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第二十4届(2005)全国直升机年会直升机涡轮发动机建模方法研究管井标尹万力刘丽群范军(陆航研究所)摘要:本文描述了涡轮轴发动机的工作情形，对摄轮轴发动机的一般建棋方法进行了介绍，建立了涡轮轴发动机的数学仿真棋型，分析了建模的关键技术，并对模型的校核和验证进行了探讨1.引盲涡轮轴发动机是一个集机械、电气、液压技术于一体，利用热力学原理产生推进力的复杂系统，涡轮轴发动机对直升机的性能有着至关重要的影响。随着现代航空技术的发展，高精度涡轮轴发动机模型在直升机飞行仿真系统的设计研制、直升机和推进系统一体化设计等方面的作用日益重要;此外，在涡轮轴发动机的预研、设计、动态特性分析和调节系统设计、数字控制系统解析余度技术研究等方面也有重要的应用价值。2.涡轴发动机简介涡轴发动机是航空嫩气涡轮发动机的一种.以空气为作功工质，主要靠输出轴功率带动负载工作。涡轴发动机适用于低亚音速飞行范围，是现代军用宜升机的主要动力装兰涡轴发动机一般工作情形10发动机工作时，姗气发生器转子高速旋转，压气机进口形成低压区，周围空气以一定的轴向速度流人压气机，压气机工作叶轮旋转作功.使空气的压力、沮度升高;气体进人燃烧宣.与0料形成棍合气体井不断燃烧获得大盘热盘，温度和压力大大提高;燃烧后的高温、高压姗气，流盘栩轮时膨服作功.将FRS气的一部分焙转变为机械功.推动涡轮转动，而涡轮又带动压气机秘附件工作‘燃气从涡轮流出后，温度和压力仍然较高，流经自由涡轮时继续膨胀，把大部分烙转变为机械功，推动白由涡轮旋转‘自由涡轮通过减遮器和功率袖出轴向外抽出功率.「从IIII常动能班旅转I':最后姗气以较低温度和接近大气的压力经排气甘排往大气。3.润轴发动机仿宾趁模技术涡轴发动机仿真棋型是涡轴发动机性能特性等用数学达的一种形式，可在一定范围内和一定程度上描述和表示发动机。按模型描述范围的不同，有发动机性能特性模型，结构强度模型，尺寸重t模型，费用一效益模型以及机体一发动机一体化模型等。本文所讨论的主要是发动机性能特性模型。发动机性能特性模型是气体动力学、热力学、控制论、数值计算方法和数宇计算机科学等多学科的结合，处于气动热力学与控制理论之间的边缘学科。本文所研究的涡轴发动机仿真属工程应用领域内的连续系统仿真，一般采用数学仿真的方法。简单来说，数学仿真是相应物理系统的数学模型在计算机上的解算过程。数学模型是仿真的荃础.只有建立正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有价值和意义。“数学模型”就是根据物理概念、变化规律、测试结果和经验.用数学表达式、逻辑表达式、特性曲线、试验数据等来描述某一系统的表现形式3.1涡轴发动机建模一般方法建立祸轴发动机数学模型的方法大体上有以下几种「2]:(1)系统辩识法(总体性能法):即利用输人输出数据所提供的信息来建立数学模型将涡轴发动机系统当成一个整体，对其主要输人、输出性能进行建模。一般是视输出功率和发动机转速为主要输出参数，而桨距井由门杆位笙作为输人参数，直升机飞行高度和速度是影响翰出功率的主耍因素。在计算机中可建立桨距一油门杆位置对应发动机功率和转速的数学模型。采用数学公式或擂值函数表均可得到对应桨距一油门杆位置的发动机功率和转速。该方法不对各部件详细建模。(2)解析建模法(集成部件法):针对发动机系统各功能部件分别建立数学模型，如可分别针对进气道、压气机、燃烧室、始气涡轮、自由涡轮、瀚油系统、滑油系统等进行建棋。对发动机控制功能及控制逻辑进行建棋，再将各个模块总体集成进行调度运行。不仅能仿真静态性能，还能仿真其动态性能，其中的一些性能参数是由生产厂家经过试验得到，而在计算机中用数据表形式存储，用函数插值方法实时获取。这种方法会导出更有物理意义的模型，而且此模型在模拟范围较大时比第一种方法产生的模型更精确。(3)综合法:将总体性能法与部件集成法结合起来，其功能、控制逻辑可针对部件建模.而性能参数的获取采用总体性能仿真的方法在不同的仿真应用场合，根据发动机仿真的具体的目的，对发动机仿真模型的精度、运算速度〔实时性)、数据输人输出有不同的要求，应根据具体情况，选择合适的建模方法.建立合乎仿真要求的涡轴发动机模型。通常在用于直升机飞行训练器，精度要求不高的飞行模拟器中的发动机仿真系统建棋时，对实时性要求较高，通真度要求相对较低。数据输出方面则只要求输出仪表系统上显示的主要性能指标。这时一般可采用第一或第三种方法进行涡轴发动机建模。在祸轴发动机预研、设计、动态特性分析、调节控制系统设计等对发动机单独建棋.进行专门研究时.常常需要获取发动机各个截面的气动热力参数.需通过仿真试脸获得各个部件在共同工作中的性能特性。这时一般采用策二种方法建立较为精细的发动机仿宾棋型。值在动态怜性仿宾中实时性要求常常与相度要求发生矛后，这时住往娜要适当简化发动机棋型以润足实时计算的井求。不过随粉数字计娜机技术的发展.计算机遇葬班度不断加快。这一间皿将灿来灿好的得到解决。3.2解析法班立润轴及动机数学摸倒运用解析逮棋方法建立发动机气动热力数学棋型是本文讨论的童点，下面介绍其技术关键。3.2.1建立高阶非线性代数方程组涡轴发动机数学模型是一组高阶非线性代数方程，发动机气动热力模型可描述发动机整个热力循环过程，确定不同状态下发动机中的各个部件进出口截面的总压、静压、温度、质t流蚤、马赫数、油气比、功率等工质热力参数以及发动机性能参数。涡轴发动机按各432部件气动热力过程的特点或模型可分为进气道、压气机、燃烧室、燃气涡轮、自由涡轮等主要基元部件。利用解析法或试验法可得出各部件的性能特性(如压气机和涡轮的特性线等)或数学模型。对于一台具体的发动机数学模型可看成是各基元部件数学的组合，这样利用各蓦元部件的数学模型和质最连续、能蚤和动全守恒定律.按准一元无粘流动和集总参数法，并假设工质为特性仅由温度所决定的理想气体.可建立能表示工质通过各部件后状态变化和各部件间匹配关系的系统方程[3],这个系统方程是一组高阶线性代数方程组:f(X,U,W,均=0式中f一非线性矩阵函数，X=[X?X=，一，}Xx犷一蝶速N,涡轮前alT3等参RMAn。维状69}1;U=[Ul,U2,.,认了一摊油ItWf等撇骊的。维控掀免W二叭，陈一咐r献磕度Tatm，大气勤Patm，飞行骚数Ma等参数组成的P维干扰矢It;Y=〔长珠二、兀犷一由撇蟀Ntf,单位9M率。fc-i参数组dot，维*14f.获得合理且相互匹配的各部件特性是建立正确的发动机数学模型的技术关键，而一般获得部件性能特性的方法都难以解决这个发动机建棋的关健技术问。当前，发动机仿真和状态监控技术领域中大t的研究工作都集中在提高发动机各部件数学棋型(即性能特性)的精度间肠。3.2.2涡轴发动机建棋中常用的数值算法涡轴发动机数字仿真建棋中常用的一些苍本算法是函数擂值与拟合14]，主要有拉格郎日抽位、牛顿擂值、三次样条擂值、函数拟合法娜等。在实际应用中还可由茜本算法组合成偏共的更I杂的仿离算法.对于非麟性方祖姐的解法主要是运用了迭代的方法。迭代是构造算法的最若本的思想之一。迭代是指为了求娜始定的间题而一次接一次且复进行一种确定形式的运算过租。非故性方.祖的娜法有简单瑰代睡、牛顿迭代法。，·，聪i6}b!*}3f'}1}}11F}'}PA}cf}dllmtA!ENAdm.，，一、一:NC,GENENG。·DYNGEN,TURBOTRAN,TURBOTEST,NNEP,ATEST等数字计算机程序，其功能一个比一个强大，已在航空涡轮发动机研制中广泛应用;其中较断的ATEST航空涡轮发动机数字计算机程序，可用于涡喷、祸扇、涡轴、涡桨、单转子、双转子、三转子等类型发动机的设计点和非设计点性能计葬、稳态和瞬态性能计算、使用不同燃料的发动机气动热力循环计算、在涡轮发动机气动热力循环中及多种特定复杂过程(如中间级放气、主动间隙控制、部件加热等过程)的计算及加人一定数t的发动机控制逻辑等3.4涡轴发动机仿真建模中的VVA建模与仿真的有效性关健在于建棋勺仿真的正确性与可信度，没有可信度的仿真是没有意义的。仿真模型的校核、R证与确认(VVA)技术是仿真可值度评估的有效方法3.4.1涡轴发动机仿真模型的校核祸轴发动机仿义摸型的校核应贯穿T建模的全过程，它包括两部分。一是对建立的数学模型的校核;运用计算流体力学、热力学、燃烧理论、一发动机D1F理等学科理论和模拟的对象发动机结构特点的知识，判断建立的发动机数学模型是否正确，在建棋过程中所作的简化假设是否合理，确认建模中采用的发动机特性和数据是否真实可靠，确认模型在数据输人轴出及穷时性等方面是否符合设计要求:二是对实现发动机数学棋型的计算机程序樱型的逻辑和代码的校核‘校核方法与软件工程中检验软件的方法类似3.4.2涡轴发钟机仿真棋型的脸证仿宾模型的有效性脸证偏重于仿真特性相似于实际系统的程度。验证方法的荃本思想是在仿真模型建立起来后，实际系统或实物模型与仿真棋型在相同的输人条件下，系统真实输出与仿真的物出结果相比较，对比差异程度。4.渴轴发动机仿真建模技术的新发展涡抽发动机作为航空涡轮发动机家族中的一员，它的仿真建模技术的发展是随着航空发动机仿熟建棋拉术的发展而发展的，随粉数字计算机技术、计算流体力举等的不断进步，发动机仿宾建橄技术也在不断进步，发动机气动热力数学模型的功能在不断的宪普和发展发动机的仿离栩度主要取决于发动机系统中各部件数学模型的精度，获得合理且相互匹康的gr件持雀籍琳立正确的发动机掀学棋型的技术关健口近昔年来，发动机仿其技术领城的tf砍翻T作主多粼中在提高发动机中各部件数学棋型(即性能特性)一的箱度间题翻扭越滚间属-.热粼我极脚了不少场向炭动机中各部件数举樱到栩度的方*151。如在建立卑卿脚物钾0at,mm:kito发oIVASOMN地，雌台服的披，肛由娜翻翻压气帆娜件w晚浏出的压气机特性。使发动机性能什算机租序能在盛个飞行包践范圈内桩杯的描述农劫机的性能特性，也有的姗出根据发动机整机试脸数据，利用栩合系橄来佑正娜件特性的建棋方法和发动机“弹性”续棋方法等。这些研究工作的粉眼点都集中在改移发动机系统中各部件傲学模型。在不同程度上提高了发动机数学椒型的精度，但成效较大的井井招气涡轮发动机自适应睡棋技术和我国学者近年来研究发展的祝合一优化盆棋技术。[5].今文献王琴芳。航空嫩气涡轮发动机佩理，南京航空航天大学、199，年。周建波，涡袖发动机建椒技术研究.南京航空航夭大学硕士学位论文。2004年姚武文.涡轴发动机原理.蓝天出版社.199，年。周煦。计算机数催算法及程序设计，中国科学技术出版社，1997年。杜鹤龄，航空发动机高空模拟‘国防工业出版社，2002年_434