基于类层次对象的发动机特性计算研究

作者：空军工程大学 肖秦汉 白振兴

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 摘要： 基于面向对象分析与设计的思想，将发动机特性计算的仿真模型概括为部件、工质流、流动 关系3个层次，并将这种层次关系表达为类属层次结构。通过一个涡扇发动机特性计算的实 例，验证了这种建模方式的可扩充能力和重用性。 关键词：发动机特性计算；仿真；面向对象；类层次对象 1 引言 为了在发动机的研制、使用、维护和改进改型等阶段准确了解发动机性能，必 须对发动 机性能有一个全面的、正确的评定。发动机性能评定的基本原理是获得燃气的热力性质（如 焓函数、熵函数）与燃气状态参数（燃气温度、油气比、压比等）之间的确定关系和发动机 各部件之间的物理联系，在发动机各部件特性已知的基础上，寻找发动机各部件的匹配工作 点，进行发动机特性计算，从而获得发动机的性能参数，主要包括以下几个方面的任务： （1）计算发动机全飞行包线范围内的飞行特性（包括全加力状态、部分加力和小 加力状态、最大状态、节流状态）。 （2）计算发动机的温度修正系数、湿度修正系数和燃油热值修正系数。 （3）计算发动机地面台架节流特性。 （4）计算任意状态下发动机性能。 获得发动机性能参数的方法有多种途径，在实际应用中，发动机特性经常采用仿真计算方 法获得。这种计算方法，是在已知各个主要部件特性的基础上进行的，其流路计算方法通常 采用顺算法［1］，工质流从发动机进口流入，顺次通过各部件，最终从出口流出 。在此过程中，发动机各部件的属性和工质流的属性都在不断变化，这个变化关系应符合一 定条件或某仿真算法。 目前采用的发动机性能评定的建模仿真，通常是面向过程的，根 据具体计算任务情况，分 别编写各个部件和工质流的计算子程序，再依据一定的计算任务要求编制主程序进行计算。 这种方法可读性差，不能方便地重用已有的源代码，一旦计算任务改变，不利于快速建立 可通用的仿真模型。针对这个问题，本文从部件、工质流、仿真算法3者的自身属性以及相 互关系出发，对发动机性能评定的问题进行了面向对象的分析与设计，得到了发动机特性计 算的仿真对象模型。 2 特性计算仿真的类属层次结构 为概括各种特性计算仿真的共性，将仿真中的各种计算任务概括为既相互联系又有明确分 工的3个层次：部件计算、工质流计算和流动关系计算［2,3］。其中，部件计算以单 个部件 的特性为依据，根据该部件的已知参数求解其他未知参数，如根据压气机的转速、压比求解 流量和效率等。部件计算仅局限于单个部件内部而不涉及部件间的相互影响，因此可以将各 个部件的特性很好地封装起来。工质流计算定义工质流的属性诸如油气比、绝热指数、焓值 、熵值等，沿流路通过各个部件时的变化情况，仅考虑工质流而不考虑部件等其他因素，所 以也可以将工质流的属性进行封装。流动关系计算将部件计算、工质流计算联系起来，部件 计算通过一定的流动关系控制工质流计算，同时工质流计算的结果也作为部件计算的必要参 数传递给部件，实际仿真计算时这3个层次的计算任务是交替进行的。因此流动关系计算也 可以认为是一种仿真算法，基于这种算法，部件属性和工质流属性不断联系和变化。 根据特性计算仿真的层次结构，可以概括出一个仿真类属框架［4］。首先 为这3个层次的计算抽象出概括的基类，然后从这些抽象基类出发，根据不同的情况进行继 承和扩展得到不同抽象层次的子类，例如：由部件基类CPart派生出燃烧室类CBur，转子类C Rotor，管道类CDuct。燃烧室类又可以派生主燃烧室类和加力燃烧室类；转子类派生涡轮类 CTurb和压气机类CCom；压气机类派生高压压气机类、风扇类，而涡轮类派生出高压涡轮类 和低压涡轮类；管道类派生喷管类CNoz，混合器类CMix，进气道类CInlet等。由工质流基类 CFluid派生出空气类CAir和燃气类CGas。由流动关系基类CFlow派生出顺算法类CSeq，逆算 法类CInv，容积效应法类CVol；顺算法类又可以派生匹配工作点法类CMPoints等。部件类和 工质流类通过流动关系类自身的方法联系起来。仿真的类属层次结构如图1所示，“目”字 形方框代表类，包括类名、属性和方法，纵向线段表示类的继承和派生关系，横向线段代表 类之间的联系。 由图1根据实际情况，可以派生出需要的类别，就部件类而言，可以用 于单轴涡喷、双轴涡喷、双轴分开排气涡扇、双轴混合排气涡扇以及他们的加力型发动机等 不同类型的发动机；就工质流类而言，可以用于空气压缩机、燃气轮机等不同转动机械；就 流动关系类而言，可以适应顺算法、逆算法、容积效应法等不同方法。下面以采用顺算法的 双轴混合排气涡扇发动机为例，结合性能评定中具体的特性计算任务，介绍具体的建模仿真 实现过程。 3 双轴混排涡扇发动机的仿真对象模型 在双轴混排涡扇发动机的性能评定中，希望实现以下功能：进行发动机部件特性 计算和工质流热力计算，包括风扇（低压压气机）、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压 涡轮、混合器、加力燃烧室、喷管等特性计算和空气、燃气的热力计算；在部件特性计算的 基础上，执行各种发动机特性的计算任务，例如飞行特性计算、地面台架节流特性计算等。 整个计算过程不仅需要输入各部件的已知特性数据，还要把计算结果通过文件或屏幕显示方 式输出。 首先派生出各个部件类，应当有进气道类CInlet，压气机类CCom，涡轮类CTurb，燃烧 室类CBur，喷管类CNoz，混合器类CMix，外涵类COduct。各个类的属性和方法见表1。然后 定义空气类CAir，燃气类CGas。再定义流动关系类CFlow，使用CFlow的派生类匹配工作 点法类CMPoints。在CMPoints中主要定义了类的方法，即工质流与部件的联系方法，对于匹 配工作点法而言，联系方法的核心就是匹配工作方程［3］。满足匹配方程的部件属性将用来计算工质流的流动情况，从而得到发动机的特性。为了计 算简便，把一些常用的计算函数也封装在同一个类中，诸如插值函数、非线性方程求解、矩 阵方程求解等，这样在进行上述计算时，就可以通过声明一个该类成员来直接调用这些函数 。 4 算例 使用上述对象模型对某型双轴涡扇发动机进行特性计算，仿真采用涡扇发动机非线性数 学模型［3］，各个部件的特性已知，以数组方式存储、输入。考虑了进排气压损、 压气机抽 气及涡轮冷却等因素，同时假设：不考虑进气畸变对发动机的影响；内涵向外涵无燃气泄漏 ；内涵向外涵不传递热量；内、外涵在混合器前的气流静压相等。流路计算采用简便的顺算 法，系统状态计算采用常用的欧拉法，匹配工作点的求取采用牛顿n＋1点残量法［ 3］，用C＋＋语言编程实现。图2给出了该发动机最大工作状态时飞行特性计算中 推力、耗油率随高度－速度变化的情况。 5 结语 将发动机特性计算仿真定义为部件计算、工质流计算、流动关系计算3个层次，并将这 种层次关系概括为类属层次结构，从而得到了特性计算的仿真对象模型。这种建模方法体现 了面向对象的抽象与多态的思想，低耦合、高内聚使得部件特性在充分表达的同时又不失各 个层次互相联系的便捷，基于此思想，对于不同情况可以进行不同的层次概括，从而得到不 同的对象模型。 值得注意的是，面向对象的建模方法仅改变仿真数学模型在具体计算的表达方式，而不 会对原问题的逼真度和收敛特性造成任何影响,而代码的可重用性可大大加强，当由于不 同特性仿真问题提出不同的精度和速度要求时，只需在已有类别基础上进行修改即可实现不 同部件的建模和数值计算方法的调整。 参考文献 ［1］Drummond C K,Follen G J,Cannon M.ObjectedOriente d Technology for Compressor Simulation.AIAA 2004，94-3095. ［2］谢志武,苏明,翁史烈.可扩展的燃气轮机仿真对象模型［J］.航 空动力学报,1999，14(2). ［3］童凯生.航空涡轮发动机性能变比热计算方法［M］.北京：航空 工业出版社，1991. ［4］宛延.C++语言和面向对象程序设计［M］.北京：清华大 学出版社,1999. ［5］Curlett B P, Felder J L.Object-Oriented Approach fo r Gas Turbine Engine SimulationNASA TM 106970,1995.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/5/2006)