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摘 要:3 k) D0 L3 X: w' Z
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6 D5 @2 e# v. _1 U8 Y* u% e* `3 E
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% \4 \. Z% _ v/ x9 v0 s
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* D/ ~' c" b/ w X7 j
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7 S, q- x s( i7 @3 B) M
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# P& O9 w" p, r* D
型的收敛解。8 Y, W O1 l! w# s6 z. G& ?( p* 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0 k5 Y! i1 p. T' z$ F9 \
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9 x' z' N- @) m2 v
1 2
% W' R+ O; h( OA Fˆs sfˆc。( 1 ; C5 v2 M+ m% V( G B
、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。2 Q' R# |! ~- y M6 ~: N
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 \" L2 L5 v" K3 p- b# j0 @5 z1 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
; 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/ @- g, z @4 n9 n+ H- `7 D
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% z( r* i% u) g" e! |/ @
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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