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[2013A题优秀论文] 基于部件法的变循环发动机建模法

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madio        

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    1#
    发表于 2014-8-30 17:39 |只看该作者 |倒序浏览
    |招呼Ta 关注Ta |邮箱已经成功绑定
    摘 要:& N9 E3 E% [0 e- U
    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8 l8 w1 v  S# s) u" J+ E9 W) V
    的7 个平衡方程,对发动机的性能进行模拟。, R, V, J4 z' h* e. ?* h: H& _
    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- l4 q/ a; c' B* N0 c- J1 r; u
    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
    ! n! t8 I6 [  N6 q$ K解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483,CDFS 的. v3 G, [) _: G  _9 |/ G2 X
    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- C3 V: L* V7 A
    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
    ) @  T  _% e# c, W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4 J# ]: Z( N2 j' A5 z
    气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
    $ f' Z2 K; T4 W2 A+ }3 W* y# D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' v/ F  R8 V+ m4 l
    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
    * a+ j/ n7 s+ w- V6 m  y, U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 d5 v/ r% n0 T4 W1 \% g  ~3 D
    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' t! R# r4 s4 }) f
    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 g& ^# i" R. X7 D1 R. u' 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( ~5 g/ K; |# a5 f
    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( T$ Y6 Q! A- k3 d1 m. P
    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$ B" x5 c7 J' 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
    ) T* _: s) w. y型的收敛解。
    # q$ P4 _$ f2 S3 h, L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6 a7 M, L% [& p8 }7 L# W, |/ i$ i. I
    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
    3 l1 q: n8 a3 X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
    3 `, z$ H) @; C' M5 E, M5 k/ _1 2
    * q$ w; O) f% Z, v. K7 q( k2 lA  Fˆs  sfˆc。( 1 1 z' h, ^+ r  J) r
    、2  为比例系数),以其最小值作为目标函数,同时借鉴
    ( K4 o: Z$ k: a1 P  c7 I2
    - P' g) q6 V* k/ W: ~- `4 ^9 a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8 O" l# I0 f- V9 {: H4 ?" x9 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 O+ ?9 b% P. @$ V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
    # R4 d$ m* O0 x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
    2 r- y" d  ]9 I2 m% S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
    9 q, C3 A/ k9 c( F: K1 \,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。" A3 z! }7 e; i
    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9 D  Q2 ~! G+ q
    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
    0 k. n3 X1 X) e* G( \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
    7 ]4 \3 w: [5 @+ F, ?) c; ~% ]" W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0 G7 P- J6 {' e5 Y* q; u
    、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) ~: o3 Q& Z; Y- a  @
    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
    - h# A" p8 B- F8 l( B1 d: |/ g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* R; R* p$ u! @5 z7 k! `
    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
    6 G6 ?4 M; x# f- w' @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
    / D3 K! G/ f4 [* D; k9 l) }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! [1 c! r% U+ r" ?8 g3 g: j& u
    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,
    8 W* D0 N9 [% S5 y- W8 `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
    6 P1 T9 Q8 `) r) ~/ w6 N8 Z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! S5 N# N9 z" k  F3 M7 w: p3 ?
    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。
    7 B# {) H/ h( y0 x+ K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
    , X9 A* Z9 n4 _# S& a2 s0 y
    * g7 |/ ^8 Q1 k2 ^1 @

    A题武汉大学10486012队.pdf

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