[发明专利]航空发动机非线性模型建模方法

说明书

本发明属于航空发动机技术领域，具体为一种航空发动机非线性模型建模方法。本发明方法包括：发动机设计点非线性模型的计算，发送机过渡态非线性模型的计算；前者包括建立发动机分段模型，根据航空发动机的构造和功能，主要划分为进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮和排气口几个部分；依次用非线性方程描述各个部件工作时所遵守的气动热力学定律，建立航空发动机设计点的部件级模型；后者假定过渡态下零部件特性与稳态一样，在过渡态的数值模拟考虑零部件的容积效应；计算中只考虑容积比较大的零部件的容积效应，同时动量守恒简化为通道的总压恢复系数代替，这样既可以保证足够的工程精度，又大大的简化了计算。

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及航空发动机建模方法。

背景技术

航空发动机是为飞机提供动力的装置，也被称为航空推进系统。航空发动机研制过程周期长、耗费高，各国都在积极寻求低成本、高效率的研发方案。计算机数值仿真技术是解决该问题的主要途径之一。建立精确的航空发动机的数学模型用于性能仿真，或者用于进一步验证控制律设计、优化分析算法，可以大大降低试验成本、缩短研制周期。此外，现有的发动机数值模型随着科技水平整体进步和使用要求的提高，也需要相应地完善和升级。因此发动机数值仿真和数学建模一直是相关领域的研究方向之一。

世界上航空工业发达的国家半个多世纪以来一直高度重视航空发动机的研究。以美国为例，上个世纪50年代开始就将发动机的建模及仿真技术用于航空发动机及其控制系统的设计和预研领域。经过几十年的发展，发动机模型研究已经由最初的简单一阶线性微分方程到复杂的非线性动态实时仿真模型，TESS(Turbofan Engine Simulation System)、JGTS(Java-based Gas Turbine Simulator)、GSP(Gas turbine Simulation Program)、TERTS(Turbine Engine Real-Time Simulator)、GasTurb等发动机仿真平台(系统)也先后问世，它们通过友好的人机界面辅助科研工作者进行深入广泛的研究。目前，计算机仿真技术已经成为先进发动机设计、试验和制造过程中重要的技术和工具。

国内的发动机研究起步较晚，但也有一些初步的成果。20世纪80年代末，沈阳发动机设计研究所开发出了国内第一个发动机实时仿真模型，用于双转子涡喷发动机的半物理仿真试验。90年代初，通过借鉴国外先进技术，606所又成功开发出国内第一个涡扇发动机地面电调实时模型，经过不断改进，2002年，该模型可在全包线范围内模拟发动机的稳态和瞬态、包括加力瞬态的性能。该模型在发动机数控系统半物理仿真试验中发挥了重要作用。国内各大高校与研究所在航空发动机及燃气轮机部件级建模方面开展了一系列研究工作，研究热点涉及面向对象建模、部件特性计算、起动建模、模型改进与优化、模型性能分析、综合数控系统设计等诸多领域。

航空发动机非线性部件级模型的仿真精度很大程度上依赖于部件特性，早期我国航空发动机主要依靠测绘仿制，试验测得的发动机部件特性数据很少，这给部件级建模特别是起动建模带来很大困难。长期以来，建模用的发动机部件特性也主要依靠已有的试验数据进行估算。许多学者将数学算法用于发动机模型的理论研究中，初步获得了不错的效果，但是限于工程水平，很多研究并未能够投入工程应用中。近十年来，发动机实时模型的建模技术又有了许多新的发展，尤其是现代控制理论在发动机数控中的应用和解析余度技术的发展往往需要具有自适应能力的机载发动机实时模型用。航空发动机是严重非线性.且工况和工作范围变化大，故对其建模充满了挑战。结合工程应用的高精度仿真计算、控制系统建模等方面有待进一步深入广泛的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够适用于工程应用的高精度仿真计算的航空发动机非线性模型建模方法。

本发明提出的航空发动机非线性模型建模方法，包括：发动机设计点非线性模型的计算，发送机过渡态非线性模型的计算；分别介绍如下：

1、发动机设计点非线性模型的计算