基于部件级建模的航空发动机性能衰退仿真
发布时间：2021-11-11 12:30
发动机预测与健康管理（Prognostics and health management,PHM）作为一门新兴的工程学科,主要旨在检测,诊断和预测机械故障。但由于缺少实际系统故障相关数据集,学科的发展受到了阻碍。受C-MAPSS数据集的启发,本文提出对航空发动机进行数值建模,进而模拟性能衰退过程,为PHM分析提供数据材料,从而帮助航空公司发动机机队的管理科学化,明确化,提高运行管理效率,降低航空公司运营成本。依据航空发动机原理,使用MATLAB/Simulink对航空发动机进行部件级建模,其中引入变比热计算方法和特性图概念提高模型精度,再将模块连接起来,使用牛顿-拉夫逊法求得发动机共同工作条件,完成发动机整体建模。之后使用JT9D发动机数据对模型进行了验证在统计分析的基础上,使用新方法对特性图进行缩放,以获得更加准确的特性图数据,并在真实特性图的基础上对原始方法和新方法进行了比较,结果表明新方法在100%转速附近与实际情况更加接近。通过分析C-MAPSS数据集,提出了适用于该数据集的性能衰退加速模型,并与特性图缩放方法相结合,对发动机高压压气机的性能衰退进行了仿真,仿真结果与C-MAP...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文总体路线图
中国民航大学硕士学位论文14第2章航空发动机部件级建模2.1航空发动机基本工作原理目前应用于航空的燃气涡轮发动机主要有：涡轮喷气式发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等，其中涡轮风扇发动机可分为分开排气涡轮风扇发动机、混合排气涡轮风扇发动机、复燃加力混合排气涡轮风扇发动机等。本文研究目标为分开排气涡轮风扇发动机。2.1.1涡轮风扇发动机组成及工作过程图2.1为涡轮风扇发动机结构示意图，它主要由进气道、风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮、内涵尾喷管、外涵道及外涵尾喷管组成。图2.1涡轮风扇发动机结构示意图气流经由进气道进入涡轮风扇发动机，经过风扇对进入的气流进行压缩增压，然后分为两路，一路通过内涵道的低压和高压压气机，气流进一步被压缩增压，高压气体进入燃烧室燃烧加热，大幅提高气流温度。高温高压气体进入高压涡轮和低压涡轮膨胀作功，涡轮产生轴功率带动风扇和高低压压气机，流出低压涡轮的气体仍然具有较高的温度和压力，这部分气体进入内涵尾喷管膨胀加速，以较高速度排出，产生内涵推力。另一路气流通过外涵道流入外涵道喷管并在其中膨胀加速排出，产生外涵推力。涡扇发动机的推力由内外涵气流
中国民航大学硕士学位论文15共同产生。外涵空气流量与内涵空气流量之比成为涵道比，以B表示。通常用于干线客机的大涵道比设计涡扇发动机的推力主要来自于外涵气流。2.1.2发动机各部件特性2.1.2.1轴流压气机和风扇风扇/压气机是航空燃气涡轮发动机的重要部件，其作用是对流入的气体作功增压，以提高气体的压力。轴流式压气机结构如图2.1所示，其主要由静子和转子组成。其中转子由轮盘、轴和装在轮盘上的转动叶片组成，静子由机匣与静子叶片组成。图2.2轴流式压气机结构示意图用于描述压气机的主要性能参数包括：（1）增压比：风扇或压气机出口气流与进口气流总压之比，用符号表示。=（2-1）式中表示压气机出口气流总压，表示压气机进口气流总压。（2）效率：压气机效率反映压缩过程的完善程度。常用绝热效率表示，其定义为达到所需压比的等熵绝热压缩功和实际压缩功之比。=/（2-2）式中表示压气机所需等熵绝热压缩功，表示压气机实际压缩功。
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望[J]. 曹建国. 推进技术. 2018(05)
[2]基于改进牛顿法的航空发动机起动建模技术[J]. 姜波,王继强,何小龙,胡忠志. 航空发动机. 2018(01)
[3]一种航空发动机全状态性能模型[J]. 施洋,屠秋野,严红明,蒋平,蔡元虎. 航空动力学报. 2017(02)
[4]世界航空发动机发展趋势及经验[J]. 金伟. 中国工业评论. 2016(11)
[5]民航大涵道比涡扇发动机总体性能参数敏感性分析[J]. 赵军,付尧明,赖安卿. 计算机测量与控制. 2016(04)
[6]航空发动机组态建模技术研究[J]. 陶金伟,黄金泉,周文祥. 航空动力学报. 2010(10)
[7]压气机性能衰退和清洗恢复仿真研究[J]. 李冬,李本威,杨欣毅,邓斌. 计算机仿真. 2010(09)
[8]基于UML的航空发动机仿真建模研究[J]. 窦建平,黄金泉,周文祥. 航空动力学报. 2005(04)
[9]柴油机故障仿真计算与分析[J]. 罗红英. 内燃机工程. 2004(03)
[10]一种不需要迭代的发动机辅助变量建模方法[J]. 杨刚,孙健国,黄向华,苏伟生. 航空动力学报. 2003(02)
博士论文
[1]航空发动机及控制系统建模与面向对象的仿真研究[D]. 周文祥.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]压气机流量控制系统对航空发动机整机性能的安全性影响[D]. 赵福佳.中国民航大学 2018
[2]民航大涵道比涡扇发动机稳态模型建模及其修正技术研究[D]. 旷典.中国民用航空飞行学院 2018
[3]涡扇发动机部件级建模与起动控制技术研究[D]. 姜波.南京航空航天大学 2018
[4]民用大涵道比涡扇发动机建模与控制研究[D]. 焦洋.南京航空航天大学 2016
[5]发动机核心机建模及控制规律仿真研究[D]. 梁海.南京航空航天大学 2016
[6]涡扇发动机的建模与切换控制[D]. 赵春浩.大连理工大学 2015
[7]先进涡轴/涡桨发动机总体性能设计研究[D]. 刘婧妮.南京航空航天大学 2015
[8]航空发动机模型组态与修正技术研究[D]. 俞明帅.南京航空航天大学 2012
[9]航空发动机全状态建模技术研究[D]. 张键.南京航空航天大学 2009
本文编号：3488860
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文总体路线图
中国民航大学硕士学位论文14第2章航空发动机部件级建模2.1航空发动机基本工作原理目前应用于航空的燃气涡轮发动机主要有：涡轮喷气式发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等，其中涡轮风扇发动机可分为分开排气涡轮风扇发动机、混合排气涡轮风扇发动机、复燃加力混合排气涡轮风扇发动机等。本文研究目标为分开排气涡轮风扇发动机。2.1.1涡轮风扇发动机组成及工作过程图2.1为涡轮风扇发动机结构示意图，它主要由进气道、风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮、内涵尾喷管、外涵道及外涵尾喷管组成。图2.1涡轮风扇发动机结构示意图气流经由进气道进入涡轮风扇发动机，经过风扇对进入的气流进行压缩增压，然后分为两路，一路通过内涵道的低压和高压压气机，气流进一步被压缩增压，高压气体进入燃烧室燃烧加热，大幅提高气流温度。高温高压气体进入高压涡轮和低压涡轮膨胀作功，涡轮产生轴功率带动风扇和高低压压气机，流出低压涡轮的气体仍然具有较高的温度和压力，这部分气体进入内涵尾喷管膨胀加速，以较高速度排出，产生内涵推力。另一路气流通过外涵道流入外涵道喷管并在其中膨胀加速排出，产生外涵推力。涡扇发动机的推力由内外涵气流
中国民航大学硕士学位论文15共同产生。外涵空气流量与内涵空气流量之比成为涵道比，以B表示。通常用于干线客机的大涵道比设计涡扇发动机的推力主要来自于外涵气流。2.1.2发动机各部件特性2.1.2.1轴流压气机和风扇风扇/压气机是航空燃气涡轮发动机的重要部件，其作用是对流入的气体作功增压，以提高气体的压力。轴流式压气机结构如图2.1所示，其主要由静子和转子组成。其中转子由轮盘、轴和装在轮盘上的转动叶片组成，静子由机匣与静子叶片组成。图2.2轴流式压气机结构示意图用于描述压气机的主要性能参数包括：（1）增压比：风扇或压气机出口气流与进口气流总压之比，用符号表示。=（2-1）式中表示压气机出口气流总压，表示压气机进口气流总压。（2）效率：压气机效率反映压缩过程的完善程度。常用绝热效率表示，其定义为达到所需压比的等熵绝热压缩功和实际压缩功之比。=/（2-2）式中表示压气机所需等熵绝热压缩功，表示压气机实际压缩功。
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机仿真技术研究现状、挑战和展望[J]. 曹建国. 推进技术. 2018(05)
[2]基于改进牛顿法的航空发动机起动建模技术[J]. 姜波,王继强,何小龙,胡忠志. 航空发动机. 2018(01)
[3]一种航空发动机全状态性能模型[J]. 施洋,屠秋野,严红明,蒋平,蔡元虎. 航空动力学报. 2017(02)
[4]世界航空发动机发展趋势及经验[J]. 金伟. 中国工业评论. 2016(11)
[5]民航大涵道比涡扇发动机总体性能参数敏感性分析[J]. 赵军,付尧明,赖安卿. 计算机测量与控制. 2016(04)
[6]航空发动机组态建模技术研究[J]. 陶金伟,黄金泉,周文祥. 航空动力学报. 2010(10)
[7]压气机性能衰退和清洗恢复仿真研究[J]. 李冬,李本威,杨欣毅,邓斌. 计算机仿真. 2010(09)
[8]基于UML的航空发动机仿真建模研究[J]. 窦建平,黄金泉,周文祥. 航空动力学报. 2005(04)
[9]柴油机故障仿真计算与分析[J]. 罗红英. 内燃机工程. 2004(03)
[10]一种不需要迭代的发动机辅助变量建模方法[J]. 杨刚,孙健国,黄向华,苏伟生. 航空动力学报. 2003(02)
博士论文
[1]航空发动机及控制系统建模与面向对象的仿真研究[D]. 周文祥.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]压气机流量控制系统对航空发动机整机性能的安全性影响[D]. 赵福佳.中国民航大学 2018
[2]民航大涵道比涡扇发动机稳态模型建模及其修正技术研究[D]. 旷典.中国民用航空飞行学院 2018
[3]涡扇发动机部件级建模与起动控制技术研究[D]. 姜波.南京航空航天大学 2018
[4]民用大涵道比涡扇发动机建模与控制研究[D]. 焦洋.南京航空航天大学 2016
[5]发动机核心机建模及控制规律仿真研究[D]. 梁海.南京航空航天大学 2016
[6]涡扇发动机的建模与切换控制[D]. 赵春浩.大连理工大学 2015
[7]先进涡轴/涡桨发动机总体性能设计研究[D]. 刘婧妮.南京航空航天大学 2015
[8]航空发动机模型组态与修正技术研究[D]. 俞明帅.南京航空航天大学 2012
[9]航空发动机全状态建模技术研究[D]. 张键.南京航空航天大学 2009
本文编号：3488860
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