吸雨工况下的涡扇发动机性能仿真平台优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空发动机设计领域，尤其涉及一种吸雨工况下的润扇发动机性能仿 真平台优化方法。
【背景技术】
[0002] 飞机在飞行途中由于气象条件的变化，导致发动机进口可能吸入大量的雨水。该 将会改变压气机、燃烧室、润轮和喷管的工作状态，并可能造成发动机媳火、喘振、机械损 坏，甚至严重的推力损失。在航空飞行史上曾多次发生由于飞机吸雨导致的严重空难。因 此美国联邦航空局（FAA)和欧洲航空安全局（EASA)均颁布了关于吸雨的适航法规，对极端 雨量环境下发动机的性能和结构强度完整性提出了安全要求。
[0003]目前已有的通用发动机性能仿真平台主要提供的是基于正常环境下的发动机性 能仿真功能，该样的通用发动机性能仿真平台在进行发动机初步设计阶段由于未考虑到雨 水环境下对平台的影响，致使难W对发动机实际的吸雨性能进行准确的、高可信度的评估 分析，评估结果也难W支撑适航取证的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台优化方法，能够 对吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台参数进行优化，使其能够准确的反映出雨水环境 下发动机性能状态的变化。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台优化 方法，包括：
[0006] 选取大涵道比润扇发动机的试验工况，并根据所述试验工况确定发动机进气道的 雨水量相对于空气的质量流量比，根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量 比、发动机涵道比、可变放气活口面积和增压级排水能力确定进入核也机的雨水量相对于 空气的质量流量比；
[0007] 根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量比和所述进入核也机的 雨水量相对于空气的质量流量比分别计算出热力学气体性能参数修正值、机械损失影响修 正值和部件气动性能修正值；
[0008] 根据所述热力学气体性能参数修正值、机械损失影响修正值和部件气动性能修正 值对润扇发动机性能仿真平台的热力学气体性能参数、发动机功率和气动性能参数进行修 正。
[0009] 进一步的，所述大涵道比润扇发动机的试验工况包括吸雨试验的稳态工况和过渡 态工况，所述稳态工况包括地面起飞工况、慢车工况、空中慢车工况，所述过渡态工况包括 地面慢车加速至95 %额定推力的工况。
[0010] 进一步的，所述根据所述试验工况确定发动机进气道的雨水量相对于空气的质量 流量比的操作具体为：
[0011] 结合所述试验工况和航空发动机适航规定确定在所述试验工况下润扇发动机的 发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量比的推荐取值。
[0012] 进一步的，计算热力学气体性能参数修正值的操作包括：
[0013] 根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量比、空气和水各自的气体 常数、绝热指数和定压比热计算出雨水和空气混合而成的湿空气与干空气的气体常数之 比、绝热指数之比和定压比热之比；
[0014] 根据雨水蒸发带走的热量与空气温度下降吸收的热量之间的能量守恒计算出在 雨水环境下高压压气机出口的温度。
[0015] 进一步的，所述根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量比、空气 和水各自的气体常数、绝热指数和定压比热计算出雨水和空气混合而成的湿空气与干空气 的气体常数之比、绝热指数之比和定压比热之比的操作具体包括：
[0016] 根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量比WAR计算发动机进气 道的雨水量相对与空气的摩尔数之比WAILi。，；
[0017] 根据所述发动机进气道的雨水量相对与空气的摩尔数之比WAR"1"计算出雨水和 空气混合而成的湿空气分子质量MWm;
[0018] 根据所述湿空气分子质量MWm、空气的气体常数R。和水的气体常数R，计算出雨水 和空气混合而成的湿空气与干空气的气体常数之比Rf。。；
[0019] 根据所述发动机进气道的雨水量相对与空气的摩尔数之比WAILi。,、空气的绝热指 数和水的绝热指数计算出雨水和空气混合而成的湿空气与干空气的绝热指数之比 Y化C ;
[0020] 根据所述发动机进气道的雨水量相对与空气的摩尔数之比WAILht、空气的定压比 热Cpa和水的定压比热Cp，计算出雨水和空气混合而成的湿空气与干空气的定压比热之比 C时ac。
[0021] 进一步的，所述根据雨水蒸发带走的热量与空气温度下降吸收的热量之间的能量 守恒计算出在雨水环境下高压压气机出口的温度的操作具体包括：
[0022] 根据预设雨水温度T"ter计算进口雨水烙值H"ter;
[0023] 根据所述进入核也机的雨水量相对于空气的质量流量比WAR。。,。和高压压气机出 口的干空气压力P3计算出高压压气机出口的水蒸气压力Pste? ;
[0024] 根据所述高压压气机出口的水蒸气压力和待求的在雨水环境下高压压气机 出口的温度Tsmh得出出口水蒸气烙值山的表达式；
[00巧]根据高压压气机出口的干空气温度Tsdty、正常状态下进入到核也机的空气质量流 量m'air、定压比热Cp、所述进口雨水烙值和所述出口水蒸气烙值的表达式，遵循 能量守恒定律计算出所述在雨水环境下高压压气机出口的温度Tsmh。
[0026] 进一步的，计算机械损失影响修正值的操作具体包括：
[0027] 根据所述进入核也机的雨水量相对于空气的质量流量比WAR。。,。和正常状态下进 入到核也机的空气质量流量niair计算出进入到核也机的雨水质量流量niwater;
[0028] 根据所述进入到核也机的雨水质量流量mwatefW及高压压气机的叶尖切线速 度Um和高压压气机级数n,tw。确定吸入雨水所造成的发动机功率的增加量APW。
[0029] 进一步的，计算部件气动性能修正值的操作具体包括：
[0030] 根据所述进入核也机的雨水量相对于空气的质量流量比WAR。。,。查询压气机效率 衰退比-水气比图确定对应的压气机效率衰退比AE;
[0031] 根据所述进入核也机的雨水量相对于空气的质量流量比WAR。。,。查询总压恢复系 数衰退比-水气比图确定对应的总压恢复系数衰退比A化。
[0032] 进一步的，对润扇发动机性能仿真平台的热力学气体性能参数进行修正的操作具 体为：
[0033] 根据所述雨水和空气混合而成的湿空气与干空气的气体常数之比Rf。。、绝热指数 之比Yh。和定压比热之比Cpf。。分别计算出修正后的气体常数Rm、绝热指数Ym和定压比热 Cpm，并替换所述润扇发动机性能仿真平台中的气体常数也、绝热指数Y。和定压比热Cp。。
[0034] 进一步的，对润扇发动机性能仿真平台的热力学气体性能参数进行修正的操作具 体为：
[0035] 将所述在雨水环境下高压压气机出口的温度Tsmh替换所述润扇发动机性能仿真 平台中的正常环境下高压压气机出口的温度Tsdty。
[0036] 进一步的，对润扇发动机性能仿真平台的发动机功率进行修正的操作具体为：
[0037] 根据吸入雨水所造成的发动机功率的增加量APW和所述润扇发动机性能仿真平 台中的正常环境下发动机功率PW计算出所述润扇发动机性能仿真平台中的雨水环境下发 动机功率PWm，并替换所述润扇发动机性能仿真平台中的正常环境下发动机功率PW。
[0038] 进一步的，对润扇发动机性能仿真平台的气动性能参数进行修正的操作具体为：
[0039] 根据所述压气机效率衰退比AE和总压恢复系数衰退比A化分别计算出修正后 的压气机效率Emh和总压恢复系数FLmw并替换所述润扇发动机性能仿真平台中的压气机 效率Ed。和总压恢复系数FLd。。
[0040] 基于上述技术方案，本发明通过对吸雨工况下雨水对发动机的热力学影响、气动 性能的影响和机械损失的影响等多方面的修正来对润扇发动机性能仿真平台进行优化，使 吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台能够准确的、高可信度的反映出雨水环境下发动机 性能状态的变化，从而在润扇发动机的初步设计阶段能够简便迅速地对发动机吸雨性能进 行评估，W便及时修正、改进设计方案，避免后期重复迭代，降低研制成本W及缩短研制周 期。
【附图说明】
[0041] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0042] 图1为本发明吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台优化方法的一实施例的流 程示意图。
[0043] 图2为本发明吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台优化方法实施例中的压气 机效率衰退比-水气比图。
[0044] 图3为本发明吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台优化方法实施例中的总压 恢复系数衰退比-水气比图。
【具体实施方式】
[0045] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0046] 经过发明人研究，雨水环境对发动机的影响通常分为H个方面，一是热力学的影 响，例如水的蒸发、温度的崎变、气体特性改变等，而其中水的蒸发是主要因素；二是气动性 能的影响，会带来效率、压比和喘振裕度等方面的变化；H是机械方面的影响，例如水的进 入会导致压气机扭矩的增加等。因此在对润扇发动机性能仿真平台优化方法进行优化时， 需要针对该几方面的性能参数进行适当的修正，W便使优化后的润扇发动机性能仿真平台 能够准确的、高可信度的反映出雨水环境下发动机性能状态的变化。在本发明中的润扇发 动机性能仿真平台是一种已知的性能仿真平台，可通过商业购买方式获得，例如Gasturb、 Prosis、GSP等性能仿真平台，因此在本发明中不对润扇发动机性能仿真平台的具体实现进 行费述。
[0047] 如图1所示，为本发明吸雨工况下的润扇发动机性能仿真平台优化方法的一实施 例的流程示意图。在本实施例中，优化流程包括：
[0048] 步骤101、选取大涵道比润扇发动机的试验工况，并根据所述试验工况确定发动机 进气道的雨水量相对于空气的质量流量比，根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的 质量流量比、发动机涵道比、可变放气活口面积和增压级排水能力确定进入核也机的雨水 量相对于空气的质量流量比；
[0049] 步骤102、根据所述发动机进气道的雨水量相对于空气的质量流量比和所述进入 核也机的雨水量相对于空气的质量流量