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标题:
基于部件法的变循环发动机建模法
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作者:
madio
时间:
2014-8-30 17:39
标题:
基于部件法的变循环发动机建模法
摘 要：
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本文采用部件级建模法精确模拟发动机的各个部件，依据各部件匹配工作时
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的7 个平衡方程，对发动机的性能进行模拟。
& G+ r5 I: A: |
针对问题一，为了求解风扇和CDFS 的出口总温、总压和流量，建立模型对
& Z1 b' K- V* y6 `. R% t, w; s
这两个部件的特性进行精确模拟，利用给定的发动机飞行高度和飞行马赫数，求
: h' I! y8 t9 u/ _
解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483，CDFS 的
5 |8 c% U F" g( N4 _" [. S
出口总温、总压、流量分别为420.5365、1.8012、17.164。分析得出，气流在进
* L; H! H. Y' D0 m- K" N
入风扇和CDFS 两个压气机部件至流出过程中，总温、总压增大，而气体从风扇
# D* B# j. r5 E8 j; T4 \2 j
流入到CDFS 的过程中，总温、总压亦增大，流量减小。此结论符合压气机压缩
{* t r. ]- L- Q" P$ U: t. Q/ e
气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
4 ~% A* v& w7 l G4 f# C
针对问题二，根据发动机整机模型，由七个参数值可计算出平衡残差量。以
, s# J# n4 R$ Q6 s' t& S
平衡残差量最小为原则，对离散化的待估参数进行变域、变步长的搜索，根据当
1 d$ ?# n# x; R, E+ j* ~: a
前的最优解与次优解确定下一步的搜索域与搜索步长，逐步缩小搜索范围、减小
4 [+ j }) n+ K, |/ h& ^( G+ S& D6 Q1 X
搜索步长，搜索的终止条件设为：（1）高压转速、压比函数值的搜索步长减小至
2 Z: x1 E( v! G. h
0.01，主燃烧室出口温度的搜索步长减小至10；（2）最优解与次优解相同。搜
% \3 K8 S$ [) [$ U" \
索的终止条件保证了解的精度与收敛性。依此算法搜索得到高压转速、压比函数
: F0 {- E2 W+ Y _6 K! ?9 a- h
值（风扇、CDFS、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮）、主燃烧室出口温度的最
1 h1 v6 ]8 {, u) d9 ?( q
优解分别为1.00,0.33,0.43,0.53,0.14,0.12,1520，此时平衡方程残差量为
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0.2550。逐步搜索过程中参数的解与平衡方程的残差趋于固定值，参数的解为模
+ P! k1 m e/ w, }) @- R& g, j
型的收敛解。
; {/ V2 ]& G) j, x* `# B
针对问题三（1），为了保证发动机性能最优，求解CDFS 导叶角度、低压涡
$ {- c/ f+ d& z$ u
轮导叶角度和喷管喉道面积3 个变量，实质上是一个优化的问题。本文建立优化
+ P5 q8 V: b' p) _, Z7 H- g
模型， 采用单位推力和耗油率的线性组合构建一个新的性能评价指标
! {$ c* J' m" l, ^! C/ w. V
1 2
/ I2 I% @/ O2 ]! |( j3 Z4 _
A Fˆs sfˆc。（ 1
, d: Y7 p2 w2 e/ R0 q
、2 为比例系数），以其最小值作为目标函数，同时借鉴
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2
9 F V U \& U3 ]* _( W
问题二中求解非线性方程组的方法，利用参数遍历法对模型进行解算。最终得到
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CDFS 导叶角度、低压涡轮导叶角度和喷管喉道面积3 个量分别为3，15，6952.496
+ w) I# v1 [8 I" {/ g# O! b/ K
时，发动机的性能最优，此时单位推力和耗油率分别为1293.092，0.000239 。同
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时，通过对遍历过程中部分参数对应的发动机的性能大小，分析得出规律：低压
% r7 V, R. f+ J& P. N6 A) h! j
转速对发动机的性能无太大影响，提高主燃烧室的出口温度可以有效降低耗油率
' q5 N1 |) U4 c: g0 ]
，增大风扇的压比函数值则能有效地增强单位推动力、降低耗油率。
9 U( o; ?! u" l1 i" }2 y
针对问题三（2），探索CDFS 导叶角、低压涡轮导叶角和尾喷管喉部面积在
% R5 V. I, e2 Y; D0 A8 h
发动机性能最优条件下随飞行马赫数的变化规律，基于工作点的变步长的搜索方
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法，以发动机性能局部最优作为约束条件，以马赫数、CDFS 导叶角、低压涡轮
a8 K4 y+ E h* m) j8 r6 \
导叶角为输入值，以尾喷管喉部面积、局部最优时对应的马赫数、CDFS 导叶角
# h: w. C9 X* ?0 y8 m0 f% B! o# C
、低压涡轮导叶角为输出值，建立了变步长最优化模型。得出的结果显示，在某
& Z0 b+ Z$ n9 t
个具体工作点时发动机性能最优的条件下，当马赫数增加时，CDFS 导叶角、低
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压涡轮导叶角为恒定值，相关系数为0；而尾喷管喉部面积随马赫数的增大呈现
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阶梯性递减的情况，当马赫数增加到某个具体的值时，面积保持恒定。这与整机
9 M3 K7 J9 V, F; K9 K
模型中尾喷管喉部面积的规律描述相符。在本文给出的工作点1 下，压比函数值
7 U+ ~& C6 J6 Z4 F4 v
处在中位，CDFS 导叶角的值恒为35，低压涡轮导叶角恒为15，尾喷管喉部面积
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从4109.696 递减到4087.818 后保持恒定；工作点2 下，压比函数值处在高位，
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CDFS 导叶角的值恒为29，低压涡轮导叶角恒为15，尾喷管喉部面积从3336.678
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递减到3283.023 后保持恒定；工作点3 下，压比函数值处在低位，CDFS 导叶角
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的值恒为29，低压涡轮导叶角恒为14，尾喷管喉部面积不变，为3369.63。
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关键词：变循环发动机；部件法建模；平衡方程；变域变步长搜索
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A题武汉大学10486012队.pdf
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