民用涡扇发动机结构与建模分析研究.pdf

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1、第4卷第4期2013年11月航空工程进展ADVANCES1NAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGV01．4NO．4NOV．2013文章编号：1674—8190(2013)04450～08民用涡扇发动机结构与建模分析研究雷杰，苏三买，周顾庭，李适(西北工、肚大学动力与能源学院，西安710072)摘要：数学模型是航空发动机性能仿真与控制系统设计的重要技术基础，针对民用涡扇发动机建模需求，以广泛使用的大涵道比涡扇发动机为研究对象．参考国外经验并结合理论分析，进行与整机建模相关的发动机主要部件结构特

2、点和部件建模方法研究，给出发动机大风扇特性分解方法，分析空气引气系统、压气机稳定性控制系统、涡轮叶尖间隙控制系统、反推力装置等系统的结构和建模方法，以期为民用大涵道比涡扇发动机整机建模提供技术支持。关键词：大涵道比涡扇发动机；结构特点与数学模型；导Ⅱf‘与稳定性；空气系统；涡轮叶尖间隙；反推力装置中图分类号：V235．13文献标识码：AInvestigationofCivilTurbofanStructureandComponentsModelingI。eiJie，SuSanmai，ZhouGuting，LiShi(Sc

3、hoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)0引言大涵道比涡扇发动机具有耗油率低、污染低、噪声低、推力范围大等优点，通常被选为民用飞机动力装置。国外GE／SNECMA、PW／MTU、R·R、CI—AM／PERM等公司系列化研制了多个型号的大涵道比涡扇发动机，几乎垄断了民用飞机市场。为了收稿日期：201212—14；修回日期：2013-02—06基金项目：航空科学基金(2013ZB53019)航空推进技术验证计划(AP

4、TD201201)通信作者：苏三买，8495472@sina．com更好地满足民用飞机市场对发动机安全性、经济性、环保性等要求，上述公司在民用飞机发动机上采用大量先进技术并投入工程应用，如长尺寸抗震风扇叶片、复杂空气系统、压缩系统主动稳定性控制、涡轮叶尖主动间隙控制、先进反推力装置、低排放燃烧及噪声抑制等，同时发动机采用全权限数字电子控制系统(FADEC)，更加高效、节能、环保。要建立准确的发动机模型，需要研究发动机与建模有关的结构及其特征。目前国内外发表了大量关于该类发动机结构分析的文献，但大多侧重设计特点、材料、适航

5、、制造等分析；关于发动机部件特点分析方面，S．B．Lattime、K．J．Melcher等r1‘33研究了涡轮问隙及其控制技术，W．P．J．Visser、J．Yin等[4’51～一一一一一一～一～～一一～～一～

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10、一舱一～第4期雷杰等：民用涡扇发动机结构与建模分析研究451研究了大风扇设计与仿真、H．Y．Chang等[6]、D．J．Strash等‘7I、TashfeenMahmood等[8

11、、LuisGustavoTrapp等』1研究了反推力装置的结构以及工作特点，采用不同方法对反推力装置进行了数值计算等，以上文献均没有系统地对与建模相关的发动机结构特点进行分析。国内以往侧重军用小涵道比混合排气涡扇发动机建模，对民用飞机发动机建模和仿真技术积累较少，尤其是对直接影响民用飞机建模的发动机结构特点与计算方法分析甚少，钱德峰等Elo]综

12、合建立了民用涡扇发动机模型，仅考虑涡轮叶尖间隙变化影响，李刚团[11]给出民用涡扇发动机动态性能模拟，但未对与发动机具体结构有关的部件建模方法进行分析。目前，国内开展的大型飞机配套大涵道比涡扇发动机研发，缺乏比较通用的发动机性能仿真与控制系统设计所用模型。本文不针对具体型号发动机，仅对与发动机整机建模相关的发动机部件结构特点及部件建模方法进行分析研究，重点分析大风扇、空气引气系统、压气机稳定性控制等关键部件，可为民用飞机发动机整机建模奠定技术基础。1民用涡扇发动机结构和设计特点大涵道比涡扇发动机是涵道比超过4的发动机，按

13、结构类型主要分为双转子和三转子两种，其推力级可分为小推力(90～135kN)、中等推力(170～190kN)、稍大推力(230～260kN)、大推力(310～320kN)、特大推力(330～427kN)[1引。在结构上，双转子发动机风扇和中压压气机同时由低压涡轮驱动，而三转子发动机比双转子发动机多了中压涡轮部件，并由