桨扇发动机的建模和控制研究

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1、中图分类号：V235.12论文编号：102870218-S075学科分类号：082502硕士学位论文桨扇发动机的建模和控制研究研究生姓名王逸维学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向发动机控制系统设计技术指导教师黄向华教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonModelingandControlofPr

2、opfanEnginesAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyWangYiweiAdvisedbyProf.HuangXianghuaSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕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

3、研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或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：南京航空航天大学硕士学位论文摘要桨扇发动机的高推进效率让其具有降低油耗和排放的潜力，未来民航的广阔市场和越来越高的环保要求使其拥有较好的发展前景。然而，这种新型发动机在结构设计、控制策略、与飞机一体化等方面仍有诸多挑战。对桨扇发动机的建模和控制的研究有利于桨扇发

4、动机的结构最优设计和发动机-飞机一体化控制方案的确定，从而充分挖掘桨扇发动机的潜力。本文建立了一种三轴拉力式对转桨扇发动机的仿真模型，将发动机看成桨扇和涡轴发动机匹配的结构。桨扇建模基于相似原理，从单排桨扇的气动性能入手，考虑了桨扇轮毂的影响以及前后排对转桨扇的相互影响和空气流道的收缩，模型与实验数据的误差在2%以内。由于桨扇发动机推力主要由桨扇产生，其控制方案和涡扇发动机有所不同。性能寻优控制在不同飞行条件下输出优化了的控制指令，可提升发动机的性能。分析了控制结构后，本文提出了桨扇发动机的控制方案。控制方案在飞行包线内性能

5、良好，仿真结果显示功率涡轮转速的超调量不超过2%、调节时间不超过0.9s。基于该方案，本文提出了性能寻优控制模式下的控制方案，并采用了一种修正了搜索步长和遗弃率的修正布谷鸟搜索算法。相比扭矩补偿模式，该方案可降低2%的油耗。该方案的性能比标准布谷鸟搜索算法和遗传算法更好。本文评估了桨扇发动机的性能。结果表明，桨距角对发动机的性能影响很大。桨扇和进气道的耦合作用对发动机性能影响很小，可以忽略。桨扇轴距半径比对发动机性能有一定影响，可设置在0.4-0.6以内。随着前后排桨扇桨叶数目的增加，发动机的总推力和燃油单位消耗率SFC会增

6、加、桨扇的总体效率会降低。此外本文还提供了桨扇发动机的高度和速度特性。关键词：桨扇发动机，建模，控制，性能寻优控制，布谷鸟搜索算法，性能评估，仿真I桨扇发动机的建模和控制研究ABSTRACTPropfanengineshavehighpropulsiveefficiencyandhavethepotentialtoreducefuelconsumptionandemissions,whichhaveapromisingfuturebecauseofthehugecivilaviationmarketinthefuturean

7、dthemoreandmorerequirementsofenvironmentalprotection.However,thenovelenginepresentsmanychallengesofstructuraldesign,controlstrategyandengine-aircraftintegration.Themodelingandassessmentofpropfanengineisbeneficialfortheoptimumstructuraldesignandcontrolstrategiesfore

8、ngine-aircraftintegration,whichmakesfulluseofpropfanengines.Asimulationmodelofthree-shaftcontra-rotatingpullerpropfanwasproposed.Propfanenginewas