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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：" R0 j' m. V; u9 q! I6 V- m
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2 Z6 F* W  f& f% N* p& n: `
的7 个平衡方程，对发动机的性能进行模拟。  W  z/ P6 Y7 H" N# P$ f5 _  _
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7 H! B. ]5 M; n/ `, [" \& Y
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
: c& |1 y8 t/ h* _5 f解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483，CDFS 的; W( {  T6 @) ^
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
/ F$ G9 Q: V9 C1 e5 A; k7 {. l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+ J# G7 C1 K8 h  I4 r
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/ Q+ S& h' J6 v; o/ V. M6 {4 `2 R
气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。% |7 j6 v" Z: n( R8 ?
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
% n5 J6 A+ ]" l; N2 ^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% o8 c. R. p( ]: h6 ^7 Y7 E: \
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/ {/ j- \( B; M7 w7 B
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8 S  ~6 K2 l. C# g& ]! ~; V0 `
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
/ t) u: l, |% o2 e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) W- s7 |4 m. h& C. F) O
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
$ ?% B! w3 N3 n. e1 |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
$ F7 Z* h: f; W% _& K0.2550。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0 I- m# g7 v; i# |
型的收敛解。5 w" ~& Y# d  r2 z2 K
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$ u) I% M$ W, ?
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+ V( u9 `' p' `* b! `+ y
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- h  T3 m7 j% q7 L$ X9 V
1 2/ r5 ^: e4 B2 c+ j; ?% V+ @) o
A  Fˆs  sfˆc。（ 1 
) v- c1 V0 e& ]+ w- D! O、2  为比例系数），以其最小值作为目标函数，同时借鉴: T$ a& r! A5 z
2
6 ?9 o/ x# r! 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3 h0 W, `: B, \  h' [
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
2 S4 T9 o  s7 D6 V$ Z& ^* N0 r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
* r+ {8 _$ W. Q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
) n4 F. V: L& H+ M1 G2 o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) x. j/ O, y  M. g
，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。
+ A7 Z, _+ j4 A$ |% f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
1 n$ Y7 @$ F! J8 `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
. V( u: D9 N% J; I9 a) Z) |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
0 y# z0 S& c* u2 b- Z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
) i2 V( u' K( ?6 P! a# 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
( f6 l  I8 ~) @7 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: X4 Q+ ^0 `( x
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
- e- [4 J* u/ h9 [8 `# |. W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
7 Z& b+ p8 F9 G- ]3 a& z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& l2 T2 t! R& \( O- Y! K# g0 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
- T# q; e+ T  E; m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，
: {& c2 J$ d( d- k( q: cCDFS 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' ]8 O2 d; r6 Y6 K' }
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. k* j7 ]+ X% H. J; S1 N5 W! J# x" i
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。
/ ?9 Y* T* s& z, \9 S5 `& ?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
* x, Q; A5 P+ `0 Y9 B! K- y1 \  u- f1 B' W5 R( q% i

A题武汉大学10486012队.pdf

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