基于Matlab/Simulink的航空發動機部件級建模與分析

夏 超，王繼強，商國軍，周 淼

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016）

0 引言

在航空發動機部件級建模中，非線性微分方程組和平衡方程的求解多采用迭代計算，但是在計算動態模型時，動態因素的存在使得迭代次數大大增加，模型實時性和全包線內的收斂均很難得到保證[1]。

為了解決部件級建模中解非線性方程組時的迭代問題，引入容積動力效應，在Matlab/Simulink中搭建航空發動機的無迭代動態模型，最后與GSP軟件仿真的結果進行比較，驗證了該模型有效且準確。

1 基于Matlab/Simulink的渦扇發動機數學模型

1個完整的渦扇發動機模型包括進氣道、風扇、外涵道、壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、混合室、噴管以及大氣環境等大模塊，并形成各自獨立的子模塊。各模塊之間通過氣流的流向及匹配關系連接。所搭建的完整發動機Simulink方框圖如圖1所示，作為比較的發動機GSP自帶的某模型方框圖如圖2所示。

圖1 完整的發動機Simulink方框圖

圖2 發動機GSP方框圖

2 發動機的動態仿真

對于航空發動機來說，動態仿真指發動機加、減速等動態過程。一般在發動機動態仿真中，忽略容積動力學效應和熱慣性，假定在動態過程中滿足流量準平衡，由于模型在運行中要反復運行雅可比矩陣，計算量巨大難以達到實時性。本文采用考慮容積動力效應的無迭代方法，即在動態仿真中引入容積效應，認為動態時流量不再平衡，壓力隨流量變化而變化[2]。

進行動態仿真時，采用GSP軟件中1個模型的數據，利用本文建立的發動機模型進行仿真，最后與GSP軟件仿真的結果進行比較，以驗證該模型的準確性。

2.1 考慮容積動力效應的無迭代方法

考慮容積動力效應的渦扇發動機方框圖如圖3所示。

圖3 考慮容積動力效應的渦扇發動機方框圖

在動態過程中，由于容腔內氣體質量與能量的積聚和釋放而引起壓力變化，氣流的進、出口參數不再相等，且滿足一定的動力學方程。該動力學方程包括質量與能量方程，其中質量方程占主導，本文為了簡化計算，僅考慮質量方程[3]。

假設 1 股總溫、總壓、流量分別為 Ti、Pi、Wai的氣流流入容腔，以 To、Po、Wao流出，對于單輸入、單輸出的容腔僅考慮質量方程可描述為

式中：R為氣體常數；V為容腔體積[4]。

由于渦扇發動機流路計算選用了4個壓比（分別為πf、πc、πt，h、πt，l），故選用外涵道容腔（I）、燃燒室容腔（II）、高低壓渦輪之間的容腔（III）和混合室容腔（IV）4個容腔分別求取對應的壓比。描述4個容腔的容積動力學方程為

給定初始條件便可以積分求解 Pt16、Pt4、Pt42、Pt7。已知Pt16可以求得 Pt13、Pt21、Pt22，Pt21=Pt22=Pt13=Pt16/σbp；已知 Pt4可以求得 Pt3，Pt3=Pt4/σb；已知 Pt42可以求得 Pt41，Pt41=Pt42;Pt3，Pt3=Pt4/σb； 已 知 Pt7可 以 求 得 Pt55，Pt55=（Pt7Wa7/σm-Pt16Wa16）/Wa55。則 4 個壓比分別為

另外，再考慮2個轉子動力學方程

式中：Qt，h、Qt,l分別為高、低壓渦輪輸出功率；ηh、ηl分別為高、低壓轉軸的機械效率；Jh、Jl分別為高低壓轉軸轉動慣量；Qc、Qf分別為壓氣機和風扇消耗的功率。已知 Nl、Nh、πf、πc、πt，h、πt，l就可以進行各流路的計算，隨時間推移便可完成動態仿真[5]。

2.2 動態數學模型和仿真設置

為了實現動態仿真，引入容積動力學模塊和轉子動力學模塊。其中通過容積動力學模塊可以計算得到Pt16、Pt4、Pt42、Pt7，從而得到 πf、πc、πt，h、πt，l；而通過轉子動力學模塊可以計算得到Nl、Nh。這樣就可以建立動態模型進行動態仿真。

在simulink仿真前設置好參數和輸入、輸出方式：（1）設置仿真起始時間和終結時間分別為0和10；（2）設置算法仿真，選擇變步長龍格-庫塔連續算法，最小、最大步長和初始步長及誤差容限為默認；（3）輸入和輸出設置，選擇從工作區導入（load from workspace），并將數據保存至工作區（save to workspace），限制輸出數據量為10000，其他參數為默認[6]。

2.3 動態仿真

選擇相對成熟的GSP軟件中的1個模型作為參照，來驗證本文模型的準確性。先設置動態仿真時的初始穩態點和燃油變化量，在地面進行發動機加、減速仿真。選擇典型的參數，如高、低壓轉速Nh、Nl和渦輪前溫度Tt4、發動機推力F作為比較量，進行動態仿真，仿真結果如圖4所示。

從圖4中可見，本文建立的發動機動態模型Simulink仿真的結果與GSP仿真的結果相近，除推力初始的個別數據誤差大于5%，其余數據的實際相對誤差均小于5%（如圖5所示）。

圖5 相對誤差分析

3 發動機穩態仿真

發動機穩態仿真是指發動機處于穩定工作狀態，對各特征截面的物理參數求解。常規方法是使用Newton-Raphson方法對共同工作方程組進行求解，此方法需反復運行雅可比矩陣，不僅運算量大，求解速度慢，而且對初值敏感，計算易發散[7]。本文對發動機穩態仿真創新地采用基于發動機的動態仿真模型，以避免反復迭代過程，通過與GSP軟件穩態仿真的結果對比，來驗證本方法的可行性和該模型的精度。

3.1 穩態共同工作方程

上文中引入了4個容積動力學方程和2個轉子動力學方程，由于供油量隨時間的變化，不斷有變化的積分值輸出。而在發動機穩態共同工作時，供油量為常值，流量滿足平衡，高、低壓轉子功率平衡，此時4個容積動力學模塊和2個轉子動力學模塊應滿足

其中：Wa13=Wa21-Wa22，Wa4=Wa3+Wf≈Wa3（燃油量相對于Wa3可以忽略），Wa6=Wa5+Wa16，這樣就滿足了6個平衡方程，6 個未知數 Nl、Nh、πf、πc、πt，h、πt，l就可以求得。在穩態仿真開始時，4個容積動力學模塊和2個轉子動力學模塊還不滿足平衡條件，但隨著時間的推移，逐漸趨于平衡。其平衡時的數值即為穩定工作時的數值。

3.2 穩態仿真

在地面進行發動機穩態仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 穩態仿真對比

本文建立的發動機穩態模型基于其動態模型，同樣取決于部件特性的準確度和部件數學模型的準確度。由圖5可知，其Simulink仿真的結果與GSP仿真的結果相近，實際相對誤差小于4%（如圖7所示）。

圖7 相對誤差分析

4 結論

（1）通過引入容積動力效應，避免了反復迭代；在simulink中搭建了渦扇發動機的部件級模型，由已封裝的模型構成了渦扇發動機專業模型庫，具有一定的通用性和擴展性。

（2）對發動機進行了動態和穩態仿真，并與GSP仿真的結果進行對比，可知該模型誤差較小，精度較高，具有良好的實時性，在航空發動機建模方法研究中具有一定參考價值。

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