的图、表正确计算发动机的参数z能通过试车检查判断并对发动机故障进行排除授课内容：z试车人员合格审定规定z试车工作的质量控制z标准的VHF通话程序z发动机工作简介和可调节点介绍z发动机的危险区域z发动机的工作参数限制z发动机的试车检查单z发动机的正常试车程序和步骤z发动机试车的非正常程序和步骤z发动机的有关测试/调节内容z VSV动态调节z风扇振动配平z发动机的油封和启封工作z水洗发动机教员名单：所需资料和教材：《B737-300机电专业训练手册》、《B737-300飞机维护手册》、自编《B737-300飞机发动机试车培训教材》考试：笔试+口试+实作考试及格标准：口试、笔试70分及格，实作操作无违章，无错误记录第一节、试车人员合格审定的规定1.1 试车人员审定规定各部门根据维修工作需要向质量管理部提出申请，质量管理部对符合试车人员条件者提出审定意见，报飞机维修基地主管经理同意后，经维修基地总检验师批准，由质量管理部颁发授权书。
1.2 试车人员的合格条件：1.2.1取得机械或机电专业维修人员基础执照和相应机型执照1.2.2从事试车机型的维修工作三年以上1.2.3取得相应机型试车执照1.2.4一年内无任何工作差错处分1.2.5 身体健康1.2.6 所在部门、科室评语良好以上1.2.7 申报Ⅱ级试车人员，必须具有Ⅰ级试车资格和授权必须同时具备以上条件1.3 试车权的取消：1.3.1试车人员主动提出取消申请并被批准或1.3.2其它原因被质量管理部行文取消试车资格被取消试车权人员的试车执照随即作废（吊销）1.4 新引进机型试车人员的合格条件：1.4.1取得机械或机电专业维修人员执照基础部分，且经过新引进机型的机械或机电专业改装和发动机试车培训合格并取得资格证书1.4.2从事机务维修工作三年以上1.4.3一年内无任何工作差错处分1.4.4 所在部门、科室评语良好以上1.5 新引进机型试车人员审定规定：各部门/科室根据维修工作需要向质量管理部提出申请，质量管理部对符合新引进机型试车者提出审定意见，经飞机维修基地总检验师和主管经理审核后，报适航部门批准和授权。
数字化转型下航空发动机仿真技术发展机遇及应用展望
数字化转型下航空发动机仿真技术发展机遇及应用展望摘要：当前，科技创新与产业换代为主的新一轮工业革命正在全球展开，国家“十四五”规划纲要明确提出，要加快建设制造强国、网络强国、数字中国，构建数字驱动的产业新生态，以数字化转型整体驱动生产方式变革。
同时，我国社会经济的发展和国防能力的提升也对航空发动机的发展提出了更高的要求：航空发动机技术复杂程度和性能指标要求不断提高，产品研发难度日益增大，研制进度愈加紧迫。
因此，亟需推进航空发动机数字化转型，以满足新时代航空发动机协同、敏捷、高效研制的需求。
关键词：数字化转型；航空发动机仿真技术；应用展望引言过程仿真技术是一种先进的仿真技术，能够真实地呈现虚拟环境中的特定过程，使用户能够实时操作过程机器或更改其参数。
产品开发和生产过程中制造过程的仿真和评估可以支持产品整个制造周期中的工艺改进。
传统模式下机械产品的设计、流程指令的编写、加工、质量保证和交付周期漫长、成本低廉、效率低下，质量精度难以保证。
为了改进飞机发动机零部件的制造，迫切需要对制造工艺进行技术研究，以减少制造验证的数量，提前发现制造问题，优化制造工艺，优化制造参数，允许快速迭代制造工艺，并验证产品的可行性。
1技术内涵航空发动机仿真技术是建立在相似原理、模型理论、信息技术及领域专业技术基础上，以计算机和物理效应设备为载体构建系统模型，实现多层级、多物理场和多系统交互试验、分析、评估的综合性技术，旨在探索和掌握发动机复杂的系统特性、物理特性和行为特性，支撑方案分析优化、功能评估和技术决策。
航空发动机数字化转型以数据为核心，利用新一代数字技术实现全业务域数字要素和物理要素的系统整合，构建全感知、全联接、全场景、全智能的研发运营体系，进而创新和重塑传统管理模式、业务模式和商业模式，达到提升运营效率、增强体系韧性和创新性的目标。
数字化转型需要准确描述、监控和预测产品全生命周期的状态，最大程度地挖掘仿真的应用价值并为其提供高可信的支撑。
CFD仿真技术在航空发动机中的应用
CFD仿真技术在航空发动机中的应用摘要：随着科学技术的发展，航空航天和空间技术有了飞跃的发展，在这些飞跃的发展技术中主要的技术就是CAE技术。
航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。
以ANSYS、LS-DYNA、Nastran、CFX、Fluent等为代表的高端CAE软件早已活跃在全球航空工业中。
关键词：CFD仿真技术；航空发动机；应用1 引言目前国际知名企业的航空发动机研制周期从过去的10～15年缩短到6～8年甚至4～5年，试验机也从过去的40～50台减少到10台左右。
在发达国家的航空企业里CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。
2、CFD技术国内外使用状况简介CFD作为CAE技术的一种，已经越来越多的被国内外航空企业广泛的得以应用。
第一个商用CFD软件包FLUENT，由与美国空军合作的流体技术服务公司Creare公司于1983年推出的。
商业CFD软件的开发及应用，加速了航空工业的发展，使得基于虚拟样机仿真的现代设计方法成为了可能。
以波音公司航空研发发展历史为例，不难发现，波音公司先后采用了经典的实验测试方法、半经验的方法、空气动力学的计算、政府内部及企业的CFD代码及广泛的采用CFD商业代码。
在波音公司2005年的软件应用报告中明确指明，在1998至2005年内，其公司每年数值仿真成果的增加量都接近84%左右，采用CAE/CFD的速度超过了工业的成长速度，CFD技术已经成为其设计的主要手段之一。
另外从美国软件公司ANSYS公司的销售业绩报告上显示，航空工业上的应用产值是其公司的主要收益来源之一。
CFD软件正以其强大的优势在研发中发挥的巨大的作用，例如在NISA的报告中提到，原本需要7年完成的维吉尼亚级潜水艇的设计，通过CFD技术的应用，5年就顺利完成；而预计需要11年完成的B-2轰炸机的飞行测试，则在短短的4年内就通过了测试。
曹建国：航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望
曹建国：航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望仿真技术是支撑航空发动机自主研发的重要手段，体现了一个国家的高端装备研发水平，可大幅提高航空发动机的研发效率和质量，减少实物试验反复，缩短研制周期，降低研制成本。
本文论述了仿真技术在航空发动机学科领域维、产品层次维和全生命周期维三个方面的发展与应用现状，分析了航空发动机仿真技术发展存在的问题，提出了提升仿真能力的战略措施。
信息源：[J]. 推进技术, 2018, 39(5): 961-970.中国航发集团党组书记、董事长曹建国1 引言仿真是一门基于控制论、系统论、相似原理和信息技术的多学科综合性技术。
它以计算机系统和专用设备为工具，利用模型对实际或设想的系统和过程进行模拟，是支撑产品研发的重要手段。
航空发动机正向研发是一项复杂的系统工程。
传统的航空发动机研制通常依靠实物试验暴露设计问题，采用“设计-试验验证-修改设计-再试验”反复迭代的串行研制模式，造成研制周期长、耗资大、风险高。
未来航空发动机技术复杂程度和性能指标要求越来越高，产品研发难度显著增大，研制进度愈加紧迫，传统的研发模式已难以满足发展需求，需要实现从“传统设计”到“预测设计”的模式变革，而仿真是助推航空发动机研发模式变革的重要手段。
航空发动机仿真融合了先进航空发动机设计技术和信息技术的最新成果，是在计算机虚拟环境中，实现对航空发动机整机、部件或系统等的高精度、高保真多学科耦合数值模拟。
通过仿真，可深化对航空发动机内部运行本质和规律的认识，提前暴露可能出现的故障、发现设计缺陷，大幅提高研制效率和质量，减少实物试验反复，降低研制风险和成本，加快研制进程。
航空发动机的仿真对象包含气动/燃烧/结构/强度/材料等学科领域维、部件/子系统/系统等产品结构层次维，以及设计/试验/制造/维修等全生命周期维等对象。
普惠公司工程模块中心副总裁曾说[1]：“过去，普惠公司只在发动机的后期设计分析与验证中运用仿真技术。
基于扩张状态观测器的高空台进气环境模拟控制技术研究
基于扩张状态观测器的高空台进气环境模拟控制技术研究但志宏;张松;白克强;钱秋朦;裴希同;王信
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2021(42)9
【摘要】针对航空发动机高空台推力瞬变等过渡态试验对进气环境模拟控制系统所提出的强抗扰性、强鲁棒性的迫切需求,设计了一种基于扩张状态观测器(ESO)的高空台进气环境模拟主动抗扰控制技术方法。
首先分析了现有高空台过渡态环境模拟的技术特点和高品质控制指标难于实现的原因;其次设计线性自抗扰控制器(LADRC)和一体化并行控制器(IPC);最后通过仿真对高空台进气环境模拟主动抗扰控制方法进行了验证。
结果表明,应用基于扩张状态观测器的主动抗扰控制技术,能够大幅提高发动机过渡态试验中进气环境模拟的动态响应速度、控制精度和抗扰动能力。
【总页数】10页(P2119-2128)
【作者】但志宏;张松;白克强;钱秋朦;裴希同;王信
【作者单位】中国航发四川燃气涡轮研究院高空模拟技术重点实验室;中国航发四川燃气涡轮研究院;西南科技大学信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP278
【相关文献】
1.基于扩张状态观测器的直线倒立摆状态反馈控制研究
2.基于扩张状态观测器的航天器时延状态反馈控制
3.基于扩张状态观测器的直线倒立摆状态反馈控制研究
4.基于LMI极点配置的高空台飞行环境模拟系统PI增益调度控制研究
5.高空台进气控制系统压力PI增益调度控制研究
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关于“航空发动机空中环境模拟技术”（上）
为关于“航空发动机”
什么要模拟航空发动机空中环
随着飞行高度和飞行速度的不断提高，发动机工作参数变化范围加大，发动机在整个飞行包线内的性能，无法根据地面试车台的结果，利用相似原理准确推断发动机高空飞行性能，必须考虑进口气流雷诺数对发动机性能的影响。
随着现代航空发动机飞行工作范围的扩大，发动机最恶劣的工况点不是地面静止状态，而是中低空、大速度区域，地面试车台不能验证最恶劣工况，也无法满足发动机全包线调节、测试的需要。
在没有高空台的情况下，一般是将多发大型运输机、轰炸机改装成飞行台来进行发动机飞行试验，但飞行台的飞行高度一般不超过11000米，飞行速度低于0.85马赫，这对先进发动机研究远远不够。
同时，由于飞行台工作效率和空间限制，试验周期很长，危险性也很大。
关于“航空发动机空中环境模拟的优势”
模拟飞行范围广
飞行试验台一般有大型轰炸机改装，其飞行范围比试验发动机小得多，但空中环境模拟试验可很方便、灵活的改变发动机进排气条件，模拟现代军用和民用发动机整个飞行包线，甚至超出飞行包线的高空飞行状态，进行广泛的试验研究。
可模拟恶劣环境条件
部分试验要求发动机进口空气应模拟发动机飞行工作包线内，在任何高度和飞行速度下可能出现的最大总温和总压。
实际飞行时不可能飞到这种恶劣环境，只有发动机高空模拟试验可模拟这种恶劣的高空飞行条件并进行试验。
安全性高
新研制的航空发动机，可能还存在许多问题，如果采用飞行试验，则存在很大风险，发动机一旦出现问题，有可能导致机毁人亡的事故。
而地面模拟试验，则相对安全的多，即使发动机出现故障，也比较容易处理，一般不会出现严重事故。
试验重复性好
地面模拟试验测量和数据采集，不像飞行试验那样受空间和重量的限制，可以自由地设置准确度尽可能高、测量参数尽可能多的测量系统。
一般可以测量1000~2000个稳态参数，200~400个动态参数，单参数准确度0.1%~0.5%，静推力准确度达0.52%~1.3%。
缩短研制周期
航空发动机的研制需要进行大量的试验，从方案设计到定型，至少需要10000小时以上的整机试验。
美国国防部和NASA经过对各种航空发动机的研发过程进行调查统计后得出结论，一台现代航空发动机在5～6年的研制周期中，高空实验要进行5000多小时。
据英国统计，仅仅2周的高空台试验工作量就相当于300次飞行试验。
英国上世纪50年代研制发动机时，由于试飞平台坠毁，启用高空台进行试验，结果原计划一年的飞行试验，在高空台上仅仅用了1个月。
经济性好
据国外报道航空发动机飞行试验的费用约为地面全尺寸模拟高空试验费用的6~12倍。
在工程研制阶段就可进行高空模拟试验，尽早发现问题，而不需要等到具备飞行试验条件后再进行高空环境试验。
关于“航空发动机空中环境模拟的发展历程”
第一阶段
20世纪20年代至30年代末，针对动力装置对全尺寸飞机的影响、发动机装置特性等问题，美英法等过开展了飞机推进系统高空风洞试验研究和模拟高空试验研究。
特点：主要针对活塞式发动机、低速飞行，研究发动机的性能及冷却问题，主要模拟吹风速度。
第二阶段
20世纪30年代末—40年代末，随着涡轮喷气发动机的诞生，飞机的飞行速度接近声速，推进气流必须从飞机内部流过，对进气道设计提出了更苛刻的要求，为了确保发动机与进气系统匹配适当，亟需进行高空模拟试验，各国开始针对喷气发动机建设试验设备。
特点：主要针对涡轮发动机、亚音速飞行，部分模拟高空环境。
第三阶段
20世纪40年代末—50年代末，随着飞机突破音障，发动机飞行工作包线不断扩大，相似原理已不能准确推断发动机高空性能，必须进行较为完善的高空模拟试验。
特点：主要针对涡轮发动机，大多是连接式高空舱，全面模拟高空环境，着重研究发动机高空性能。
第四阶段
20世纪50年代末—70年代末，超声速飞行中进气道与发动机相容性问题成为研究重点，自由射流式高空模拟和推进风洞并肩而行。
特点：要针对涡轮发动机超声速飞行，自由射流模拟和推进风洞模拟技术出现，着重研究超声速飞行中进气道与发动机匹配问题。
第五阶段
20世纪80年代以后，为了发展推力更大、性能更优的军民用航空发动机，降低飞行成本，占据航空发动机市场，各国开始建设更大规模的航空发动机试验设施。
特点：主要针对大型商用发动机的研发，建立更大规模的航空发动机高空台，开展大型涡扇发动机及其他新型发动机研制试验。