飞机发动机一体化设计及性能研究

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　　摘   要：随着科学技术的飞速发展，大量的高科技技术应用于实际的飞机发动机上，提升整个飞机飞行的稳定性以及安全性，同时也增加了整个飞机的客运量。近年来随着经济的全球化，各个国家之间的货运量正在不断上涨，提高飞机发动机一体化设计水平具有十分重要的意义。本文针对飞机发动机一体化设计建模分析思路研究、飞机发动机性能一体化设计分析、基于飞机发动机性能一体化的发动机控制规律优化设计几个方面进行了详细阐述，为实际的飞机发动机一体化设计及性能提高提供一定的工程参考价值。
　　关键词：飞机发动机  一体化  设计  性能  优化
　　中图分类号：V233.7                                文獻标识码：A                         文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0006-02
　　随着我国经济的发展，过去的几十年里全球的客运量呈一个逐年递增的模式，每年的发展模式呈一个稳定的上升趋势。根据相关调查汇总，从1967—2012年每年全年的航空旅客量分布图如图1所示。从图上显示的数据可以看出，很多知名航空公司如波音和空客公司相关负责人对未来的航空旅客量进行了初步预测，即每年的空运旅客量将会以5%的速度不断上升，所以在未来的几十年里，飞机所蕴藏的巨大商业价值以及市场经济价值是很明显的。飞机发动机中不仅蕴含着巨大的商业价值同时发动机中所包含的传热学以及结构力学和计算机技术也会得到相应的发展和进步，飞机发动机包含了很多先进的技术系统，同时将现代的互联网运用到未来的飞机运行中已是大事所趋，设计和研发先进的飞机发动机系统对于提高飞机的高效稳定运行具有十分重要的工程价值。
　　1  飞机发动机性能模拟研究思路
　　在发动机的总体性能模拟研究中，当确定整个飞机的升阻力的情况下需要根据系统的分析方法根据飞机的发动机的运行功率以及飞机的巡推力的大小，根据系统分析的方法可以确定飞机在每一个飞行任务阶段的油耗消费情况等，根据相关数据可以推算出飞机在起飞时的最大起飞重量，根据最大起飞重量可以确定飞机发动机的初步设计方案。根据系统设计方法中的约束分析方法确定飞机起飞时的起飞推重比和飞机两侧的机翼载荷，运用系统分析方法可以完善飞机的各个飞行阶段的油耗需求，从而准确地确定飞机起飞时的最大起飞重量，从而完成飞机的推力需求，为后面的飞机发动机总体方案设计奠定坚实的基础。
　　飞机的约束分析方法是根据飞机在飞行的过程中假设其升阻力是一定的，可以根据飞行力学相关计算方程计算飞机在不同运行阶段下的起飞推重比和其他的相关设计参数，飞机在飞行飞过程中，其主要的控制方程可以写为如下：
　　根据飞机的水平等速巡航、等速爬升、水平加速、加速爬升、水平等速盘旋、实用升限以及起飞滑跑等设计参数确定飞机的约束能力。接下来确实飞机的任务分析能力，飞机的任务分析能力是指飞机在各个任务阶段的燃油耗量，从而可以确定飞机起飞时的最大重量。在任务分析中需要结合飞机在全飞行过程中的油耗量将约束分析分为具体的八个阶段，比如飞机中的取暖机、飞机在运行时的起滑跑以及飞机在空中等速飞行等，根据每一个阶段的任务不同，飞机飞行的状态也会不一样，从而得到飞机最大燃油重量与有效荷载飞行的航程图，可以得到飞机在不同的有效荷载下其燃油经济性能最佳点及起飞重量最低的发动机总体性能方案。整个飞机的建模分析思路如图2所示。
　　2  飞机发动机性能一体化设计分析
　　飞机在飞行过程中其飞行力量是不断变化的，根据前面介绍的一体化设计思路中的分析方法及任务分析的数学模型结合每个发动机的不同升阻特性，对飞机发动机进行一体化设计，找出设计的初选点，从而为飞机发动机的高效运行提供一定的基础。
　　结合飞机的飞行成本以及整个飞机发动机的设计角度，发动机需要选择具有较小推重比以及较大翼载荷的，在任务分析阶段得到了各个起航任务阶段燃油的消耗比和飞机的起重比，根据任务分析中得到的发动机的设计点循环参数以及飞机机翼本身几何的设计参数初值，对飞机的主要几何参数进行飞机发动机的一体化设计。从而可以得到飞机发动机的设计点总压比整个飞机发动机的节流比。飞机的基本设计参数主要包括机翼面积以及展弦比、前后掠角等。飞机的机翼面积可以在飞机发动机的初步设计中进行确定，但是仍然需要根据不同的飞机结合其自身的情况对其进行合适的范围选择。根据前述的任务分析法可以确定飞机的主要几何参数如飞机机身的计算长度和飞机机翼的延展长度，从而进一步可以飞机飞行的升阻特性等。
　　3  飞机发动机性能一体化的发动机控制规律优化研究
　　发动机的节流比对整个飞机发动机性能具有重要的影响。发动机的节流比是指飞机的发动机的最大涡轮温度与地面设计点的涡轮温度之比。为了能够准确获得飞机在高空飞行的速度数据相关特性，在现代设计过程中一般需要将将飞机的节流比设计成大于1的形式。在实际的设计过程中一般选用节流比为1.03、1.05、1.07、1.08的四个状态值，研究不同的发动机节流比对飞机发动机的性能具有十分重要的影响，结合不同的节流比对飞机的涡轮发动机进行性能的对比分析，从而可以确定最佳的节流比值，从而为发动机的高效运行奠定基础。
　　4  结语
　　本文对飞机发动机的一体化性能方面进行了详细分析和阐述，得到了飞机主要几何参数设计选择规律，对新一代飞机发动机的一体化设计具有重要的工程意义。增大飞机的节流比，可以扩大飞机的设计约束飞行能力，从而提高飞机降落在可行域的范围内。对于不同的飞机发动机选择恰当的节流比能够有效扩大飞机的设计约束可行域，从而可以有效地降低飞机的运行成本，同时也提高了飞机运行的安全性。
　　参考文献
　　[1] 宋文艳，孟乒乒，柴政.基于飞机发动机性能一体化的发动机控制规律优化设计方法研究[J].推进技术，2018，39（12）：2660-2669.
　　[2] 宋江涛.通用飞机发动机一体化试验平台的设计与应用[J].燃气涡轮试验与研究，2017，30（1）：25-27，51.
　　[3] 于哲慧.民用飞机发动机一体化气动设计相关技术初探[J].民用飞机设计与研究，2015（4）：1-4，12.
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