[发明专利]一种发动机仿真设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空发动机的开发技术，具体的说是一种发动机仿真设计方法。

背景技术

航空发动机总体性能计算机模拟技术是航空发动机数值仿真技术的重要组成部分。在发动机设计阶段，通过发动机性能数值模拟，可以进行总体性能参数优化、确定发动机的循环参数和部件的设计指标、进行发动机控制规律的优化、确定发动机的控制规律；在发动机研制和使用阶段，通过发动机性能计算机模拟，可以确定发动机各种特性(高度特性、速度特性、节流特性、温度特性等)、进行飞机/发动机匹配研究，定量分析各种使用条件对发动机性能的影响。

早期的航空发动机的设计计算都是基于简单公式和经验数据，靠手工计算完成，这样的设计分析方法，不仅耗费大量人力，而且计算精度低、所能完成的计算功能也单一，不能保证发动机的设计参数达到最优。

目前，国内的发动机性能分析主要使用通用的商业软件，虽然通用计算程序可以进行类似的计算同，但对特有发动机的结构特点和控制规律等专有属性缺少足够的修改空间和适应性，使得无法或较难满足计算要求。

模拟航空发动机性能是通过部件恰当的匹配计算进行的。在发动机模拟程序中，按照在发动机总体性能计算中发动机各主要部件特性的描述方法的差异和复杂程度的不同，可以将发动机性能计算的数学模型划分为三个层次：

第一层次数学模型：以各种拟合关系式或经验关系式描述发动机的性能，整个发动机作为一个“黑盒子”，模型中不描述各个部件的具体工作状态。许多发动机制造厂都是以这种模型向用户提供发动机的速度、高度和节流特性。

第二层次数学模型：发动机各个部件作为一个“黑盒子”，给出各个部件的特性，而不去描述各个部件内部详细的工作情况。然后根据各个部件的共同工作关系，确定发动机的共同工作点，完成发动机性能计算。

第三层次数学模型：对发动机内部流动过程的各个细节进行描述，在发动机通道内，没有“黑盒子”模型，这是目前发动机性能模拟所追求的目标。

第一层次数学模型是针对具体型号而设计，不具有通用性；第二层次数学模型目前正在广泛应用；第三层次数学模型涉及发动机部件内非常复杂的流动过程的数值模拟问题，仍然在发展中。

由于发动机特有的结构特点，在通用的计算程序中，没有相关的程序设计和相关算法，对计算结果造成一定的偏差。

发明内容

针对现有技术中针对航空发动机的开发设计没有通用软件，缺少足够的修改空间和适应性，无法满足相关算法的精确度等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种针对性强、提高计算精度的发动机仿真设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种发动机仿真设计方法，包括以下步骤：

对于任意选定的发动机部件，绘出发动机功率和流经发动机的空气路径，通过连接节点将一个部件的输出端连接至下一个部件的输入端；

根据每个部件的相互连接关系得到程序输入、系统变量和部件规定的特性的函数关系；

利用上述函数关系进行计算，得到一个待求解的联立代数超越方程和偏微分方程组；

求解上述方程和/或方程组，得到整台发动机各节点处的参数和总体性能参数。

发动机稳态气动热力计算包括设计点性能计算和非设计点性能计算，其中设计点性能计算包括以下步骤：

1)确定发动机类型，并绘制发动机流程截面图，根据流程截面图上设定的截面符号输入到热力循环计算程序中，得到对应截面上的气流流量、总温、总压气动参数；

2)根据被计算的发动机流程截面图和发动机的具体情况及使用特点，输入发动机要求的引气量、功率提取、冷气空气量、放气量的具体值；

3)输入发动机设计点的飞行高度和马赫数；

4)输入发动机流道内各段的流程损失；

5)输入热力循环参数。

对于外设换热器的发动机，以通用程序处理方法为基础，根据发动机的持点，增加热交换部件的热力循环处理程序，其换热器管内空气引自高压压气机，换热器管外为外函空气，换热器换热后各参数按下列各式计算：