航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性分析系統(tǒng)研究.pdf

1、氣動穩(wěn)定性已經(jīng)成為當代航空發(fā)動機重要的戰(zhàn)術和技術指標。設計良好的航空發(fā)動機,除了實現(xiàn)高性能和高可靠性之外,還要求在整個飛行包線范圍內都必須有足夠的可用穩(wěn)定裕度。為此,在發(fā)動機研制周期的各個階段,都需要進行氣動穩(wěn)定性分析,確保其可用穩(wěn)定裕度大于總需用穩(wěn)定裕度。影響發(fā)動機氣動穩(wěn)定性的因素有很多,外部因素主要有壓力畸變、溫度畸變、平面波、沖擊波和雷諾數(shù)等,內部因素主要有加/減速、接通/斷開加力、功率提取與附加引氣、生產(chǎn)/裝配偏差、部件老化、控

2、制容差等。在發(fā)動機研制初始階段,原則上不可能獲得各種因素對氣動穩(wěn)定性影響的試驗數(shù)據(jù);整個研制過程中進行全飛行包線范圍的試驗成本也太高;對于地面或高空臺設施不能進行的試驗,也需要利用數(shù)值計算來代替。因此,氣動穩(wěn)定性分析中的數(shù)值計算方法受到了高度關注并被廣泛的應用。
　　為提升數(shù)值計算方法在航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性分析中的功能和適用范圍,在分析各項降穩(wěn)因子對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響的機理基礎上,建立和發(fā)展了相應的數(shù)學模型和求解方法,構建了功能

3、完善的適用于發(fā)動機方案設計階段和工程設計階段的氣動穩(wěn)定性分析平臺,并以某渦扇發(fā)動機為例,開展了全飛行包線范圍的氣動穩(wěn)定性綜合評估。本文的主要研究內容和結論可概括如下:
　　(1)對發(fā)動機不同研制階段的氣動穩(wěn)定性分析內容進行概括總結,分析了各項降穩(wěn)因子對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響的機理并進行合理歸類;依據(jù)某渦扇發(fā)動機的技術任務,并參照國軍標GJB/Z224-2005的評估要求,在飛行包線內確定了6個需要評估的典型狀態(tài)和對應的降穩(wěn)因子;利用

4、補償各個降穩(wěn)因子的局部需用穩(wěn)定裕度的統(tǒng)計規(guī)范值來預估發(fā)動機的總需用穩(wěn)定裕度,完成了方案設計階段的氣動穩(wěn)定性分析。
　　(2)以部件匹配方法為基礎,根據(jù)控制規(guī)律、限制參數(shù)和共同工作方程,建立了航空發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型,并采用Newton-Raphson方法進行迭代求解;獲得了典型狀態(tài)下風扇和高壓壓氣機的可用穩(wěn)定裕度;通過將雷諾數(shù)修正模型、功率提取、附加引氣模型、部件老化模型嵌入到穩(wěn)態(tài)模型中,建立了可以分析雷諾數(shù)、功率提取、附加引氣、部件老

5、化對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響的數(shù)學模型。計算結果表明,發(fā)動機處于高空小表速狀態(tài)時受雷諾數(shù)和功率提取的影響最大,此時風扇和高壓壓氣機的穩(wěn)定裕度均下降明顯;附加引氣在一定程度上可以增加發(fā)動機的穩(wěn)定裕度;部件老化對發(fā)動機穩(wěn)定裕度的影響不可忽略。
　　(3)通過分析動態(tài)過程中發(fā)動機轉速、流量、壓力、能量存在的不平衡現(xiàn)象,在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型的基礎上,增加主燃燒室、混合室及加力燃燒室、外涵通道的容積效應和高低壓轉子動力學方程,建立了可以分析加/減速

6、、接通/斷開加力等降穩(wěn)因子對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響的動態(tài)過程數(shù)學模型,并采用時間推進的歐拉方法進行求解,得到了加速過程、減速過程、接通加力過程和斷開加力過程對發(fā)動機穩(wěn)定裕度的影響。計算結果表明,加速過程中,和風扇相比,高壓壓氣機加速線更趨于靠近穩(wěn)定邊界;減速過程中,風扇和高壓壓氣機受穩(wěn)定邊界的限制均較小,只有在低轉速段時的風扇穩(wěn)定裕度和穩(wěn)態(tài)相比有少許的下降;接通/斷開加力過程中,高壓壓氣機的穩(wěn)定裕度基本不變,而風扇的穩(wěn)定裕度波動較大。

7、r>　　(4)通過將平行壓氣機模型擴展為“平行發(fā)動機”模型,并采用二維、無粘的歐拉方程進行描述,建立了分析進氣畸變對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響的數(shù)學模型,并采用四階 Runge-Kutta方法進行求解。計算得到了沖擊波、動態(tài)溫升和動態(tài)壓力畸變下影響下發(fā)動機內部的參數(shù)變化,并對本文提出的基于“臨界壓力梯度”的失穩(wěn)判據(jù)進行驗證;和現(xiàn)有失穩(wěn)判據(jù)相比,本文提出的失穩(wěn)判據(jù)適應性更強;通過計算發(fā)動機流道中的畸變傳遞曲線,評估了發(fā)動機部件對畸變的衰減能力,

8、其中風扇和高壓壓氣機對畸變的衰減能力最強;計算得到了典型狀態(tài)下發(fā)動機的臨界畸變值、畸變敏感系數(shù)和補償進氣畸變所需要的局部需用穩(wěn)定裕度。
　　(5)作為研究成果的集中體現(xiàn),基于VC++軟件,編制了具有自主知識產(chǎn)權的航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)下集成了構建多種類型發(fā)動機所需的標準模型,允許用戶選用標準模型來組成目標發(fā)動機進行分析。該系統(tǒng)功能全面,可以定量的分析氣動穩(wěn)定性評定規(guī)范中規(guī)定的各項降穩(wěn)因子對發(fā)動機穩(wěn)定裕度的影響程度,適

9、用于發(fā)動機方案設計階段和工程設計階段的氣動穩(wěn)定性分析研究。該分析系統(tǒng)具有友好的界面和可擴展性,有利于氣動穩(wěn)定性分析方法的廣泛應用和不斷發(fā)展。
　　(6)針對某渦扇發(fā)動機,利用所建立的分析系統(tǒng),完成了工程設計階段全飛行包線范圍內的氣動穩(wěn)定性綜合評估。結果表明,在所評估的狀態(tài)中,高空小表速狀態(tài)下風扇和高壓壓氣機的總需用穩(wěn)定裕度最大;在所有降穩(wěn)因子中,補償進氣畸變的局部需用穩(wěn)定裕度最高;在高空小表速狀態(tài)下,雷諾數(shù)是影響發(fā)動機氣動穩(wěn)定性的