[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

摘要

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。

主权项

1.一种涡轴发动机容积动力学结合热惯性效应的建模方法，其特征在于，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；步骤2)，基于容积、高温及温度波动根据步骤1)建立的涡轴发动机的部件级模型，建立涡轴发动机容积动力学模型；步骤3)，根据步骤2)建立的涡轴发动机容积动力学模型基于高温部件热惯性效应建立涡轴发动机高温部件热惯性模型，在容腔内结合容积动力学计算气流截面参数；步骤3.1)，考虑高温部件热惯性效应，建立燃烧室、燃气涡轮、燃气涡轮与动力涡轮间容腔、动力涡轮、动力涡轮与尾喷管间容腔的热惯性模型；步骤3.2)，在燃烧室、燃气涡轮与动力涡轮间容腔以及动力涡轮与尾喷管间容腔的热惯性模型中，结合容积动力学，将燃气损失的热量引入容积动力学模型中计算燃气截面参数，而不是直接计算燃气温度；步骤3.2.1)，根据燃气与零部件间综合换热系数及温差计算燃气损失的热量；高温燃气与燃烧室壁面间产生热交换，高温燃气向燃烧室壁面传递的热量为：Q_comb＝K_c[T_gas(k)‑T_comb(k‑1)]              (1)其中，Q_comb为高温燃气与燃烧室壁面单位时间换热量，K_c为高温燃气与燃烧室壁面的复合换热系数，T_gas(k)为当前时刻高温燃气未与燃烧室换热的总温，T_comb(k‑1)为前一时刻燃烧室平均壁温；步骤3.2.2)，将燃气损失的热量引入容积动力学的温度压力微分方程中，由加入了热惯性影响的容腔效应来计算燃气实际总温；燃烧室燃气的截面参数计算由考虑了热惯性的容积效应完成：其中，为燃烧室出口气流总温，R₄为燃烧室出口气体常数，V_C为燃烧室容积，为燃烧室出口气流总压，θ₄为推导过程中的变量，t为时间，W_f为燃油流量，η_C为完全燃烧效率，H_u为燃油热值，h_C为燃油完全燃烧的焓，为燃烧室出口气流的比焓，γ₄为燃烧室出口气流余气系数，为燃烧室出口气流绝热系数，W_a31为燃烧室进口空气流量，h_a为空气比焓，为燃烧室进口气流总温，W_a4为燃烧室出口空气流量，为总温余气系数γ₄的气流比焓，为总温余气系数γ₄的气流绝热系数，为总温余气系数γ₄的气流比焓，为总温余气系数γ₄的气流绝热系数，h_p为燃烧纯净产物的焓，h_f为热态燃油的焓，T_s为测定燃油热值的标准温度，为压气机进口气流总温。考虑热传递后，当前时刻燃烧室平均壁温计算：其中，m_comb为燃烧室壁中参与热交换部分的质量，C_comb为燃烧室壁的平均比热；步骤3.3)，燃气涡轮与动力涡轮的热惯性模型中，根据换热量与综合换热系数直接计算换热后燃气温度与零部件温度，在动态计算中不断更新零部件温度。燃气涡轮热惯性模型：Q_g＝K_g1(T_g(k)‑T_g01(k‑1))+K_g2(T_g(k)‑T_g02(k‑1))+K_g3(T_g(k)‑T_g03(k‑1))     (4)其中，Q_g为燃气与燃气涡轮单位时间换热量，T_g(k)为当前时刻未换热时燃气温度；K_g1为燃气涡轮中燃气和机匣的综合换热系数，T_g01(k‑1)为前一时刻机匣温度；K_g2为燃气和叶片的综合换热系数，T_g02(k‑1)为前一时刻叶片温度；K_g3为燃气和轮盘的综合换热系数，T_g03(k‑1)为前一时刻轮盘温度；其中，T_g,d(k)为当前时刻换热后燃气温度，C_p,g为燃气定压比热，W_g41为燃气涡轮进口燃气流量，K_gg1为机匣综合热容，K_gg2为叶片综合热容，K_gg3为轮盘综合热容。