[發明專利]面向喘振檢測和消喘控制驗證的仿真模擬方法

有效

• 申請號: 202011273085.2
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112594062B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 張興龍;張天宏;袁元;盛漢霖;黃向華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F02C3/04
• 分類號: F02C3/04;F02C7/00;F04D27/00;F04D27/02;G06F30/20
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 嚴海晨

1.面向喘振檢測和消喘控制驗證的仿真模擬方法，其特征是包括以下步驟：

1)建立航空發動機部件級實時模型；

2)模型間的耦合；

3)喘振檢測算法的驗證；

4)退喘控制的驗證；

所述步驟1)所述建立航空發動機部件級實時模型，包括：

步驟1-1，根據渦輪風扇發動機的構造和功能，沿發動機進氣流程設計包括進氣道、風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管和外涵道；渦輪包括高壓渦輪和低壓渦輪；

步驟1-2，依次用非線性方程完成上述各部件的氣動熱力計算，建立反映發動機穩態工作過程中各部件共同工作關系的控制方程并求解；

步驟1-3，建立反映發動機動態工作過程中各部件共同工作關系的控制方程并求解，實現根據氣動熱力學過程推算發動機的工作狀態參數；

所述步驟2)采用壓氣機變轉速MG3模型與所述部件級實時模型耦合，得到含進退喘模擬的部件級模型；

所述步驟3)所述喘振檢測算法的驗證，即在選定時刻分別調整壓氣機變轉速MG3模型的參數B，控制所述部件級實時模型的進喘與退喘；待驗證喘振檢測算法根據解算后的發動機模型的壓氣機出口流量、總壓與靜壓的信號脈動信號進行判定，若檢測出的進退喘時刻與設定的進退喘時刻相符，即可驗證該喘振檢測算法有效；

所述步驟4)所述退喘控制的驗證，根據步驟2)的模型耦合關系，退喘控制將影響部件級實時模型的運行參數，進而影響壓氣機變轉速MG3模型的參數B，實現發動機實時模型的退喘過程模擬；對于每個壓縮系統均存在一個理論臨界值B_cr，當B＞B_cr時系統發生喘振，B＜B_cr時退喘，發動機各參數恢復至正常水平；退喘控制包括切油、減小壓氣機VSV角度、打開放氣活門，切油即將燃油量快速減小至避免熄火的最小限制油量。

2.根據權利要求1所述的面向喘振檢測和消喘控制驗證的仿真模擬方法，其特征是所述部件級實時模型的建立，基本假設包括：忽略部件熱慣性；氣體在發動機中的流動按一維流動處理。

3.根據權利要求1所述的面向喘振檢測和消喘控制驗證的仿真模擬方法，其特征是步驟1-1至1-3中，依次通過高壓渦輪進口流量連續、高壓轉子功率平衡、低壓渦輪進口流量連續、低壓轉子功率平衡、內外涵出口靜壓平衡和尾噴管喉道總壓平衡作為約束條件，進行迭代計算，得到全包線范圍內模擬發動機的動態和穩態特性。

4.根據權利要求1所述的面向喘振檢測和消喘控制驗證的仿真模擬方法，其特征是所述壓氣機變轉速MG3模型，是在經典MG3模型基礎上，考慮旋轉失速高階諧波轉子動態特性的影響，進一步提高模型精度，以如下的4個微分方程描述：

其中，Φ為平均流量系數；Ψ為壓力系數；J_n為旋轉失速導致的無因次流量擾動的第n次諧波的振幅平方；ξ為無量綱時間；l_c為壓氣機的無量綱長度；H、W為壓氣機三次軸對稱特性曲線的半高和半寬；ψ_c0為壓氣機軸對稱特性曲線0流量處對應的壓升；l_E為壓氣機出口管道無量綱長度；Φ_T為節流閥特性；U_d為轉子指令周向轉速；Γ為無量綱扭矩；a為壓氣機內部滯后系數；m為出口管道流道參數；μ為壓氣機內氣體黏性系數；m_B為與參數B相關的常量，按經驗取值；b、Λ₁、Λ₂為自定義常量，定義分別如下：

其中，a_s為當地聲速；V_P為壓氣機后容腔容積；A_C為壓氣機出口截面面積；L_C為壓氣機出口到燃燒室進口的長度，R為轉子平均半徑，I為轉子的轉動慣量，ρ為壓氣機出口空氣密度；

參數B決定壓縮系統失速失穩類型：

其中，U為轉子周向速度。

5.根據權利要求4所述的面向喘振檢測和消喘控制驗證的仿真模擬方法，其特征是所述壓氣機變轉速MG3模型與部件級實時模型耦合，具體為：

步驟2-1，壓氣機變轉速MG3模型根據指定轉速計算出動態失速過程壓縮系統的壓力系數和流量系數；考慮到發動機喘振時內部流動狀態表現為通過系統的流量和壓力在發動機軸向上作低頻脈動，根據轉子轉速的動態過程，將壓氣機變轉速MG3模型的壓力系數和流量系數和部件級實時模型中壓氣機部件的流量與出口壓力參數建立聯系如下：

其中ρ為壓氣機出口空氣密度，C_X為軸向速度也即壓氣機出口氣體流速，U為轉子周向速度，A_C為壓氣機出口截面面積，P_S為壓氣機出口總壓，P_T為壓氣機進口總壓；

步驟2-2，根據壓氣機變轉速MG3模型的壓力系數與流量系數直接解算出部件級實時模型壓氣機實際出口壓力和流量后，進行記錄但不參與后續部件級實時模型的計算；

步驟2-3，采用滑動窗口平均的方法對壓力系數與流量系數進行平滑濾波，再次解算出壓氣機實際出口壓力和流量，代入部件級實時模型后續部件的熱力計算以及動態共同工作方程求解。