精细化涡扇发动机过渡态建模与验证

为了提高涡扇发动机过渡态性能仿真的精度并实现过渡态性能计算模型的工程应用,梳理了不同因素对涡轮发动机过渡态性能的影响机理,介绍了各影响因素的建模方法,在此基础上建立了精细化涡扇发动机整机过渡态性能仿真模型。研究分析了总温、总压和燃油流量传感器的过渡态效应及其建模方法。最终利用涡扇发动机整机地面台架加减速性能试验数据对精细化过渡态模型进行了验证,结果表明:高低压物理转速、推力、压气机出口总压和内涵排气温度的平均误差分别为0.45%,0.77%,0.61%,0.44%和1.77%,最大误差分别为2.82%,1.92%,7.45%,5.67%,5.28%,加速时间的误差小于0.26s。本文揭示了过渡态性能仿真模型误差的机理。

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差<1.3%。对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差<1.7%。本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。

基于梯度法和最大熵方法的变循环发动机加速控制规律设计

为了解决变循环发动机(VCE)加减速控制规律设计问题,提出了一种基于梯度法和最大熵方法的VCE加速控制规律优化设计方法。通过求加速时间对几何变量的导数确定几何变量调整的方向和步长,逐步得出加速过程的几何调节规律。计算VCE加速过程时,采用过渡态直接模拟方法保证发动机的喘振裕度、燃烧室油气比和涡轮进口总温均满足约束条件。在优化过程中,采用最大熵方法,令几何调节规律的熵值保持在较大的值,优化出的几何调节规律相对于只考虑时间梯度的结果更为合理,震荡幅度更小,更便于实际调节。计算结果表明,经过约15次优化,加速时间可以从6.2s缩短到4.1s,且优化出的几何调节规律更平稳。对优化的控制规律进行分段线性化,转速误差最大为1.4%,推力误差最大为1.8%,可以用于工程实践。本文提出的方法能够实现VCE加速过程几何调节规律优化设计。

变循环发动机过渡态性能直接模拟方法

为了实现多变量可调的变循环发动机(VCE)过渡态性能模拟和控制规律设计,在稳态逆算法和过渡态性能隐式格式计算方法的基础上开发了变循环发动机过渡态直接模拟方法。在稳态逆算法模型中加入容积效应和转子动力学方程,实现了同时给定加速率、涡轮前温度和压缩部件工作点的条件下直接模拟计算过渡态过程中变几何参数和燃油流量的调节规律,验证了方法的精度和可行性,并将该方法用于变循环发动机转模态性能模拟和控制规律设计。计算结果表明,过渡态直接模拟方法的误差在0.58%以内,超声速巡航状态下由单外涵模态转换到双外涵模态的时间约为1s,海平面静止状态下双外涵转单外涵的时间约为3s,且推力、转速、涡轮前温度、喘振裕度等参数过渡平稳。该方法可简化转模态控制规律设计流程,并提高设计精度。