民用大涵道比涡扇发动机全状态性能模型研究

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1、学校代码10699分类号V231密级学号2012100500西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目民用大涵道比涡扇发动机全状态性能模型研究作者施洋学科、专业航空宇航科学与技术指导教师蔡元虎申请学位日期2017年6月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：民用大涵道比涡扇发动机全状态性能模型研究作者：施洋学科专业：航空宇航科学与技术指导教师：蔡元虎2017年6月Title:AResearchonFullStatesPerformanceModelforCivilHighBypassTurbofanEngineByShiYangUndertheSupervisionofProf

2、essorCaiYuan-huADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要本文针对国内民用大涵道比涡扇发动机研制的技术需求，以及在航空发动机风车、地面和空中起动等低转速工况的发动机数学模型和总体性能研究的欠缺，开展了民用大涵道比涡扇发动机全状态性能模

3、型的研究。首先，本文分析了发动机旋转部件在全状态范围内的不同工作状态的特点；对比了几种常见的旋转部件特性扩展方法；发展了基于最小损失点的旋转部件特性表示以及扩展方法；以某压气机和涡轮特性为例，进行了脊背点特性转换和扩展，得到了符合客观物理规律的全转速部件特性；最后讨论分析了发动机机械损失和管道部件特性在低转速的变化情况。其次，本文建立了民用大涵道比涡扇发动机的全状态性能数学模型。为了提高全状态性能模型的过渡态性能计算精度，建立了包含流量、能量和动量守恒的部件容积效应模型；对比了不同容积效应模型的区别；研究了部件容积效应对发动机过渡态性能的影响。计算结果表明，涡轮入口截面前后的部件的

4、容积效应对过渡态性能产生的影响不同；总体上部件容积效应对大涵道比涡扇发动机过渡态性能产生的影响较小，具体计算时可以考虑忽略。在数值求解方法方面，提出了扩展定义空间的方法，用于处理发动机低转速工况的性能计算时出现的部件工作点无意义的情况；提出了双层级多种群粒子群优化算法，用于选取全状态性能计算的迭代初值，并将其和牛顿迭代法相结合，提高了发动机全状态模型的迭代收敛性。在对发动机部件气动热力过程进行了深入分析的基础上，应用面向对象的建模方法，开发了大涵道比涡扇发动机的全状态性能程序。该程序具有扩展性好、适用性强等特点。通过与CF34-10A发动机的公开性能数据对比表明，全状态性能程序计算

5、得到的慢车以上典型工作点的稳态性能参数和基准数据的最大误差不超过4%；计算得到的发动风车状态高低压转速和试验数据的最大误差不超过5%。最后，使用全状态性能模型对某型民用大涵道比涡扇发动机的地面起动过程、空中风车状态和空中起动过程等进行了数值模拟。地面起动过程的计算结果表明：大气温度和高度的变化对外涵风扇的工作线几乎没有影响；随着大气温度的降低或海拔高度的增加，压气机工作线逐渐靠近喘振边界。风车状态计算结果表明：飞行马赫数增加使得发动机高低压风车转速增加，并且对风车过程风扇工作线的影响较大；飞行高度对发动机高低压风车转速以及各部件工作点的影响较小。空中起动过程的计算结果表明：空中点火

6、后，外涵风扇工作线远离喘振边界，高、低压压气机的工作线靠近喘振边界；在辅助起动过程的初期，高压转速首先上升，而低压转速基本不变，从而导致外涵风扇空气流量沿等转速线方向减小。I西北工业大学博士学位论文关键词：民用大涵道比涡扇发动机，扩展的部件特性参数化表示方法，全状态性能模型，起动过程，风车状态IIAbstractAbstractUnderthebackgroundofdomesticcommercialandtechnicalrequirements,aswellasthelackofresearchonenginelowspeedoperationconditions,sucha

7、swindmilling,groundandaltitudestarting,thispaperbuiltanumericalmodelanddevelopedanobjectorientedprogramtosimulatethefullstatesperformanceforhighbypassturbofanengine,Firstly,thispaperanalyzedthedifferentcharacteristicsofrotatingcomponent