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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:
    % O" F4 k' e, J6 v$ R! E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, U0 K- T& y* T! ~( }$ w# T4 t
    的7 个平衡方程,对发动机的性能进行模拟。2 k% T& |# Q3 U. ]" I
    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
    5 n' R# O, h' h% a4 E4 t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
    5 a6 ]6 e6 M6 J; E9 S* E解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483,CDFS 的
    4 s' d8 m' z4 S2 ~8 B3 i4 V2 _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
    ) ?% C) F3 ]' [' P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
    1 \3 u1 ~$ x" ]# l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
    , |) w) ]5 ^) x9 l气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
    & Z2 ?2 L/ J5 s) |* b" Z! 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* }# \! D2 `+ f1 F
    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
    " _9 L+ T1 I$ e" O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
    6 H# n7 t" `5 h6 u8 M& h$ \. L1 G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- _) a% g) c. `. r. d8 Z" A
    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9 S. l, w+ r2 Z( I
    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3 K* X7 S! Z  v: w" I3 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
    ) S# O  S( e. k& P) I7 v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1 a6 c- P3 _1 M7 e* [
    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
    ' J7 U$ f# @7 V) J" @: L型的收敛解。3 R5 Y) Z- `2 _' B6 p3 j7 O
    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) l4 s  x$ b4 O; v
    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
    ) H4 z, c4 g; i: o( T( r  U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 h6 ?$ U# L5 w/ J
    1 2
    3 N6 A- ]! M  O* {+ l8 i) ]) _A  Fˆs  sfˆc。( 1 
    ' }8 r  u$ C# Q0 p* h3 X、2  为比例系数),以其最小值作为目标函数,同时借鉴, u1 O  ^, b/ }, t
    2
    ; D, A- p( l1 U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
    9 I. S0 z# L, xCDFS 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3,15,6952.4962 c, p1 J8 K( g
    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+ J! C2 w2 O$ b$ [. n( o- s% U: y
    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. W# k% F. y4 P$ F
    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
    " ]# s! m6 _+ |1 a2 [( C' F7 U" j8 ],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。  f: g7 Q7 v1 {/ j. {
    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' z( u* S' @6 j: 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
    3 ]2 t. J0 |7 v+ R. B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
    & l6 ^2 [+ [4 J/ _$ c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& Y8 p  B6 ^: R8 i* @' ]7 W
    、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
    8 X/ z+ S1 F0 K/ `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 A( U, W4 c0 R5 g9 U3 g1 C
    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
    # `% u2 n- y; x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
    & B7 H9 u9 w; i5 I+ ]9 x- H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9 b1 T0 r' W( Y5 ^* ^, W
    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& {6 t- K3 Y" d8 m6 O; G
    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,
    0 ~7 Z5 ^2 \! qCDFS 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
    7 E1 W3 a3 l& o  v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
    + A. M" e/ v/ }, Y% y2 k: U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。) B! I( w5 C" B6 w3 ~: s3 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
    1 v, x) \& ~; V' e$ P' R6 ]% P' K& p% c; M, ?4 v) g' s; ^6 W

    A题武汉大学10486012队.pdf

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