小型涡扇发动机燃油控制规律

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1、2016年12月第42卷第12期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsDecember2016V01．42No．12http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0829小型涡扇发动机燃油控制规律苏志刚+，张凌霄，邓甜(中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300)摘要：以小型涡扇发动机DGEN380燃油控制规律为研究目标，使用解析法基于MATLAB平台建立其整机部件级稳态及动态数

2、学模型并进行仿真计算。在旋转部件建模过程中使用工具获取特性数据，并绘制可以即时显示当前工作点／线的部件特性图；在稳态仿真时使用Newton—Raphson法和遗传算法2种方法求解发动机工作方程组，并对二者进行评估对比，针对遗传算法在发动机模型求解过程中的局限性对一般基础模型进行优化改进；在动态仿真时，采用欧拉法计算微分项。基于模型分析发动机燃油控制规律，并以发动机高度特性为例进行仿真计算。试验结果表明：Newton-Raphson法具有高精度和高速度，改进模型后遗传算法具有更好的适应性，模型及燃油控制规律的仿真结果较好地符合试验数据和理论趋势，对比误差小于3％。关键词：涡

3、扇发动机；燃油控制规律；部件级模型；部件特性；Newton．Raphson法；遗传算法中图分类号：V235．13文献标识码：A文章编号：1001—5965(2016)12-2555-08航空发动机的工作过程是极为复杂的气动热力学过程，为了保证发动机运行的稳定性及安全性，必须对此过程加以控制，这是发动机控制系统的职责⋯。而航空发动机建模与仿真是分析其控制规律以及低成本、高效率、短周期研制发动机数控系统的重要工具和手段旧。。目前，发动机常见建模方法有解析法和试验法。解析法(即理论模型法)是根据发动机运行过程中遵循的气动热力学规律建立其数学模型；试验法(即系统辨识法)是基于发动

4、机试验数据进行分析处理从而获得数学模型∞1。试验法对数据采集有较高的要求，所建模型在适用范围上具有一定局限性；而解析法所建模型精度较高，可在全包线内模拟发动机动态与稳态特性，因此被国内外普遍采用¨。。涡扇发动机因为经济性等优点被民用喷气飞机大量装备，并且在当前极为热门的无人机领域也有着广泛应用。DGEN380是由法国PriceIn．duction公司为小型飞机所设计制造的大涵道比小型涡扇发动机，因体积小、污染少和油耗低等优势被欧美国家用于教学研究，建模并研究其燃油控制规律对于了解小型涡扇发动机性能和控制方案将会带来一定帮助。本文结合DGEN380发动机特性采用解析法建立其

5、部件级非线性数学模型，利用MATLAB平台对模型进行稳态、动态仿真验证，提出部件共同工作方程组求解过程中常见问题的解决方法，并研究发动机燃油控制规律。收稿日期：2015．12．17；录用日期：2016-01—11；网络出版时间：2016-01—1910：46网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160119．1046．002．html基金项目：国家自然科学基金(51506216)；中央高校基本科研业务费专项资金(ZXH2012H001)}通讯作者：Tel．：13920214946E—mail：SSrsU@rip．sina．

6、corn；f用格式：苏志刚，张凌霄，邓甜．小型涡扇发动机燃油控制规俸rJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(12)：2555—2562．SUzG．ZHANGLX．DENGT．FuelcontrollawofsmallsizeturbofanenglnelJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(12，：2555-2562(inChinese)．北京航空航天大学学报1发动机结构及建模假设DGEN380发动机为双转子、分开排气涡扇发动机，核心机采用单级离心式压气机、环形回流式燃烧室

7、和轴流式高压涡轮，低压转子则由高涵道比风扇、齿轮箱(低压转速／风扇转速=3．32)、轴流式低压涡轮组成。采用先进的集成式FADEC控制系统，燃油泵等附件系统均为电驱动且几何不可调。图1为DGEN380发动机框图。图中：鹅颈为风扇出口至压气机人口的内涵气体通道，图1DGEN380发动机框图Fig．1BlockdiagramofDGEN380engine因为实体发动机极为复杂，建立与其完全符合的模型难度太高，为简化发动机数学模型推导，特作出如下假设”1：①忽略燃烧延时及引气流量；②忽略部件热交换以及容积惯性；③气体在外涵道和尾喷管