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航空发动机性能仿真


航空发动机性能仿真
1、概述
发动机是飞行器的心脏,其性能对飞行器的发展有着至关重要的影响。 传统的发动机总体设计, 主要通过对原准机的研究和改进,并在详细设计中对各 种部件性能试验和地面台架试车、高空模拟试验、飞行试验等整机试验来预测其 性能,研制周期较长。 随着飞行器研制速度加快,传统设计模式已不能满足快速设计验证的要 求。自上世纪 80 年代中后期,欧美

航空行业开始推行数字化研发体系,分别推 出 NPSS 和 VIVACE 计划,旨在通过建立航空发动机协同开发平台,来减少发 动机的研发周期和成本。PROOSIS 是 2007 年结束的 VIVACE 计划的重要成果 之一。 它是一款面向对象的飞行器动力系统性能仿真软件,具有完善的动力系统 零部件模型库,可用于各类航空发动机系统的建模仿真分析。

2、PROOSIS 的优点
丰富、开放并支持自定义的多学科模型库 PROOSIS 包含多个领域的组件库,各组件的源代码完全开放,用户不仅 可以修改这些代码,也可以自定义特殊组件;因此,用户既可以应用软件自带的 组件构建发动机系统, 也可以通过继承或重新定义的方式创建特殊的组件来构建 发动机系统。

完美的多学科耦合分析 可以在同一个模型中综合分析控制、机械、电气、液压等耦合状况;从 而使得用户可以将发动机的热力循环过程、控制系统、燃油和冷却系统的液力过 程、 电气系统等综合在同一个模型中进行综合分析,并能够将发动机模型嵌入到 飞控模型中分析其性能对整个飞机的影响。

无需因果逻辑的面向对象编程语言 EL 各变量之间不是赋值格式的关系,而是函数关系,模型的通用性、复用 性都更好;模型可以实现信息隐藏、封装、单重继承或多重继承等;因此,同一 个发动机模型,可以根据已知参数的不同,进行不同的分析。

与外部程序的连接方便 可调用 FORTRAN、C、C++等,也可自动生成可复用的 DLL 和 C++程序,还 可导出供 Matlab、Simulink 直接使用,通过与 Excel 的接口还可以由表格驱动 模型的运行,系统模型可以脱离 PROOSIS 的环境运行。

适用于多种计算 可以用于发动机的设计点、非设计点计算、参数及敏感性分析、优化设 计,稳态和瞬态分析都适用;

3、典型案例
对转式齿轮传动涡扇发动机

雅典理工大学基于 PROOSIS 开发环境搭建新型的对转式齿轮传动涡扇 发动机(GTCRC)模型,并与传统的齿轮传动涡扇发动机(GTF)性能进行对 比分析。具体内容如下: 首先,通过实验设备测试对转式转子特性,实验设备及测试结果如下图 所示。

实验设备

测试结果 通过处理得到对转式压气机及涡轮的 map 图,并在传统压气机及涡轮的 基础上二次开发形成对转式压气机及涡轮组件,如下图所示。

对转式压气机及涡轮模型 其次,基于 TUOBO 库中的压气机、涡轮、风扇、燃烧室、轴、齿轮箱 等部件及新开发的对转式压气机及涡轮模型,搭建对转式齿轮传动涡扇发动机 (GTCRC)及传统的齿轮传动涡扇发动机(GTF)模型,具体如下图所示。

对转式齿轮传动涡扇发动机及传统的齿轮传动涡扇发动机模型 再次,分析爬升(Top of Climb)、巡航(cruise)及下降(Take-Off) 过程中,两发动机性能特性。 爬升(Top of Climb)、巡航(cruise)及下降飞行参数如下表所示。 PARAMETER Condition Altitude (m) Mach Number ΔT ISA (K) GTF & GTCRC T/O 0 0.25 15 ToC 10668 0.78 10 Cr 10668 0.78 0

两发动机性能比较结果如下图所示。

最后,分析得出如下结论。 ? 与传统的齿轮传动涡扇发动机相比,在相同发动机重量及阻力的情况下,对 转式齿轮传动涡扇发动机在整个飞机飞行任务中油耗降低 0.59%; ? 与传统的齿轮传动涡扇发动机相比,在相同推力的情况下,对转式齿轮传动 涡扇发动机,重量减少 10%。假设该推力下,传统的齿轮传动涡扇发动机净重 2

吨, 两个对转式齿轮传动涡扇发动机重量将减少 400kg, 将会带来 0.52%的油耗 减低,油耗总计将降低 1.1% ? 油耗敏感度分析结果如下图所示。

航空发动机仿真测试方案 针对飞机发动机系统从设计开发到试验验证全过程的解决方案,能够设 计飞机发动机系统的整体架构、仿真分析和验证发动机系统的功能和性能需求。 解决方案的整体框架如下图所示。

解决方案框架 在管理计算机中,部署了多学科系统设计分析工具 PROOSIS 及专业的 TURBO 模型库,TURBO 库中包含超过 70 个发动机专业元件,如进气道、压 气机、燃烧室、涡轮及喷管等,可用于建立涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等各种发动 机系统的模型, 并进行参数化、 敏感度分析、 优化计算; 设计点、 非设计点计算; 稳态、 瞬态计算等, 协助进行系统研发初期的动态性能指标确定并作为半实物仿 真的环控系统对象模型。PROOSIS 完美的多学科耦合分析,可以在同一个模型 中综合分析控制、机械、电气、液压等耦合状况;从而使得用户可以将发动机的 热力循环过程、控制系统、燃油和冷却系统的液力过程、电气系统等综合在同一 个模型中进行综合分析,符合航发的技术方向。

发动机系统模型 利用 PROOSIS 的 Simulink 接口,可将整个发动机系统模型导出 Matlab/Simulink 直接使用。同时,PROOSIS 可以自动生成 C++代码,可以脱 离工具本身的环境运行,因此可以无障碍地进行基于 Higale、NI 或 Concurrent 的实时仿真和半实物仿真。

模型下载到 simulink 的界面 Simulink 结合 iHawk 驱动程序将模型下载到 iHawk 仿真机,可用于发动 机系统的控制算法的设计与验证, 同时还用于后期开发时对发动机控制器实物的 测试、 验证及系统故障的模拟, 从而为发动机系统开发全过程提供从算法到实物 的研究、设计与验证平台。通过 PROOSIS 的离线仿真、结合实时仿真等,可以 确定飞机发动机系统的整体架构和具体的控制参数。基于总体架构,可以建立整 个发动机的三维模型,通过三维仿真等对发动机系统进行详细的设计、验证。

4、总结
PROOSIS 专业的发动机设计分析的软件, 广泛用于发动机等系统建模与 性能仿真。PROOSIS 的 TURBO 模型库由欧洲航天领域的各大工业公司、研究 中心和大学(雅典、Cranfield 和斯图加特大学)的共同开发和验证,符合前沿的国 际标准并具备广泛的模型适用性。 另外,PROOSIS 模型库源代码开放,客户可灵活进行二次开发,对新型 的发动机性能进行预测。 目前,PROOSIS 是欧洲商业公司开发新型发动机的标准工具,并被国际 主流的发动机公司作为其发动机性能分析的首选工具,如英国罗-罗,美国 GE、 普惠,德国 MTU,法国 Snecma 等发动机公司。


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