一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，包括以下步骤：1)建立具有双牛顿

【技术实现步骤摘要】
一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机数学建模与仿真
，主要涉及一种新型一体化轴扇变循环发动机的部件级建模及部件特性匹配方法。

技术介绍

[0002]垂直起降(VTOL)高速飞行器兼具旋翼飞行器和固定翼飞行器的独特优势，在军用与民用领域均具有重要应用价值，是航空航天领域的研究热点之一。垂直起降高速飞行器的动力系统是其实现垂直起降和高速巡航的决定因素。此类动力系统与常规涡轴、涡扇发动机不同，不仅要在垂直起降时提供足够的功率输出，还要在高速巡航时提供足够的推力，因此具有系统复杂性高、研制难度大等特点。当前，我国迫切需要发展垂直起降高速飞行器，因此研制一种面向垂直起降高速飞行器的新型动力系统势在必行。
[0003]航空发动机系统复杂性高，研发难度大，需要通过建模与仿真减少研发成本。而新型一体化轴扇变循环发动机作为一种面向垂直起降高速飞行器的动力系统，兼具用于垂直起降的涡轴模式和用于高速巡航的涡扇模式，并能通过基于行星齿轮与辅助电机的模式转换机构，实现两个模式之间的连续平稳过渡。因此，建立可双模式一体化仿真的部件级数学模型，是开展轴扇变循环发动机设计及性能分析的一项重要的研究内容。
[0004]本专利技术提出了一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，解决了部件特性难以在双模式下同时匹配的问题，实现了轴扇变循环发动机双模式一体化建模，并为开展轴扇变循环发动机总体设计提供了条件。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，首先建立具有双牛顿
‑
拉弗森求解器，可分别求解涡扇模式和涡轴模式的轴扇变循环发动机部件级模型程序框架；随后将各部件特性数据导入模型程序框架，基于所需的涡扇模式各部件设计点特性参数，完成涡扇模式部件特性匹配；最后，通过模型仿真计算出涡扇模式地面最大工况点，基于该点完成涡轴模式部件特性匹配；从而解决了部件特性难以在双模式下同时匹配的问题，实现了轴扇变循环发动机双模式一体化建模，并为开展轴扇变循环发动机总体设计提供了条件。
[0006]本专利技术技术方案：
[0007]一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1)，建立具有双牛顿
‑
拉弗森求解器的轴扇变循环发动机部件级模型程序框架，可分别求解涡扇模式和涡轴模式；
[0009]步骤2)，涡扇模式部件特性匹配：将各叶轮机械部件特性数据导入模型程序框架，基于所需的涡扇模式各部件设计点特性参数，完成涡扇模式部件特性匹配；
[0010]步骤3)，涡轴模式部件特性匹配：借助完成涡扇模式部件特性匹配的模型，计算出
涡扇模式地面最大工况点，基于该点完成涡轴模式部件特性匹配。
[0011]进一步的，所述步骤1)中具体包括：
[0012]步骤1.1)，根据气动热力学原理，建立轴扇变循环发动机各部件数学模型，主要包括：进气道，压缩部件，燃烧室，膨胀部件和喷管部件等；
[0013]步骤1.2)，根据轴扇变循环发动机构型，搭建整机部件级模型程序框架，其中外涵风扇以轴功率负载的形式从低压轴提取功率；
[0014]步骤1.3)，采用双牛顿
‑
拉弗森求解器求解轴扇变循环发动机部件级模型，两个求解器分别负责涡扇模式、涡轴模式的求解，且二者之间可以相互切换，从而实现了分别在两种模式下求解相应的共同工作方程组，在同一模型程序框架中满足了两种模式的求解需求；
[0015]进一步的，所述步骤2)中具体包括：
[0016]步骤2.1)，将各叶轮机械部件特性数据导入模型程序框架；
[0017]步骤2.2)，指定涡扇模式下的各部件设计点特性参数，以此为基准，对特性图进行修正，定义修正系数：
[0018][0019][0020][0021]式中，C
W
、C
π
、C
η
分别为设计点流量、压比和效率修正系数，W
Map
、π
Map
、η
Map
为发动机特性图的设计点部件特性，W
Ds
、π
Ds
、η
Ds
为指定的发动机设计点部件特性；
[0022]步骤2.3)，使用步骤2.2)中确定的修正系数修正部件特性图，从而完成涡扇模式部件特性匹配。修正后的部件特性如式(10)～(12)所示：
[0023]W
Map1
＝C
W
W
Map
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0024]π
Map1
＝C
x
(π
Map
‑
1)+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0025]η
Map1
＝C
η
η
Map
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0026]式中，下标map为原发动机通用特性图，下标map1为设计点修正后的新特性图；
[0027]步骤2.4)，根据涡扇模式设计点模型仿真结果，判断部件特性匹配结果是否满足涡扇模式性能要求，若不满足，则更换涡扇模式各部件设计点特性参数，包括外涵风扇、内涵增压级、高压压气机的压比、效率，高、低压涡轮的落压比、效率，燃烧室油气比，发动机进口流量，各转子转速等，重新进行步骤2.2)、步骤2.3)。
[0028]进一步的，所述步骤3)中具体包括：
[0029]步骤3.1)，对步骤2)中完成涡扇模式部件特性匹配的模型进行仿真，获取涡扇模式地面最大工况点仿真结果；
[0030]步骤3.2)，将模型切换至涡轴模式，将涡扇模式地面最大工况下的外涵风扇消耗功率，暂时作为涡轴模式地面额定工况点的输出功率；
[0031]步骤3.3)，在涡轴模式下进行模型仿真，逐步放大可调尾喷管的喷口面积，并相应地减小燃油流量，若有必要，则微调输出功率，以确保模型能够收敛，同时保证增压级、高压
压气机有足够的喘振裕度，最终将喷口面积最大时对应的工作点，作为涡轴模式地面额定工况工作点，获取相应的仿真结果，从而完成涡轴模式部件特性匹配；
[0032]步骤3.4)，根据涡轴模式地面额定工况模型仿真结果，判断部件特性匹配结果是否满足涡轴模式性能要求，若不满足，则更换涡扇模式各部件设计点特性参数，重新进行步骤2)与步骤3)。
[0033]本专利技术技术有益效果：
[0034](1)本专利技术针对新型一体化轴扇变循环发动机部件级模型涡扇模式、涡轴模式共同工作方程不同的问题，在同一模型程序框架中采用两个牛顿
‑
拉弗森求解器，分别负责涡扇模式、涡轴模式的求解，且二者之间可以相互切换，从而满足了两种模式的求解需求；
[0035](2)本专利技术针对新型一体化轴扇变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)，建立具有双牛顿
‑
拉弗森求解器的轴扇变循环发动机部件级模型程序框架，可分别求解涡扇模式和涡轴模式；步骤2)，涡扇模式部件特性匹配：将各叶轮机械部件特性数据导入模型程序框架，基于所需的涡扇模式各部件设计点特性参数，完成涡扇模式部件特性匹配；步骤3)，涡轴模式部件特性匹配：借助完成涡扇模式部件特性匹配的模型，计算出涡扇模式地面最大工况点，基于该点完成涡轴模式部件特性匹配。2.根据权利要求1所述的一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，其特征在于：所述步骤1)中的具体步骤如下：步骤1.1)，根据气动热力学原理，建立轴扇变循环发动机各部件数学模型。步骤1.2)，根据轴扇变循环发动机构型，搭建整机部件级模型程序框架，其中外涵风扇以轴功率负载的形式从低压轴提取功率。步骤1.3)，采用双牛顿
‑
拉弗森求解器求解轴扇变循环发动机部件级模型，分别满足两种模式下的模型求解需求。3.根据权利要求1所述的一种面向轴扇变循环发动机的部件级建模与部件特性匹配方法，其特征在于：所述步骤2)中的具体步骤如下：步骤2.1)，将各叶轮机械部件特性数据导入模型程序框架；步骤2.2)，指定涡扇模式下的各部件设计点特性参数，以此为基准，对特性图进行修正，定义修正系数：正，定义修正系数：正，定义修正系数：式中，C
W
、C
π
、C
η
分别为设计点流量、压比和效率修正系数，W
Map
、π
Map
、η
Map
为发动机特性图的设计点部件特性，W
Ds
、π
Ds
、η
...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏鹏轩，崔轶博，罗连潭，张天宏，黄向华，盛汉霖，汪虹余，黄舒琪，李象府，杨天赐，欧阳宇浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：