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摘 要:
; B0 K. M3 q7 s0 ?" 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: X, w' R! S1 l/ v
的7 个平衡方程,对发动机的性能进行模拟。8 o! O' @3 _6 G! J* |; _+ l5 ~
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" F/ R6 ~/ v$ q8 l2 Q. \1 ]5 x- @0 G
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- [9 H' R1 {; k% S$ @
解出风扇的出口总温、总压、流量分别为379.4985、1.3087、19.0483,CDFS 的
0 o! f& z! R+ G7 Z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
3 ]+ U( j7 U. ~" f$ @3 l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
) B, c: M- u* J: {: x5 I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 V1 f" r; R- \. j* d
气体导致温度升高、压强增大、流量减小的功能特点。& H. L3 x3 I0 B6 ]! r8 n: u% e) y
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* f1 ~: q3 r& U# A0 `% S) D+ P
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
) {8 L- _) \, D, [- C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
8 y3 R- Q0 n: {/ ?) n) y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# x- @# O, S3 m1 p0 h
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' F2 t, q$ E# M e" z
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
4 P% q- Z5 \ e1 J2 {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
) d8 e; U! W _' G% C" F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
7 u. t% i' y. s0 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' U. `4 T/ ]" u) ~7 b( I7 V
型的收敛解。3 _ u# U! }) B+ ]/ Z4 w
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
7 n# h1 Q# r* ^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* Z6 `+ @+ M( u+ M) E* M* t
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
4 X% m/ ]" h% O. R/ h1 24 n/ ]) X) }) n; s/ t! f
A Fˆs sfˆc。( 1
3 p4 _- d, h" E、2 为比例系数),以其最小值作为目标函数,同时借鉴
, a+ O, X& k3 V2 P( F O. i2: o- h7 T( j4 |0 g' l. x
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) P1 `* n/ R; k0 ]+ [0 _0 R
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% B4 V) D+ s E4 n( m
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9 b) g- ?/ E2 z" O- H
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8 U3 f- s3 y: F# a+ H
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
6 e& ^4 s2 w `- ^: Q6 S% {,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。. ?% `, s/ r9 i3 u$ {/ b
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
* j E" H5 m9 X- 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 u3 Z; q( n2 D7 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
, n! ?( I! L9 o0 ~# j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/ h2 T5 o5 j" ^& X# 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& v- O) K+ F8 K& w
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9 C8 |. c# K! p! y y
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
' q* c( V% Y) M: \/ u3 k/ 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
& U9 x& o4 s2 J6 x2 F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
: q2 O, o+ E! E6 S7 l* S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
" Q. m8 z7 D1 {% S- y2 S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,
( B6 s+ m# D& o+ |( v( }4 H, l& LCDFS 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
1 b$ \/ H( R( Y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
- s# g. Q5 P0 L' Y# b% z. f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。8 x* H/ _( W2 j& R- D- h8 [' ^
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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+ r4 {1 x& G$ S) W4 j Q5 a, G! ?" I$ I |
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