本文選題：民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)　切入點(diǎn)：總體性能　出處：《西北工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)一直以來是民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)問題。一般地,整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該包括從飛機(jī)任務(wù)需求到發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能方案設(shè)計(jì)再到方案評(píng)估這一完整過程,而目前飛機(jī)任務(wù)需求、發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)估這三部分往往相對獨(dú)立,未使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系成為一個(gè)有機(jī)的整體,影響了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的效率。特別是隨著“綠色航空”成為民用航空工業(yè)發(fā)展的新趨勢,對發(fā)動(dòng)機(jī)方案的評(píng)估已不僅僅局限于發(fā)動(dòng)機(jī)性能本身,還應(yīng)該包括對污染物排放量、噪聲的計(jì)算分析。本文就是針對以上問題,基于發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能方案設(shè)計(jì)流程,對民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與排放分析方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究,建立一套較為完整的民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與排放分析仿真系統(tǒng)。整個(gè)仿真系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程中各學(xué)科之間的相互關(guān)系,以及模塊化集成軟件的思想,可分為五大模塊:飛機(jī)性能模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模塊、飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)模塊、現(xiàn)代優(yōu)化算法模塊、污染物排放量的計(jì)算分析模塊。飛機(jī)性能模塊:為了使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)更加具有針對性,同時(shí)也為提高飛機(jī)性能模塊的計(jì)算精度,建立了一套基于飛機(jī)幾何尺寸和翼型參數(shù)的升阻特性計(jì)算模型,對有增升裝置和無增升裝置下的飛機(jī)升阻特性進(jìn)行了計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與參考值進(jìn)行對比分析表明該方法與參考值吻合較好,彌補(bǔ)了升阻特性不易獲取和計(jì)算精度低的不足;為了進(jìn)一步詳細(xì)地模擬飛機(jī)在全航線上的飛行過程,并由此評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)在全航線上的燃油消耗量與污染物的總排放量,基于飛行力學(xué)模型與民用飛機(jī)典型航線任務(wù),采用比例積分控制法建立了民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)全航線性能與污染物排放量的計(jì)算模型。發(fā)動(dòng)機(jī)性能模塊:根據(jù)氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓縮、燃燒、膨脹做功、膨脹加速以及摻混過程建立了發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力計(jì)算數(shù)學(xué)模型,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣準(zhǔn)則和功率提取原則,對民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)參數(shù)開展了分析研究;根據(jù)民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)特有的控制規(guī)律,對六種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)(最大起飛、最大連續(xù)、最大爬升、最大巡航、空中慢車、地面慢車)進(jìn)行了計(jì)算分析,特別針對大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下增壓級(jí)的防喘問題展開研究,通過增壓級(jí)喘振裕度反算增壓級(jí)后放氣量的方法,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的等喘振裕度控制計(jì)算;針對發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝性能,采用實(shí)驗(yàn)特性與修正相結(jié)合的方法對進(jìn)排/氣系統(tǒng)的安裝損失展開研究,計(jì)算分析了發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)的安裝性能。飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)模塊:主要對飛機(jī)約束分析與任務(wù)分析展開研究。首先運(yùn)用約束分析模型,計(jì)算機(jī)翼載荷與起飛推重比之間的關(guān)系,并由此構(gòu)成約束分析求解域;再以“低推重比高機(jī)翼載荷”的原則確定約束分析設(shè)計(jì)點(diǎn);最后根據(jù)任務(wù)分析模型,結(jié)合飛機(jī)實(shí)際任務(wù)需求,初步確定了飛機(jī)的最大起飛重量和推力需求�，F(xiàn)代優(yōu)化算法模塊:對比分析了現(xiàn)代優(yōu)化算法對傳統(tǒng)優(yōu)化算法的優(yōu)勢,著重對本文所采用的差分進(jìn)化算法展開研究。引入基于均熵的種群初始化方法、精英保留策略、改進(jìn)后的罰函數(shù)以及自適應(yīng)三次變異進(jìn)化方法對基本差分進(jìn)化算法進(jìn)行改進(jìn),增強(qiáng)了算法的全局搜索能力,提高了計(jì)算效率。污染物排放量的計(jì)算分析模塊:分析了現(xiàn)有的排放計(jì)算方法,選擇能與發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能模型相結(jié)合的修正模型法和多反應(yīng)器模型法開展研究。在修正模型法中,詳細(xì)介紹了修正模型法中的SAGE模型和AERO2k模型排放計(jì)算方法。在多反應(yīng)器模型法中,從NO_x、CO、UHC、煙的生成機(jī)理出發(fā),結(jié)合燃油霧化與燃油液滴蒸發(fā)模型、燃燒化學(xué)反應(yīng)平衡模型、簡化火焰鋒面模型計(jì)算了CF6-80C2B1發(fā)動(dòng)機(jī)地面典型工況下的NO_x、CO、UHC的排放指數(shù)和煙粒子的發(fā)煙數(shù),并與ICAO數(shù)據(jù)庫中的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,由此表明多反應(yīng)器模型法與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好,擁有較高的計(jì)算精度。本文還對以上三種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析,對比結(jié)果表明三種排放計(jì)算方法所計(jì)算的結(jié)果在趨勢上是相同的,而三種模型計(jì)算結(jié)果的偏差程度根據(jù)污染物的種類和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的不同而有所不同。本文利用民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與排放分析仿真系統(tǒng),以B767-200ER飛機(jī)為裝機(jī)對象,對起飛推力級(jí)為250k N的民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題展開研究。首先,利用飛機(jī)性能模塊中的升阻特性模型計(jì)算了B767-200ER飛機(jī)的升阻特性,并將該升阻特性運(yùn)用到飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)模塊中,結(jié)合B767-200ER飛機(jī)的任務(wù)需求,初步確定了飛機(jī)的最大起飛重量以及推力需求的初始值;其次,將以上初始值代入發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化模型中,通過將多約束條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化與飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)相耦合進(jìn)行迭代優(yōu)化,求解出了當(dāng)飛機(jī)最大起飛重量最小時(shí)的最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)方案;再次,利用發(fā)動(dòng)機(jī)性能模塊結(jié)合民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的典型控制規(guī)律,計(jì)算最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)方案在整個(gè)飛行包線內(nèi)的安裝性能;最后,將以上安裝性能、飛機(jī)升阻特性模型運(yùn)用到民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)全航線性能與污染物排放量的計(jì)算分析模型中,結(jié)合排放計(jì)算分析方法,完成對發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化方案的性能與污染物排放量的評(píng)估。最后的評(píng)估結(jié)果表明,在滿足B767-200ER飛機(jī)各個(gè)任務(wù)航段需求和原有效載荷不變的情況下,可使飛機(jī)的最大起飛重量下降約2.7%。優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)方案相比于原裝配的PW4056發(fā)動(dòng)機(jī)在加速與爬升段中擁有更好的加速性能和爬升性能,全航線上的燃油消耗量也有所下降,發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性得以提升,其主要污染物NO_x、UHC在裝配RQL(Rich Quench Lean)燃燒室后均有所降低,有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境友好性。
[Abstract]:The overall performance optimization design of civil aircraft engines has been a hot problem in the design of civil aircraft engines . In general , the whole optimization design should include a complete process for the design of engine design and emission analysis from the aircraft mission demand to the overall performance design of the engine . The engine performance module is divided into five modules : aircraft performance module , engine performance module , aircraft / engine integrated design module , modern optimization algorithm module and pollutant discharge analysis module . In this paper , based on the analysis of the model of the model , the calculation and analysis of the emission index of NO _ x , CO and UHC in the exhaust / gas system is carried out . The optimal engine scheme is solved by coupling the engine performance optimization under multiple constraints to the aircraft / engine integrated design . Finally , the performance and pollutant discharge of the optimal engine scheme are calculated by combining the engine performance module with the typical control law of the civil aircraft engine . Finally , compared with the original assembled PW4056 engine , the fuel consumption of the engine is reduced . The main pollutant NO _ x and UHC of the engine are reduced after the RQL ( Rich Engine Lean ) combustion chamber is assembled , and the environmental friendliness of the engine is effectively improved .

【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V23
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本文編號(hào)：1692067