航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性分析系統(tǒng)研究.pdf

1、氣動(dòng)穩(wěn)定性已經(jīng)成為當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)良好的航空發(fā)動(dòng)機(jī),除了實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠性之外,還要求在整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)都必須有足夠的可用穩(wěn)定裕度。為此,在發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期的各個(gè)階段,都需要進(jìn)行氣動(dòng)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(dòng)機(jī)氣動(dòng)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(nèi)部因素主要有加/減速、接通/斷開(kāi)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(dòng)機(jī)研制初始階段,原則上不可能獲得各種因素對(duì)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù);整個(gè)研制過(guò)程中進(jìn)行全飛行包線范圍的試驗(yàn)成本也太高;對(duì)于地面或高空臺(tái)設(shè)施不能進(jìn)行的試驗(yàn),也需要利用數(shù)值計(jì)算來(lái)代替。因此,氣動(dòng)穩(wěn)定性分析中的數(shù)值計(jì)算方法受到了高度關(guān)注并被廣泛的應(yīng)用。
　　為提升數(shù)值計(jì)算方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性分析中的功能和適用范圍,在分析各項(xiàng)降穩(wěn)因子對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的機(jī)理基礎(chǔ)上,建立和發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和求解方法,構(gòu)建了功能

3、完善的適用于發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段和工程設(shè)計(jì)階段的氣動(dòng)穩(wěn)定性分析平臺(tái),并以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例,開(kāi)展了全飛行包線范圍的氣動(dòng)穩(wěn)定性綜合評(píng)估。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論可概括如下:
　　(1)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同研制階段的氣動(dòng)穩(wěn)定性分析內(nèi)容進(jìn)行概括總結(jié),分析了各項(xiàng)降穩(wěn)因子對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的機(jī)理并進(jìn)行合理歸類;依據(jù)某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)任務(wù),并參照國(guó)軍標(biāo)GJB/Z224-2005的評(píng)估要求,在飛行包線內(nèi)確定了6個(gè)需要評(píng)估的典型狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的降穩(wěn)因子;利用

4、補(bǔ)償各個(gè)降穩(wěn)因子的局部需用穩(wěn)定裕度的統(tǒng)計(jì)規(guī)范值來(lái)預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)的總需用穩(wěn)定裕度,完成了方案設(shè)計(jì)階段的氣動(dòng)穩(wěn)定性分析。
　　(2)以部件匹配方法為基礎(chǔ),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(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型,并采用Newton-Raphson方法進(jìn)行迭代求解;獲得了典型狀態(tài)下風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的可用穩(wěn)定裕度;通過(guò)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)處于高空小表速狀態(tài)時(shí)受雷諾數(shù)和功率提取的影響最大,此時(shí)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)的穩(wěn)定裕度;部件老化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定裕度的影響不可忽略。
　　(3)通過(guò)分析動(dòng)態(tài)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、流量、壓力、能量存在的不平衡現(xiàn)象,在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)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(yīng)和高低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程,建立了可以分析加/減速

6、、接通/斷開(kāi)加力等降穩(wěn)因子對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型,并采用時(shí)間推進(jìn)的歐拉方法進(jìn)行求解,得到了加速過(guò)程、減速過(guò)程、接通加力過(guò)程和斷開(kāi)加力過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定裕度的影響。計(jì)算結(jié)果表明,加速過(guò)程中,和風(fēng)扇相比,高壓壓氣機(jī)加速線更趨于靠近穩(wěn)定邊界;減速過(guò)程中,風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)受穩(wěn)定邊界的限制均較小,只有在低轉(zhuǎn)速段時(shí)的風(fēng)扇穩(wěn)定裕度和穩(wěn)態(tài)相比有少許的下降;接通/斷開(kāi)加力過(guò)程中,高壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度基本不變,而風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度波動(dòng)較大。

7、r>　　(4)通過(guò)將平行壓氣機(jī)模型擴(kuò)展為“平行發(fā)動(dòng)機(jī)”模型,并采用二維、無(wú)粘的歐拉方程進(jìn)行描述,建立了分析進(jìn)氣畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性影響的數(shù)學(xué)模型,并采用四階 Runge-Kutta方法進(jìn)行求解。計(jì)算得到了沖擊波、動(dòng)態(tài)溫升和動(dòng)態(tài)壓力畸變下影響下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的參數(shù)變化,并對(duì)本文提出的基于“臨界壓力梯度”的失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)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(yīng)性更強(qiáng);通過(guò)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)流道中的畸變傳遞曲線,評(píng)估了發(fā)動(dòng)機(jī)部件對(duì)畸變的衰減能力,

8、其中風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)對(duì)畸變的衰減能力最強(qiáng);計(jì)算得到了典型狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的臨界畸變值、畸變敏感系數(shù)和補(bǔ)償進(jìn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)下集成了構(gòu)建多種類型發(fā)動(dòng)機(jī)所需的標(biāo)準(zhǔn)模型,允許用戶選用標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)組成目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)功能全面,可以定量的分析氣動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)定規(guī)范中規(guī)定的各項(xiàng)降穩(wěn)因子對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定裕度的影響程度,適

9、用于發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段和工程設(shè)計(jì)階段的氣動(dòng)穩(wěn)定性分析研究。該分析系統(tǒng)具有友好的界面和可擴(kuò)展性,有利于氣動(dòng)穩(wěn)定性分析方法的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展。
　　(6)針對(duì)某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),利用所建立的分析系統(tǒng),完成了工程設(shè)計(jì)階段全飛行包線范圍內(nèi)的氣動(dòng)穩(wěn)定性綜合評(píng)估。結(jié)果表明,在所評(píng)估的狀態(tài)中,高空小表速狀態(tài)下風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的總需用穩(wěn)定裕度最大;在所有降穩(wěn)因子中,補(bǔ)償進(jìn)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(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的