涡扇发动机部件级起动建模技术分析

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1、南京航空航天大学硕士学位论文发动机各个截面数字下标说明：0：进气道前未扰气流42：低压涡轮进口1：进气道进口5：低压涡轮出口2：进气道出口55：内涵喷管出口13：外涵进口16：外涵出口21：风扇出口6：混合室进口22：压气机进口7：混合室出口3：燃烧室进口8：尾喷管喉部4：燃烧室出口9：尾喷管出口41：高压涡轮出口V承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或

2、其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：年月南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景自1939年第一架装有燃气涡轮喷气式发动机的飞机在德国首飞成功以来，航空燃气涡轮发动机取得了飞速的发展。20世纪60年代，为了改善涡喷发动机的推进效率，涡扇发动机开始出现，它将通过低压压气机的空气分为两路，一路经由内涵流入压气机、燃烧

3、室和涡轮，另一路经由外涵直接排入大气或在涡轮出口与内涵气流混合后排入大气，从而产生有效推力。在低速飞行条件下，涡扇发动机具有较高的推进效率，因此被广泛运用于现代高性能战斗机和民航客机。经过几十年的发展，涡扇发动机性能有了较大的提高，但其性能仍存在较大的提升空间，特别是在[l~3]特殊环境下起动方面，还有许多重要问题需要进一步深入研究。在涡扇发动机运行或使用过程中，起动过程是非常重要的一个工作阶段，是发动机顺利工作[4]的前提。根据不同需求，起动过程通常可以分为两种：地面起动和空中起动。地面起动即发动机在地面从静

4、止的停车状态加速到慢车状态的过程，空中起动即发动机空中停车再点火起动加速到慢车状态的过程。发动机可靠、快速的起动过程对保证军用飞机的作战效能至关重要，起动性能的好坏是衡量涡轮风扇发动机综合性能的一项重要指标。现代军用战斗机对发动机的起动过程[5]要求相当高，要求起动过程可靠、起动时间短以及在不同的外界条件下顺利起动等。涡扇发动机的起动过程非常复杂，涉及到起动机、供油系统和发动机各个部件的协同工作，同时受外界环境的影响很大。在对发动机起动进行研究的过程中，往往需要通过大量的起动调整试验来改善涡扇发动机起动性能。在

5、国内相关单位已进行的研究工作中，通过调整发动机起动供油量、液压泵卸压和改进起动机设计等技术，在一定程度上提高了涡扇发动机的地面起动性能。但是，在缺乏理论指导的情况下，为了获得最合理的调整参数及改进方案，需要耗费大量的人力、物力和时间。另外，在不同大气条件下进行起动试验时，所面临的困难较多，研究周期也较长，试验中还很有可能发生发动机和起动机的超限工作现象。并且，对某种型号的发动机所得到的研究结果往往很难直接应用于其它型号的发动机。这些因素都极大地增加了试验研究的经费及风险。为了更有效地解决涡扇发动机在各种大气条件

6、下(如高、低温和高原条件)的地面起动问题，需要首先发展起动过程数值仿真技术，在此基础上定量研究大气条件及起动过程中的各主要参数[6]对起动性能的影响，以便进行优化设计、调整和控制；另外，在研制飞行和维修训练模拟器时，[7]同样也需要模拟发动机的地面和空中起动性能。综上所述，无论是在设计阶段还是在使用维护阶段，对发动机起动过程的数值仿真都非常必要。通过数值仿真，发动机设计者和使用者可以从中获取许多有价值的信息，例如起动过程中各个部件的气动热力学参数；发动机起动阶段涡轮超1涡扇发动机部件级起动建模技术研究温的迹象，

7、燃烧室不稳定燃烧；最佳供油规律的选取等。数值仿真既是设计人员进行参数选择的重要依据，也是试验人员避免试验盲目性的有效手段。因此，发展涡扇发动机起动过程的数值仿真技术具有重要意义。起动过程数值仿真的基础，是建立发动机慢车以下数学模型，即起动模型。起动模型是对起动过程进行数学抽象的结果，一个相对准确的起动模型不但能够用来分析发动机起动过程的特性，为解决起动问题或改进起动设备提供理论与技术支持，还可以用于起动控制系统的研究，解决起动性能的综合优化问题，例如优化发动机点火转速、起动机脱开转速，以及确定更为合理的起动供油

8、规律等。因此，深入开展起动过程建模及起动性能研究是极具现实意义和应用价值的工作。1.2国内外发动机起动建模研究概况发动机起动过程的研究是与其总体性能的数值仿真研究紧密相连。从历史发展的角度看，最先出现的是航空燃气涡轮发动机的稳态性能仿真研究，然后逐渐在稳态性能计算程序的基础上增加了过渡态仿真能力，从而获得了对发动机加速和减速过程的数值仿真手段。当慢车转速以上的发动机稳态和过渡态仿真技术