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
/ n) [% s6 b$ B1 ~# U的7 个平衡方程，对发动机的性能进行模拟。
/ ~& e+ [# C1 w% M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
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
! o2 J* W% Q5 E6 `( V* {0 \解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483，CDFS 的
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
, \! W& ~$ \: E7 \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
3 T) m% I, u# Y% x7 I5 o+ g3 r: a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
& i7 T* s( {% j) q% T' A6 @气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。
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
5 d2 _- m* g3 R, T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
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 o3 b: ~3 f; @9 w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
9 K2 n# [% K+ Y* f5 ~9 u/ v0.01，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
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
1 z" @% e) x( a# I* |7 r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
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
型的收敛解。
! D+ C0 c5 Z0 V6 E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
: Y5 L$ O: j& T/ @6 h. C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
/ F0 N* L5 L2 _8 l4 S" H7 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
1 2
A  Fˆs  sfˆc。（ 1 
、2  为比例系数），以其最小值作为目标函数，同时借鉴
- @$ [" C1 E/ g, v2
+ {7 L5 z$ p2 B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
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
- ?/ L3 c, W0 D( p7 S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
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
( Q' {! O, P/ T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
1 i" S1 F6 o! d" Z3 m4 b& A，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
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
% o/ Y# F! v7 a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
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
、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
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
/ o5 O" k. W* ~! `' z8 B% E0 ^8 d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
4 [7 N9 w, @1 B& j# s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
" l9 U$ D/ R/ E) I% |! B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
$ @! w- `2 K8 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
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，
  h6 J  W1 v: s5 c$ D2 {4 XCDFS 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
8 r0 i* a3 R5 Q5 V9 B4 n& Y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。
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