[发明专利]一种涡轴发动机容积动力学结合热惯性效应的建模方法

说明书

本发明公开了一种涡轴发动机容积动力学结合热惯性效应的建模方法，包括以下步骤：步骤1)、建立涡轴发动机基本部件级模型；步骤2)、建立涡轴发动机容积动力学模型；步骤3)、建立涡轴发动机高温部件的热惯性模型，在容腔内结合容积动力学计算气流截面参数。本发明利用容积效应建立涡轴发动机部件级模型，避免了使用循环迭代法求解，提高了模型的实时性；结合热惯性效应，改善了动态模型中总温变化时的大幅波动，提高了模型的精度。

技术领域

本发明涉及一种涡轴发动机建模方法，具体为一种涡轴发动机容积动力学结合热惯性效应的建模方法，属于涡轴发动机控制技术领域。

背景技术

航空发动机分类中，涡轴发动机主要作为直升机的动力装置，是直升机动力系统的核心，对直升机性能有直接影响。相对于活塞发动机来说，涡轴发动机重量体积更小，功重比更大，振动较小且更易于操作。自诞生至今，涡轴发动机经历了数次发展，功重比不断升高，耗油率不断降低。西方发达国家一直走在该领域的前列，如典型的美国T系列涡轴发动机，从五十年代的第一代机型代表T58，到六十年代的第二代机型代表T64，到八十年代初期的第三代机型代表T700，再到九十年代的第四代机型代表T800，耗油率降至0.27kg/(kW·h)，单位功率突破300kW/(kg·s)，综合性能不断提高。相比之下我国对于涡轴发动机的研制由于经济与工业水平的限制而起步较晚，三十多年的时间并不能使我国具备较成熟的涡轴发动机设计能力。目前我国主要依靠合作引进的方式研制，但是型号很少性能也低，因此对涡轴发动机的探索与研究势在必行。

涡轴发动机是一种十分复杂的强非线性气动热力系统，工作环境恶劣，诸多不确定因素会影响其在全包线范围内的性能。为了对它进行到位的控制和健康管理，必须深入分析研究其特性，建立高精度的数学模型。用数学模型代替真实发动机作为研究对象，一方面可以节约试验经费，降低研制成本，缩短研制周期，另一方面还能避免使用真实发动机进行试验时可能发生的意外事故。高精度的数学模型，更是控制算法设计和仿真验证顺利进行的保证。

由部件法建立的航空发动机部件级模型可以对发动机各个截面的气动热力参数进行模拟。部件法根据航空发动机遵循的气动热力学规律，以各部件数据特性为依据，通过数学方法以一组非线性方程组和各部件间的共同工作关系来表示发动机的工作状态，建立发动机的数学模型。

就现阶段而言，在联立求解发动机的数学模型的非线性方程组时，大多使用迭代算法，其对初猜值要求高，计算速度慢。应用容积动力学法建立发动机部件级数学模型，求解该模型时不必使用循环迭代法，计算速度快，精度较高，能满足试验所要求的发动机模型的动态实时性。

目前涡轴发动机数学模型建模中，往往忽略高温部件的热传递影响，认为其对发动机性能影响较小。事实上，发动机工作时高温气流与零部件之间的传热不可避免，传热量也较为可观。在部件模型中结合热惯性模型，能有效地提高动态模型精度。

针对上述涡轴发动机建模中的实时性和精度等要求，有必要发明一种新的涡轴发动机建模方法，来提高涡轴发动机模型的实时性和精度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种涡轴发动机容积动力学结合热惯性效应的建模方法，依据涡轴发动机各部件的工作原理，利用各部件的特性方程或特性图建立了某涡轴发动机的部件级模型，并将容积动力学模型结合到部件级模型中。建立涡轴发动机中高温部件的热惯性模型，并应用到容积动力学部件级模型中。采用上述方法，避免了使用循环迭代法求解，提高了模型的实时性，改善了动态模型中总温变化时的大幅波动，提高了模型的精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种涡轴发动机容积动力学结合热惯性效应的建模方法，包括以下步骤：

步骤1)，依据涡轴发动机各部件的工作原理，利用各部件的特性方程或特性图建立涡轴发动机的部件级模型。