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标题: 基于部件法的变循环发动机建模法 [打印本页]
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：( f7 L  U# `8 d$ J8 u1 a" w
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+ A1 Q& _, x  n' F
的7 个平衡方程，对发动机的性能进行模拟。/ R5 D0 ~& {# w. l1 Q2 y
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
* R. r' V2 n( A* C: m+ R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
# j) t0 G6 B- p' x+ P解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483，CDFS 的
0 h7 s3 q+ l  M- ^1 b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
  `3 t' g/ V: c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
- p- p, S  h4 G' i: z. u3 p1 C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
0 l8 I$ V! e# a# b1 ]: w* a- ]9 _气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。- u0 }+ R! M' x* u3 U/ |- y
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( N9 ?6 J* f$ {2 @
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7 _% b) o) k4 S! 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1 F+ R. p6 O* X' s
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
* m. t2 c6 F! h" |# D- P' x( ~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
* K  U: Q* ?; e7 d; Z+ j8 A9 R. x0 B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; {$ m) Q, @. l' U
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
4 U/ T9 w! [  c3 Y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) Z% R2 f0 ]. _  d* U% [
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$ N; N* Y5 Y- t: m# X" s
型的收敛解。
3 F3 P0 a/ ]$ W2 a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
; q8 c1 }3 `+ K2 o6 A! G8 s( o( n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5 R, h9 c) T6 ~
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
" k2 r% C2 e6 f' Y$ c. s! U1 23 p. R3 }6 u4 D
A  Fˆs  sfˆc。（ 1 4 q/ U3 l. D: x3 B5 L% n! n
、2  为比例系数），以其最小值作为目标函数，同时借鉴
* V2 I  [7 m+ Y" v7 t2
: x8 T# p  Q! m% G0 v. F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
6 |5 ]1 @- |& Y" nCDFS 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
* s& ^9 U7 v, h: r7 R& F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$ q$ q0 F) G( t% p- T3 V
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* K5 S( V. ?1 @) Q) N) R/ M
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4 |8 }, }( l6 k3 c
，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。
! j# y9 H/ p6 d5 |- u1 L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
" l/ W" B' @* F0 j1 j& p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% q! P) }+ J% t
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; T% z; P( v* C. z( X' B5 P
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
6 _3 z9 z/ V( I5 v% z、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* Y& j- C! t2 V4 e3 X
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0 C3 u, |: E0 }/ \
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
$ x% y& \* _/ H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
# e4 O+ t4 w/ ^3 b8 f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! Z$ s+ n! F) P
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; L) M! d$ |3 e2 t# V
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，# W3 `& W  j8 w# @/ {5 h/ k
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( M' N# a6 c- u
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  B. V8 u* m3 ?* W
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。$ q. h5 h3 g7 Z# d& O7 ?  T
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" ~. I, u7 ~3 f* a; K# N

& Y. C# u: T; D7 b1 ~3 y1 k

A题武汉大学10486012队.pdf

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