基于部件法的变循环发动机建模法

madio

摘 要：
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
9 C; f3 h3 i6 c' _! d5 d的7 个平衡方程，对发动机的性能进行模拟。
4 l) N% q4 x3 Q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 b% c. L1 z: g" K1 [% P" M- l; e. p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
4 @% z+ O- a$ T3 G9 a( }解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483，CDFS 的
- z6 `* a  X$ O0 _: 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
* `. G( Z* T& 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
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
  r. ?4 Q' Z! U1 y0 L8 ^: ]气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
4 Z' F; }* @, f. h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
, U. \. w8 a+ R" ^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
$ f. D; }# b  ]( f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
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
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
+ v* e( _. Y$ |+ `3 t5 d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
6 l1 V2 x! V0 K1 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
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
  P% x! C4 W: M( z" T8 m/ z. z0.2550。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
型的收敛解。
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
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
6 @/ O  G3 }0 B% w/ R! a" k, {" V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
1 2
% W' R+ O; h( OA  Fˆs  sfˆc。（ 1 
、2  为比例系数），以其最小值作为目标函数，同时借鉴
1 X- E! V2 `4 ?2
7 P. ~6 g8 H1 @9 z- a* M! V% i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
2 t7 ?( }8 |4 k% U0 P- n7 LCDFS 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
- p  l6 R; I( d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
  E' m5 V1 }; N2 w5 G8 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
+ r% r7 t( |& g1 U# V2 Y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
7 B2 f, m* z6 i- U7 j，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。
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
/ V( r# q- _( [$ t" M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
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
; c6 v6 t$ l4 g$ |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
) C7 j& V9 {" Q: H4 ]: y5 B  H9 T、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
! L) s( y0 @+ A) \& `+ D& I5 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
( P) K  ^: L. T( s* S+ v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
6 z" d' ]) X% C9 N9 K/ Q2 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
% l$ K" r0 i8 A) S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
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
# f) @, d% M6 ~2 |! z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，
6 H. K0 D4 g' y& _  KCDFS 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
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
2 g0 O: f* O3 K: P7 G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。
4 t  I  L% ]2 s5 l' f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
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