內(nèi)容教案成果

參（由填寫杯基于遺傳算法的變循環(huán) 要針對(duì)問題一：首先，作出風(fēng)扇的特性曲線圖；對(duì)圖進(jìn)行分析可知：對(duì)于某一特定換算轉(zhuǎn)速的流量和效率代入模型，用牛頓迭代法反解出口總溫；結(jié)果如下表1所示：1功針對(duì)問題二：此問題是發(fā)動(dòng)機(jī)處于雙涵（渦扇）工作模式的研究，首先，對(duì)此模式下發(fā)動(dòng)其次，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡方程確立非線性方程組的求解約束條件ERR1|(NCL-NTL*ηmL)/NTL*ηmLERR2|(NCHNCDFS-NTH*ηmH)/NTH*ηmH

ERR3|(Wg-Wg')/Wg' ERR4| -Wg')/Wg' ERR5|(p61-p62)/p62 ERR6|(A8-A')/A' ERR7|(Wa2-Wa21-Wa13)/(Wa21Wa13)

序的結(jié)果可能不盡相同，但是每次運(yùn)算的誤差是保證在10%以內(nèi)的，這保證了模型及結(jié)果的有效性。求解結(jié)果如下2所示：2變量名 求解結(jié) 針對(duì)問題三：此問題中發(fā)動(dòng)機(jī)處于單涵模式工作狀本問題其實(shí)是在發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)條件下，通過調(diào)節(jié)規(guī)律Tt4const，求出三個(gè)導(dǎo)葉角的最優(yōu)組合值。首先，在性果如下表3所示：變 名變 名 zzzTzzααα求 （a）推力隨Ma變化規(guī) （c）低壓渦輪導(dǎo)葉角變化（d）喉管面積隨Ma變化規(guī)律1單涵模式發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)幾何變量隨馬赫數(shù)的變化規(guī)律：變循環(huán)，部件級(jí)建模，遺傳算法，雙涵模式，單涵問題重 提出問 問題要 基本假設(shè)與符號(hào)說 基本假 符號(hào)說 問題一：對(duì)風(fēng)扇與CDFS的相關(guān)求 問題分 不同轉(zhuǎn)速量與壓比函數(shù)值變化曲 進(jìn)氣道、風(fēng)扇模型建立與求 建立進(jìn)氣道模 建立風(fēng)扇模 求解風(fēng)扇出口參 CDFS模型建立與求 建立驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)CDFS模 求解CDFS出口參 問題一總 問題二：雙涵模式下發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程組的求 問題分 雙涵模式下各部件模型建立 高壓壓氣機(jī)模型建 主燃燒室模型建 高壓渦輪模型建 低壓渦輪模型建 涵道模型建 混合器模型建 加力燃燒室模型建 尾噴管模型建 雙涵模式下發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)建模與求 對(duì)整機(jī)模型的數(shù)學(xué)方程描 基于遺傳算法求發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程 基于遺傳算法解發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程組的可行 基于遺傳算法求解發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程 問題二總 問題三：?jiǎn)魏Ｊ较掳l(fā)動(dòng)機(jī)的性能最優(yōu)模型與求 問題分 問題1模型建立與求 問題1各部件模 涵道模 混合器模 單涵模式下整機(jī)性能最優(yōu)模型建立與求 整機(jī)性能最優(yōu)模型建 整機(jī)最優(yōu)性能模型求 對(duì)問題2的建模與求 問題2各部件模型及整機(jī)模 問題2整機(jī)模型求 問題三總 模型總結(jié)與展 總 改進(jìn)與展 參考文 提出問題

問題重隨著多樣性的發(fā)展，就迫使戰(zhàn)斗機(jī)向多任務(wù)、寬包線領(lǐng)域邁進(jìn)。而多任務(wù)、寬包線戰(zhàn)斗機(jī)的研究著重在發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。由飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原理可循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（variablecycleengine，簡(jiǎn)稱VCE）的概念，將兩者的優(yōu)勢(shì)合二為一并且也是目前的重要研究方向。GE公司對(duì)此推進(jìn)系統(tǒng)的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾代發(fā)動(dòng)機(jī)的更新，取得了很大的它是一種采用了后VABI的低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其次，GE公司的第2代VCE的編號(hào)為GE21，它的風(fēng)扇被分成前、后2段，后段與高壓壓氣機(jī)相連，由高壓 （DFS，第三，F(xiàn)120是用于 先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)F-22的候選發(fā)動(dòng)機(jī)，通用電氣公司編號(hào)為GE33，這就是第三代VCE的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。它是 和在1983-1990年主持的ATEGG洗進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器JTDE聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證等一系列計(jì)劃的產(chǎn)物。這些計(jì)劃致力于發(fā)展最終構(gòu)成F120。第四，可控壓比發(fā)動(dòng)機(jī)（OPE）是通用電氣公司和艾利遜公司聯(lián)合研究的第4代VCE，他是在F120的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的。第五，在VAATE分研究計(jì)劃自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取了可控壓比發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)并在發(fā)動(dòng)機(jī)增加1 道和1個(gè)“轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)扇（FLADE。FLADE是接在風(fēng)扇的1排短的轉(zhuǎn)子葉片，前面有可調(diào)靜子葉片，通過打開或關(guān)閉FLADE的可調(diào)靜子，可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)總的空氣流量，這就是第五代VCE[2]。本問題就是針對(duì)第二代VCE和第五代VCE其基本構(gòu)造和工作原理基本構(gòu)造雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造見圖1.1、圖1.2，其主要部件有：進(jìn)氣道、（CDFS雙涵道模式下，選擇活門和后混合器（后VABI）全部打開；單涵道模式下，選擇活門關(guān)閉，后混合器到一定位置。1.1圖 各部件之間的聯(lián)系如圖3所示，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇與低壓渦輪相連，CDFS、高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪相連，如圖 下方褐色的線所示。1.3工作原理變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種工作模式，分別為渦噴模式和渦扇模式。首先，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓差而打開，使空氣進(jìn)入副外涵，同時(shí)前混合器面積開大，此時(shí)打開后混速巡航、加速、爬升狀態(tài)時(shí)，前混合器面積，副外涵壓力增大，選擇活門關(guān)閉，迫使絕大部分氣體進(jìn)入機(jī)，產(chǎn)生高的推力，此時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)的渦噴模式。問題要求（1）請(qǐng)畫出附錄4中風(fēng)扇特性數(shù)據(jù)表中流量隨壓比函數(shù)值變化的圖形（2）H11km，飛行馬赫數(shù)Ma0.8的亞音速巡航點(diǎn)，導(dǎo)值都為0.5求風(fēng)扇和CDFS的出口總溫、總壓和流量。二、設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)飛行高度H11km，飛行馬赫數(shù)Ma0.8的亞音速巡航點(diǎn)，1.8395e+003，后混合器出口總面積設(shè)置為2.8518e+004，尾噴管喉道面積A89.5544e+003，nL=0.85。請(qǐng)運(yùn)用或設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蠼庥砂l(fā)動(dòng)機(jī)7個(gè)平衡方（1（2（3（4（5（6（7）（1）設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)飛行高度H11km，飛行馬赫數(shù)Ma1.5的超音速巡航氣機(jī)導(dǎo)葉角度、高壓渦輪導(dǎo)葉角度均設(shè)置為0，后混合器面積設(shè)置為（2）試研究發(fā)動(dòng)機(jī)飛行高H11km，飛行馬赫數(shù)從Ma1.1變化到積隨飛行馬赫數(shù)的變化規(guī)律。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用單涵道模式，將選擇活門面積設(shè)置為0，風(fēng)扇導(dǎo)葉角度、高壓壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度、高壓渦輪導(dǎo)葉角度均設(shè)置為0，基本假設(shè)與符號(hào)說基本假設(shè)變循 中的氣流在流經(jīng)各部件時(shí)按準(zhǔn)一維定常流動(dòng)處理 符號(hào)說明

靜 總

nl

換算流 空氣流

文中下標(biāo)

f風(fēng)部件高壓壓部件高壓渦特性圖插值數(shù)據(jù)低壓渦hb燃燒l問題分析

問題一：對(duì)風(fēng)扇與CDFS的相關(guān)求機(jī)與高壓渦輪相連（部件間的具體聯(lián)系如問題重述中的圖1.3所示。針對(duì)附錄4中數(shù)據(jù)表中的風(fēng)扇特性數(shù)據(jù)，直接用調(diào)用，并用公式把增壓比轉(zhuǎn)化成壓從圖1.1中可知一個(gè)完整的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括進(jìn)氣道、風(fēng)扇、外涵道、壓氣且通流的流向相互聯(lián)接。在對(duì)風(fēng)扇與FS的相關(guān)求解時(shí)，可以基于氣動(dòng)熱力過程，對(duì)風(fēng)扇和DFS分別建立模型，進(jìn)而求解。不同轉(zhuǎn) 量與壓比函數(shù)值變化曲機(jī)某換算轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的增壓比數(shù)據(jù)（見附4）的最大值prmax,最小值為prmin，則定義該換算轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)增壓比pr的壓比函數(shù)值z(mì)z為：zz=prprmax即壓氣機(jī)增壓比的標(biāo)準(zhǔn)化變量，也就是壓比函數(shù)值。

（3- 進(jìn)行變換，然后出散點(diǎn)圖如圖3.1（a）所示，線圖如圖3.1（b）所示。符合發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)工作原理，可知附件4中的數(shù)據(jù)是有效的。進(jìn)氣道、風(fēng)扇模型建立與求解建立進(jìn)氣道模型的空氣流量。在已知發(fā)動(dòng)機(jī)飛行高度H、飛行馬赫數(shù)Ma的情況下，對(duì)進(jìn)氣道可建計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下環(huán)境壓力p0（靜壓），環(huán)境溫度T0（靜溫）。H11km時(shí)： 5 p01.01325144.308 （ T288.156.5其中，高度H的單位km，溫度的單位為K，壓力的單位為bar進(jìn)氣道進(jìn)口的 壓 γ 2T0T0 Ma

（3-1pp1

γ

Ma2γ 0 2 γ:氣體絕熱指數(shù)，純空氣γ=1.4，燃?xì)猞?1.33 (3- 1Ma1：σi1.00.075(Ma計(jì)算進(jìn)氣道出口總壓建立風(fēng)扇模型

TT (3-ii*f*f*fnf

(3-式中，n為實(shí)際物理轉(zhuǎn)速；T 和T

分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總溫和實(shí)際進(jìn)口總溫， f ff風(fēng)扇的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總溫T 可取為288.15，實(shí)際進(jìn)口總溫T 即ff1總溫T1計(jì)算風(fēng)扇增壓比、效率和流量：prf、效率ηf和換算流量Wf分別是其換算轉(zhuǎn)速和壓比函數(shù)值及導(dǎo)葉角α的函數(shù)，如式3-7所示：prfpr(nf,cor,zz,α

（3-WW ,zz,α f風(fēng)扇增壓比、效率和換算流量的具體求法如下：①附錄4給出了風(fēng)扇的特性利用線性插值法計(jì)算出風(fēng)扇的換算轉(zhuǎn)速為ncor、壓比函數(shù)值z(mì)z時(shí)的特性圖上的增壓比prf,map、效率ηf,map和換算流量Wf,map。②將①求的特性圖上的增壓比prf,map、效率ηf,map和換算流量Wf,map代（3-8），修正后得到風(fēng)扇的增壓比、效率和換prC( 1)(1kprα) f

CWWf,map

αk

(3-η

Cηηf,map(1ηα式中kpr、kw、 分別是增壓比、效率和換算流量的修正系數(shù)。風(fēng)扇的kpr、kw、1，1，0.01-5α15；并且風(fēng)扇模型中Cpr2.3894CW=0.4950Cη1.0684。①風(fēng)扇出口總壓： prf f f,out②計(jì)算風(fēng)扇出口理想總溫：T ：首先，計(jì)f,out

ψfψ

，口焓

f f

)；其次，由風(fēng)扇的出口

f,out

ψf

lnpr 這里M1，R是氣體常數(shù)；由風(fēng)扇出口理想熵

ψψf,out f,out

)，計(jì)算風(fēng)口理想焓 h(T )；最后，根據(jù)公式ηhf,out,eihf,in計(jì)算風(fēng)扇出口f,out f,out

chf,outhfchf,out；由風(fēng)扇出口焓

f

)求風(fēng)扇出口總溫：T ③計(jì)算風(fēng)

f*f*f*f W

f (3-f

=1.01325

f④計(jì)算風(fēng)扇功和功求解風(fēng)扇出口參

lfhf,outhf (3-NW 對(duì)于以上模型已知發(fā)動(dòng)機(jī)飛H11km飛行馬Ma0.8的亞音速巡航點(diǎn)，導(dǎo)葉角度均設(shè)置為α=0°，風(fēng)扇的物理轉(zhuǎn)速為nf=0.95，風(fēng)扇的壓比函數(shù)值為zzf=0.5。求解過程中在算法方面，主要涉及到二維線性插值算法求得換算速度為nf,cor=1.0316時(shí)的風(fēng)扇的流量和效率，在解溫度與焓組成的方程時(shí)編寫了牛頓迭代的求對(duì)型的采了編集成（具體程序詳見附件問題一文件夾，通過求解即可得到風(fēng)扇的出口總溫、總壓以及流量如表3-1所示。3-1出口總溫*）出口總壓（*）出口流量*）CDFS模型建立與求解級(jí)CDFS 建立驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)CDFS模驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)CDFS能夠?qū)︼L(fēng)扇中出來的氣流進(jìn)行再次進(jìn)口截面的參數(shù)等于風(fēng)扇的出口截面的參數(shù)，具體建模過程如下所示：由物理轉(zhuǎn)速可計(jì)算驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí) 的換算轉(zhuǎn)速TTTT 和T*分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總溫 實(shí)際進(jìn)口總溫，CDFS的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總溫T f即可取風(fēng)扇的出口總溫為 f計(jì)算 的增壓比、效率和流量由于CDFS的增壓比prc、效率ηc和換算流量Wc分別是其換算轉(zhuǎn)速和壓比函數(shù)值及導(dǎo)葉角α的函數(shù)，如式3-12所示：prcpr(nc,cor,zz,α （3-WW ,zz,α 增壓比、效率和換算流量的具體求法如下：4CDFSCDFS的換算轉(zhuǎn)速為nc,cor、壓比函zz時(shí)的特性圖上的增壓比prc,map、效率ηc,map和換算流量Wc,map②將①求的特性圖上的增壓比prc,map、效率ηc,map和換算流量Wc,map代（3-10）修正后得到 的增壓比、效率和換算流量prC( 1)(1kprα)

WcCWWc,map(1100α (3-

k(1ηα)式中kpr、kw、kη分別是CDFS的增壓比、效率和換算流量的修正系數(shù)，這三個(gè)1，1，0.01；CDFS導(dǎo)葉角變化范圍：-5α35；并且CDFSCpr0.3059CW=0.1500Cη1.0999計(jì)算CDFS的出口參數(shù)：①CDFS出口總壓： p*pr c,out②計(jì)算CDFS出口理想總溫：T ：首先，計(jì)算c,out

ψ

，口焓： h(T*)；其次，由CDFS的出口理想熵 Rlnpr c,out 這里M1，R是氣體常數(shù)；由CDFS出口理想熵

ψc,out c,ψ

)，計(jì)算出口理想焓 h(T )；最后，根據(jù)公式ηhc,out,eihc,in計(jì)算CDFS出c,out c,out 焓 ；由CDFS出口焓 h(T*)求CDFS出口總溫：T **③**

W (3-

=3.5464

2

pc,inp④計(jì)算CDFS功和功CDFS

(3-N 對(duì)于以上模型已知發(fā)動(dòng)機(jī)飛H11km飛行馬Ma0.8的亞音速巡航點(diǎn)，導(dǎo)葉角度均設(shè)置為α=0°，CDFS的物理轉(zhuǎn)速為nf=0.95，壓比函數(shù)值為zzc0.5。求解過程中在算法方面，主要涉及到二維線性插值算法求得換算速度為nc,cor=1.0316時(shí)CDFS的流量和效率，在解溫度與焓組成的方程時(shí)編寫了牛頓迭代的2程序進(jìn)行求解，對(duì)模型和算法的融合采用了編程集成（具體程序詳見附firstquestion文件夾通過求解即可得CDFS的出口總溫、總壓以及流量如表3-2所示。3-2出口總溫（T）出口總壓（P）出口流量*）44中的其次，分別對(duì)進(jìn)氣道、風(fēng)扇以及驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)CDFS依據(jù)氣并且把模型轉(zhuǎn)換成語言與算法融合進(jìn)行求解較好的滿足了問題要3-3功問題二：雙涵模式下發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程組的求問題分析由于此問題中發(fā)動(dòng)機(jī)飛H11km，飛行馬赫數(shù)Ma0.8的亞音速巡航點(diǎn)，即此時(shí)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是采用的雙涵道模式，并且導(dǎo)葉角度設(shè)置為0°，選擇活門完全打開，具體結(jié)構(gòu)4.1所示。4.1原理進(jìn)行建模，列出7個(gè)平衡方程組成的非線性方程組，使其在發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作點(diǎn)雙涵模式下各部件模型建立一中已經(jīng)建立了的進(jìn)氣道、風(fēng)扇和CDFS的模型，在此不再重述，下面將分別對(duì)高高壓壓氣機(jī)模型建立口截面的參數(shù)等于CDFS的出口截面的參數(shù)，具體建模過程如下所示： (4- 式中，n為高壓壓氣機(jī)的實(shí)際物理轉(zhuǎn)速；T 和T*分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總溫 ch,in 實(shí)際進(jìn)口總溫，高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口總溫T 可取為288.15，實(shí)際進(jìn)口ch,in溫T*即可取CDFS的出口總溫為T* 由于CDFS的增壓比prch、效率ηch和換算流量Wch分別是其換算轉(zhuǎn)速和壓比函數(shù)值及導(dǎo)葉角αch的函數(shù)，如式4-2所示：η prchpr(nch,cor,zzchη ,zz （4- WW ,zz,α 高壓壓氣機(jī)增壓比、效率和換算流量的具體求①附4給出了高壓壓氣機(jī)的特性數(shù)據(jù)。利用線性插值法計(jì)算出高壓壓氣機(jī)的換算轉(zhuǎn)速nch,cor、壓比函數(shù)值z(mì)zch時(shí)的特性圖上的增壓比prch,map、效率ηch,map和換算流量Wch,map。②將①求的特性圖上的增壓比prch,map、效率ηch,map和換算流量Wch,map代（4-2）修正后得到高壓氣機(jī)的增壓比、效率k算流prC( ch

prα)1 (4-

kCηηch,map(1ηα式中kpr、kw、 分別是高壓壓氣機(jī)的增壓比、效率和換算流量的修正系數(shù)，這高壓壓氣機(jī)模型中Cpr0.9119CW=0.38462Cη1.0719。①高壓壓氣機(jī)出口總壓： pr ch,out②計(jì)算其出口理想總溫：T ：首先，計(jì)算ch,out

ψψ

口焓： h(T*)；其次，由出口理想熵 Rlnpr，這 ch,out M1，R是氣體常數(shù)；由出口理想熵

ψch,out ch,ψ

)，計(jì)算高壓壓理想焓： h(T )；最后，根據(jù)公式ηhch,out,eihch,in計(jì)算高壓壓氣ch,out ch,out 出口焓 ；由CDFS出口焓 h(T )求高壓壓氣機(jī)出口總溫：T ③計(jì)算高壓壓氣機(jī)***

W (4-

=4.8860

3

pp④計(jì)算高壓壓氣機(jī)功和功 (4- 3 主燃燒室模型建主燃燒室能夠把空氣流和燃油融合燃燒，提高氣流溫度。設(shè)主燃燒室的進(jìn)口總溫總溫

、總壓p*、空氣流量 的三個(gè)進(jìn)口截面參數(shù)為高壓壓氣機(jī)的出口面對(duì)應(yīng)參數(shù)；主燃燒室出口溫度T*4fh4h3h和hb ξbHu 主燃燒 焓，燃燒效率ξb=0.99，燃油熱值Hu 由hhHairfbHst，可算出主燃燒室出口溫度T* 1 Hair-0.30183674106 104T- T2 -3T- 10-6T4 10-9T5- 10-13T6 THst0.111525751060.31020206103T T2 e2T 5T4 109T5 12T61016T燃油流量WfWa3fb 3inp* 3in高壓渦輪模型建

，主燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù) =0.98、總壓高壓渦輪部件作用是使高溫氣流在其中膨脹做功，以帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)、總壓高壓壓氣機(jī)。高壓渦輪進(jìn)口總溫T

、渦輪的壓比函數(shù)值z(mì)z41、物轉(zhuǎn)速n41、渦輪導(dǎo)葉角度α41** 其中其中

=1850K高壓渦輪的增壓比pr41,c效率η41,c和換算流量W41,c分別是其換算轉(zhuǎn)速和壓比函數(shù)值及導(dǎo)葉角α41的函數(shù)。pr41,cprc(n41,cor,zz41,α41

, 41)

W ,zz,α 出渦輪的換算轉(zhuǎn)速為n41,cor、壓比函數(shù)值為zz41時(shí)的特性圖上的增壓比pr41,c,map、效率η41,c,map和換算流量W41,c,map②將①求的特性圖上的增壓比pr41,c,map、效率η41,c,map和換算流量W41,c,map（4-7）修正后得到增壓比、效率和換算流量： C( 1)(1prα)

k(1ηα)k41,pr、k41,w、 分別是高壓渦輪增壓比、效率和換算流量的修正系數(shù)，這三個(gè)1，1，0.01；高壓渦輪導(dǎo)葉角變化范圍：-5α4115，高壓渦輪變比系數(shù)Cpc1.5342,CW13.2121Cη1.0121。***

（4-

pp

高壓渦輪出口總壓

/高壓渦輪出口總溫T 根據(jù)公式（4-10）求出 T Cp/T 1145,out （4-T

41,in

其中高壓渦輪平均等壓比熱CP1.2988e+003，R為氣體常求高壓渦輪進(jìn)口焓 h(T*,f)，其中f為渦輪進(jìn)口油氣比 求高壓渦輪出口焓 h(T ,f)高壓 和功率

l45,Th41,in

（4-

45,T其中，ηm=0.99為渦輪機(jī)械效低壓渦輪模型建低壓渦輪部件作用是使高溫氣流在其中膨脹做功，由于該發(fā)動(dòng)機(jī)是雙機(jī)，低壓渦輪還要以帶動(dòng)前面級(jí)風(fēng)扇。低壓渦輪進(jìn)口總溫

、、總壓、總壓輪的壓比函數(shù)值z(mì)z44、物理轉(zhuǎn)速n44、渦輪導(dǎo)葉角度α44 其中其中

=1504.5K高壓渦輪的增壓比pr44,c、效率η44,c和換算流量W44,c分別是其換算轉(zhuǎn)速和壓比函數(shù)值及導(dǎo)葉角α44的函數(shù)。pr44,cprc(n44,cor,zz44,α44η

,α44

（4- W ,zz,α ①附4分別給出了低壓渦輪的特性數(shù)據(jù)。利用線性插值法計(jì)算出渦輪的換算轉(zhuǎn)速為n44,cor、壓比函數(shù)值為zz44時(shí)的特性圖上的增壓比pr44,c,map、效率η44,c,map和換算流量W44c,map。②將①求的特性圖上的增壓比pr44,c,map、效率η44,c,map和換算流量W44,c,map（4-13）修正后得到低壓渦輪的增壓比、效率和換算流量： C( 1)(1kprα)

W44,cCWW44,c,map(1100α

k(1ηα)k44,pr、k44,w、 分別是渦輪增壓比、效率和換算流量的修正系數(shù)，這三個(gè)值1，1，0.01；低壓渦輪導(dǎo)葉角變化范圍：-5α4115，低壓渦輪變比系數(shù)Cpr0.7902,CW0.3881,Cη1.0061。

44,in,d

（4-44,

pp

=11.3371渦輪出口總壓

/渦輪出口總溫T 根據(jù)公式（3-31）求出 T Cp/ 115,out （4-

TT 44,in 其中高壓渦輪平均等壓比熱CP1.2988e+003，R為氣體常求渦輪進(jìn)口焓 h(T*,f)，其中f為渦輪進(jìn)口油氣比 求渦輪出口焓 h(T ,f)渦和功率

l

（4-其中，ηm=0.99為渦輪機(jī)械效涵道模型建立

5,T如下圖4.2所示，涵道包括主涵道、副外涵道以及CDFS涵道4.2三種涵道的模型均為：已知涵道進(jìn)口總溫T*、總壓p*、流量 、總壓復(fù)系數(shù)σduct

T*T p

in 其中總壓恢復(fù)系數(shù)σduct0.98混合器模型建立

aT*內(nèi)涵氣流根據(jù)流量公式Wg61 61A61q(λ61)求出q(λ61)和λ61，其T*A5.3061e+003p*為內(nèi)涵出口總壓，T* T*外涵氣流根據(jù)流量公式Wg62 62A62q(λ62)求出q(λ62)和λ62，其T*A2.3212e+004p*為外涵出口總壓，T* 計(jì)算內(nèi)涵靜壓 p*π(λ)，計(jì)算外涵靜壓 p*π(λ) 由下列公式（4-19）求出混合器出口總溫T*、總壓p*、流量 。T g 是由（4-19）的第二個(gè)公式求出的。Wg61Wg62Wg h Wg61 g62 g6p*f(λ)AP*f(λ) p*f(λ)(AA （4- Wg6 6A6q(λ6 其中A6A61A62h6為后混合器出口h61為后混合器內(nèi)涵出口焓h62為后混合器外涵出口焓，Wg61為后混合器內(nèi)涵出口流量，Wg62為后混合器外涵出口流量，氣動(dòng)函f(λ)、q(λ)的定義見附錄3。加力燃燒室模型建立 P*6 W

T

（4-、T、 g6 g、T、

分別為總壓

分別為總溫，Wg

、g、分別為流量，σ6=1為總壓恢復(fù)系數(shù)尾噴管模型建立從加力燃燒室出來的氣體進(jìn)入尾噴管，可知尾噴管進(jìn)口總溫

*流量W7,g、大氣環(huán)境壓力p0，由于本文采取的是拉瓦爾噴管，則經(jīng)過此尾噴管7圖4.3計(jì)算尾噴管喉道面A8，出口面A9。假設(shè)尾噴管始終處于臨界或超臨界狀態(tài)，即速度系數(shù)λ8=1。T①由流量公式Wg8 8A8q(λ8)計(jì)算出A8Tpp，計(jì)算出π(λp/p*，并求出λ T③由流量公式Wg9 9A9q(λ9)計(jì)算出A9TA9ar（這里ar3），A3A 8算λ9計(jì)算尾噴管出口靜溫TT*τ(λ 尾噴管出口氣流速度

,其中：φnz0.98，焓h*和焓2h9 分別由尾2h9 雙涵模式下發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)建模與求解在4.2節(jié)中已詳細(xì)對(duì)該變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行了建模，其主要依據(jù)是發(fā)解，在此基礎(chǔ)上結(jié)合題中所A89.5544e+003，nL=0.85調(diào)節(jié)規(guī)律下，對(duì)發(fā)動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)處于飛行H11km，飛行馬Ma0.8的亞音速巡航點(diǎn)，基完整銜接的只需給出部件的出口參數(shù)即可，具體參數(shù)方程如表4-1所示。4-1進(jìn)口總溫：T1f1(H出口總溫：T2總壓恢復(fù)系數(shù)：σ1f3出口總壓P2T換算轉(zhuǎn)速： l 2壓比函Z導(dǎo)葉角：αprff4nl,corZf,αfηff5(nl,cor,Zf,αf換算空氣流量：Wf,corf6(nl,corZf,αf出口總溫：T21f7T2P2ηf,prf出口流量：Wff8Wf,cor,T2P2物理轉(zhuǎn)速：T換算轉(zhuǎn)速： 風(fēng)扇特性prcf10nh,corZc,αcηcf11(nc,cor,Zc,αc換算空氣流量：Wc,corf12(nc,corZc,αc出口總溫：T25f13T21P21,ηcprc出口流量：Wcf14(Wc,cor,T21P21風(fēng)扇消耗功Lcf15T21P21,ηcprc物理轉(zhuǎn)速：T換算轉(zhuǎn)速： 風(fēng)扇特性prhf16nh,corZh,αhηhf17(nh,cor,Zh,αh換算空氣流量：Wh,corf18(nh,corZh,αh出口總溫：T3f19T25P25ηhprh出口流量：Whf20(Wh,cor,T3P3風(fēng)扇消耗功Lhf21(T3P3,ηhprh燃燒效率：ηb總壓恢復(fù)系數(shù)：σbfbf22T3T4ηb主供油量：WfuWh出口燃?xì)饬髁浚篧thWhTnn h4prthf23(nh,corZth,αthηthf24(nth,cor,Zth,αth出口燃?xì)饬髁浚篧thf25(nth,cor,Zth,αth)出口總溫：T45f26T4prth,ηth)出口總壓P45f27P4prth Tnntl lprtlf28(ntl,corZtl,αtlηtlf29(ntl,cor,Ztl,αtl出口燃?xì)饬髁浚篧tlf30(ntl,cor,Ztl,αtl)出口總溫：T5f31T45prtl,ηtl)出口總壓P5f32P45prtl出口總溫：T125出口流量：W125W24出口面A125出口靜壓： P* 125出口總溫：T25出口面A225空氣流量：W15W125A15A125出口總溫：T61出口面A61出口總溫：T62出口總壓P62出口流量：W6W61燃?xì)饪倻兀篢9T8T7T6P9P8P7P6燃?xì)饬髁浚篧9W8W7W6出口靜壓：Ps9Ps0喉部面積（臨界條件下A8f41(W8P8,T8上述方程即為此變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)處于飛行高度H11km飛行馬赫數(shù)Ma的亞音航點(diǎn)的氣動(dòng)熱力學(xué)方程。問題中給出A89.5544e+003，nL=0.85，在此條件下還必須確定發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作方程，才發(fā)動(dòng)機(jī)的7個(gè)平衡方程如下：NCLNTLηmL （4-其中NCL是風(fēng)扇消耗功率，NTL是低壓渦輪發(fā)ηmL=0.99為中間軸機(jī)械效NCHNCDFSNTHηmH （4-NCH和NCDFS分別是高壓壓氣機(jī)和CDFS的消耗功率，NTH是高壓渦輪發(fā)ηmH=0.99是高速軸的機(jī)械效Wg41Wg41 （4-g11Wg45Wg45（4-其中，Wg45是低壓渦輪進(jìn)口截面流量，由主燃燒室出口氣體流量和冷卻空氣流量 是通過低壓渦輪特性數(shù)據(jù)線性插值得到的低壓渦輪流量，這里忽略冷卻的空氣流p61p62 （4-p61和p62分別是后混合器內(nèi)、外涵道（主外涵道）的靜壓，二者應(yīng)平衡。后混合 （4-其中A'為給定的尾噴管8截面的面積，這A'9.4575e+003、A為按附錄1 噴管的有關(guān)公式計(jì)算出的尾噴管8截面的面積，二者應(yīng)相Wa2Wa21Wa13 （4-其中，風(fēng)扇出口的流量Wa2分流為副外涵流量Wa13和CDFS進(jìn)口流量Wa21，三者之間應(yīng)存在平衡關(guān)系副外涵流量Wa13 方程（4- ）中的變量NCL,NTL,NCH,NCDFS, ,W' ,W',p,pA,W 各量可分別由表4-1g g g g a a 表4-2所列12個(gè)設(shè)計(jì)中需要給出的發(fā)動(dòng)機(jī)各部件參數(shù)的函表4-2αα基于遺傳算法解發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程組的可行遺傳算法提供了一種求解系統(tǒng)優(yōu)化問題的通用框架，它不依賴所研究問題的具;搜接近非線性、多約束、多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解目標(biāo)[5]。這些特點(diǎn)使得遺傳算法應(yīng)用于像研究一類的復(fù)雜工程問題時(shí)，能夠表現(xiàn)出非凡的計(jì)算能力[6]基于遺傳算法求解發(fā)動(dòng)機(jī)非線性方程組首先，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)7個(gè)共同工作方程（4-28~4-34，做如下簡(jiǎn)單處理，并ERR1|(NCL-NTL*ηmL)/NTL*ηmLERR2|(NCHNCDFS-NTH*ηmH)/NTH*ηmH

（4-（4-ERR3=|(Wg-Wg')/Wg' （4- ERR4| -Wg')/Wg' （4- ERR5|(p61-p62)/p62 ERR6|(A8-A')/A' ERR7|(Wa2-Wa21-Wa13)/(Wa21Wa13)

（4-（4-（4-7個(gè)共同工作方程轉(zhuǎn)換為如上誤差形式，可定為非線性方程組的約束條件，當(dāng)則進(jìn)一步定出全局評(píng)價(jià)函數(shù)為f，則有：fλ1ERR1λ2ERR2λ3ERR3λ4ERR4λ5ERR5λ6ERR6λ7 （4-當(dāng)f在遺傳算法求解過程中收斂為最小值時(shí)，可以認(rèn)為取到最優(yōu)解。其中λ1~為不同誤差的權(quán)重，由于各個(gè)變量為獨(dú)立變量，則可認(rèn)為各權(quán)重均相等。降低整個(gè)模型的計(jì)算效率[4]。本題所取的變量取值范圍、編碼長(zhǎng)度以及分辨率如下表4-3所示。其中k

1oN

P(X)ERRmaxERRXk(ERRmaxERRmin 由于本題的調(diào)節(jié)規(guī)A89.5544e+003，nL=0.85對(duì)應(yīng)的編碼長(zhǎng)度為80。并且本題屬于長(zhǎng)問題，對(duì)于此題來說，遺傳算法在計(jì)算時(shí)采用輪

Pc0.88,Pm0.01,Pd （4-接下來就是 2010b來實(shí)現(xiàn)編程，程序的具體實(shí)現(xiàn)流程如4.4差最小的一組，進(jìn)而得到飛行高度H11km，飛行馬赫數(shù)Ma0.8的亞音速巡航A89.5544e+003nL=0.85時(shí)，遺傳算法的自適應(yīng)度變化趨勢(shì)4.5求得的各個(gè)變量的值如下表4-4所示4-4變量名 求解結(jié) 根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理的理解，上面的數(shù)值在飛行高度H 11km，飛行馬赫問題分析由于此問題中發(fā)動(dòng)機(jī)飛行高H11km，飛行馬赫數(shù)均為Ma1的超針對(duì)問1中發(fā)動(dòng)機(jī)飛行H11kmMa1.5的超音速巡航度、高壓渦輪導(dǎo)葉角度均為0，后混合器面積2.8518e+004等變量均為已知，可以認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)時(shí)，求解幾何部件調(diào)節(jié)方式。本問題模型可參考問題二中對(duì)于問題2中發(fā)動(dòng)機(jī)飛行高H11km飛行馬赫數(shù)從Ma1.1變化Ma1.6，發(fā)動(dòng)機(jī)采用單涵道模式，選擇活門面積、風(fēng)扇導(dǎo)葉角度、高壓導(dǎo)葉角度、高壓渦輪導(dǎo)葉角度均為0，后混合器出口總面積設(shè)置為態(tài)建模與優(yōu)化的問題，本問題可以基于問題1的模型，使馬赫數(shù)設(shè)置為變量變化范圍為問題1由于發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行H11km，飛行馬Ma1.5的超音速巡航點(diǎn)，發(fā)到一定位置，就是涵道和混合器的變化，由于3.3、3.4、4.2節(jié)已經(jīng)對(duì)雙涵1涵道模型單涵模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作結(jié)構(gòu)如下圖5.1所示器關(guān)閉到較小位置，此時(shí)副外涵沒有氣流通過，CDFS涵道僅有少量氣流通過，已知主涵道進(jìn)口總溫T 、總壓 、流量 、總壓恢復(fù)系數(shù)

T

T

a （5-

225,inW其中總壓恢復(fù)系數(shù)σduct0.98

混合器模a a已知混合器兩股摻混氣流摻混前的總壓、總溫、流量、面積的條件下。計(jì)算過程如下T*內(nèi)涵氣流根據(jù)流量公式Wg61 61A61q(λ61)求出q(λ61)和λ61，其T*A5.3061e+003p*為內(nèi)涵出口總壓，T* 計(jì)算內(nèi)涵靜壓 p*π(λ) 由下列公式（5-2）求出混合器出口總溫T*、總壓p*、流量 。T*由（5-2）的第二個(gè)公式求出的。

Wg61Wg

g hWg61 g6p*f(λ)Ap*f(λ （5- p p*Wg6 6A6q(λ6*其中A6A61h6為后混合器出口h61為后混合器內(nèi)涵出口h62為后合器外涵出口焓，Wg61為后混合器內(nèi)涵出口流量，Wg62為后混合器外涵出口流

1 γ1 γ γ此模型是基于之前的部件模型的融合，可以參考4.3節(jié)雙涵模式下的整機(jī)模型，并且去掉其中的CDFS涵道和副外涵道，最后融入一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型，即可得到單涵模式下整機(jī)性能最優(yōu)模型。此處只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型進(jìn)行詳細(xì)闡述。FWgc9WaV(p9p0 （5-其中Wg是發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)細(xì)饬髁?，包括進(jìn)口空氣流量和燃油流量之和，Wa為總的空氣流量,V是飛行速度，可以根據(jù)VMa 求得，其中T是大氣靜溫，p9是尾噴管出口靜壓，p0是大氣環(huán)境靜壓，A9是尾噴管出口面積，r為氣體絕熱R這是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)性的重要指標(biāo)，公式如下：

FsFsfcF

（5-（5-其中WfF程組，可以把共同工作方程變換形式（式4-28~34）定為其中一種約束條件，又由發(fā)動(dòng)機(jī)處于單涵模式工作狀態(tài)，一般情況下處于狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)先考慮高機(jī)動(dòng)解的評(píng)價(jià)函數(shù)如下：①共同工作方程約束條件生成的約束條件參照式4-fmax(FS （5-以及分辨率如下表5-1所示。α其中k

1oN

P(X)ERRmaxERRXk(ERRmaxERRmin （5-Pc0.88,Pm0.01,Pd （5-接下來就是 2010b來實(shí)現(xiàn)編程，程序的具體實(shí)現(xiàn)流程如5.2所示差最小的一組，進(jìn)而得到飛行高度H11km，飛行馬赫數(shù)Ma1.1的亞音速巡航點(diǎn)，遺傳算法的求解此模型的自適應(yīng)度函數(shù)如下圖5.3所示。各個(gè)變量的值如下5-2變 名變 名 zzzFzzααα