一种用于变循环发动机建模的快速方法

摘要

本文介绍了一种用于构建变循环发动机部件级数学模型的实验方案。

摘要

结合了涡扇发动机和涡喷发动机优点的变循环发动机（VCE），被广泛认为是下一代航空发动机。然而，变循环发动机的研发成本高昂，因此在航空发动机研制过程中建立数学模型至关重要，这可以避免大量实物试验，显著降低研发成本。建模在控制律开发中同样具有关键作用。本文基于图形化仿真环境，介绍了一种采用面向对象建模技术和模块化分层架构快速建立双外涵变循环发动机模型的方法。首先，基于热力学计算建立各部件的数学模型；然后，通过组合各部件数学模型与牛顿-拉夫森（N-R）求解模块，构建分层式发动机模型；最后，在该模型上开展静态与动态仿真，仿真结果验证了该建模方法的有效性。采用此方法构建的变循环发动机模型具有结构清晰、可实时观测等优点。

引言

现代飞机的需求对推进系统提出了巨大挑战，需要更智能、更高效甚至更多功能的航空发动机¹。未来的军用推进系统还要求在高速时具有更高的推力，同时在低速时具有更低的单位燃油消耗率^1,2,3,4。为了满足未来飞行任务的技术要求，通用电气公司（GE）于1955年提出了变循环发动机（VCE）的概念⁵。变循环发动机是一种可通过改变某些部件的几何尺寸或位置来执行不同热力循环的航空发动机⁶。由J58涡轮冲压变循环发动机驱动的洛克希德SR-71“黑鸟”自1976年以来一直保持着有人驾驶吸气式飞机最快的世界纪录⁷。该机型也验证了超音速飞行的诸多潜在优势。在过去50年中，GE改进并发明了多种其他变循环发动机，包括双外涵变循环发动机⁸、可控增压比发动机⁹和自适应循环发动机¹⁰。这些研究不仅涉及发动机的整体结构与性能验证，还包括其控制系统的研究

方案

1. 建模前的准备

1. 获取设计点性能。
   1. 打开 Gasturb 13，选择 Variable Cycle Engine。
   2. 点击 Basic Thermodynamics，选择 Cycle Design，打开 DemoVarCyc.CVC。
   3. 获取发动机设计点性能。这些结果显示在窗口右侧。
2. 获取部件特性图。
   1. 打开 Gasturb 13，选择 Variable Cycle Engine。
   2. 点击 Off Design，选择 Standard Maps，打开 DemoVarCyc.CVC。
   3. 点击 Off Design Point，然后依次选择 LPC、IPC、HPC、HPT 和 LPT，即可获得所有部件的特....

结果

为了验证仿真模型的有效性，将静态和动态仿真中选取的若干典型性能参数与Gasturb中的数据进行了比较。

在静态仿真中，我们将模型的多个关键性能参数与Gasturb中的相应参数进行比较，以验证静态模型的准确性。表2展示了在双涵道工作模式下设计点工况（H=0 m，M_a=0，W_f=0.79334 kg/s）的对比结果。根据对比，模型与Gasturb之间性能参数的最大误差出现在发动机压比（EPR）上，误差低于2%。表3展示了在单涵道工作模式下非设计点工况（H=0 m，M_a=0，W_f=0.91032 kg/s）的对比结果。在此条件下，最大误差出现在低压轴转速上，略低于4%。两个模型的性能参数几乎完全一致。因此，这两组对比结果证明了该模型在设计点具有较高的准确性，且该实验方案有效。

在动态仿真中，为了验证过渡态模型的正确性，我们模拟了两种典型的动态过程，包括加减速仿真和模式切换仿真。加.......

讨论

基于图形化仿真环境，可通过模块化分层架构和面向对象建模技术快速构建VCE器件级模型。该模型为用户提供友好的操作界面，便于对模型进行分析与设计¹⁹。

该方法的主要局限性在于模型的执行效率。由于模型采用脚本语言编写，每次运行时都需要重新编译，因此执行效率不如系统级语言。针对这一局限性，下一步的关键研究方向是如何提升模型的执行效率。另一个局限性在于，模型中必须严格考虑N-R迭代的初值，因为N-R迭代仅在较小的偏差范围内才具有收敛性。

该方案中的关键步骤是准确获取部件特性图谱，并使用合适的算法进行插值。无论是在Gasturb中，还是在其他现有的发动机试验数据中，精确的部件特性图谱都有助于更准确地建立模型。

在航空发动机的图形化面向对象建模中，无论是整机模型对象、各部件的组件模型对象，还是各组件的参数模型对象，均被构建为独立且可封装的模块。所有组件模块之间的连接构成了模型框架的主体部分。每个组件模块的内部模型设计注重通用性，突出组件模.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
燃气轮机软件	GasTurb GmbH	Gasturb 13
MATLAB	MathWorks	R2017b
TMATS	NASA	1.2.0