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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：
* i3 o- K; d: j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
' ]: D% K" r3 C8 }! [9 {# u+ I; |的7 个平衡方程，对发动机的性能进行模拟。" i8 ]" @+ p* w
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9 e" u6 I+ @4 x% ^: i& e
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1 @8 N# d* V  s* x& d
解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483，CDFS 的
: R1 t( D) W6 K! y2 l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5 X5 h3 X3 N2 u
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
0 L1 J; {0 M2 U6 n/ @3 {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: Y& _3 W: y0 q7 G6 t6 L  W气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
0 g6 p" {8 ?* Y2 x" g5 ^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+ p/ Q/ x5 P7 ?* `$ w
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& ]6 d, c" Z; x/ @
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: @9 O6 |) E& [6 O
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
% K+ f+ r" m+ A9 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
) J" @" `  f% W% @# @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/ {" S1 I3 Y8 U+ }7 `( v. s
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
  u1 Y: x1 V  b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
. D9 T2 f: P9 i$ P# T0.2550。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  H& X' }3 D- J  J6 a( o! S& ^
型的收敛解。
& \/ r# E2 Z% Y0 u& e* A0 }& W3 J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1 L9 |" w# k: v+ L3 }9 k
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* J: r9 Z& n) m% R4 ?' b
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
6 Z- {  u1 I$ J; [1 2' P& q+ \3 h0 E
A  Fˆs  sfˆc。（ 1 
) r* N& J) e2 G: Y、2  为比例系数），以其最小值作为目标函数，同时借鉴+ h2 v! J0 A. ~0 r
2) s) w5 c' c  b7 ~. a' ?' ^% N
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
- r2 U8 A9 H$ k  K% Q: aCDFS 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3，15，6952.4968 _5 H( o" A* B7 A& R9 z
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
5 q# n# M: h! X8 c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
, D1 s& l  C; u" `" a0 q. G) n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
, Y. [9 \9 u! O& ?# g$ v，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。
, H4 \: z1 C& k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2 W+ D& e* u& k1 J) \1 w
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, j# m& x7 J7 r$ h4 w
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" B( g1 g  Y, l
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 ~4 b+ v: E: C. M
、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
+ Y4 A0 H/ Y' x6 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7 ~+ {8 f/ ^, n. ]; C& r0 `
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
" S) L& X% G( s0 M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) W! e' `5 L$ ?3 O# n
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
5 o7 E* n4 y( `5 k; r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' ~/ D6 U% }3 R1 k5 e
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，( s. l3 x, Q  c- |" l( e
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
2 t; r. @7 {' a2 i" g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
* E  |  p% N6 m9 i0 a: g2 p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。
; q9 A: J  {4 K' C$ 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% e( ]9 c: j/ ?

6 H  ]. X  y( T7 P: C2 w

A题武汉大学10486012队.pdf

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