一种喷管出口面积控制规律设计方法与流程

1.本技术属于航空发动机领域，特别涉及一种喷管出口面积控制规律设计方法。


背景技术：

2.喷管出口面积(a9)与喉道面积(a8)的比值(面积比ar)直接影响其气动性能，最佳面积比可使气流达到完全膨胀，此时推力系数最大，另外面积比偏小时气流欠膨胀，面积比偏大时气流过膨胀，推力性能都不是最佳状态。喉道面积参与发动机主机状态控制，不同状态喉道面积不同，因此喷管出口面积也需要随主机状态变化进行相应的调节，以此达到最优面积比或接近最优面积比。收扩喷管出口面积的调节方式包括以下几种：通过扩张段气动平衡控制；通过与压气机相连的气动作动筒控制；通过机械四连杆结构使a8和a9成某种一一对应的关系，以上收扩喷管的a9都不受发动机控制系统的直接控制，因此不涉及a9控制规律的设计；通过液压作动筒控制a9大小，该调节方式受发动机直接控制，对控制规律提出了更高的要求。需要对影响喷管面积比ar的因素进行分析，并根据这些因素得到收扩喷管a9的控制规律，另外为了避免异常情况导致喷管机械损坏，需要进行机械判故方法设计。
3.在发动机状态确定的情况下，实际推力主要受收扩喷管扩张段的影响。可调收扩喷管在正常的工作情况下，燃气是不允许发生严重分离的。此时影响实际推力的主要因素有两个：一个是由于燃气未完全膨胀或过膨胀所造成的推力损失，另一个是由燃气的径向速度引起的推力损失。这两种损失都与面积比ar有关。
4.高空高速典型设计点气动载荷较大，由于现有作动筒拖动力限制，需要在推力性能最优面积比基础上增加面积比降低喷管载荷，同时推力性能还需满足总体要求；另外慢车状态推力越小越好，为了达到慢车推力要求，需要在推力性能最优面积比基础上增加面积比降低慢车推力。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本技术提供了一种喷管出口面积控制规律设计方法，包括：
6.步骤s1：获取喷管燃气落压比npr、发动机低压换算转速马赫数ma；
7.步骤s2：基于发动机低压换算转速马赫数ma，将发动机分为第一状态与第二状态；
8.步骤s3：当发动机处于所述第一状态时，按照预制的第一控制规律曲线输出面积比ar，当发动机处于所述第二状态时，发动机按照预制的第二控制规律曲线输出面积比ar；
9.优选的是，所述第一状态包括第a状态、第c状态及第b状态，所述第一控制规律曲线包括：a曲线、b曲线以及c曲线；a曲线描述了第a状态时面积比ar与喷管燃气落压比npr的关系；b曲线描述了第b状态时面积比ar与喷管燃气落压比npr的关系；c曲线描述了发动机第c状态时面积比ar与喷管燃气落压比npr的关系。
10.优选的是，当喉道面积(a8)小于或等于第一预设值时，发动机处于第a状态；当喉道面积(a8)大于或等于第二预设值时，发动机处于第b状态；当喉道面积(a8)大于第一预设
值小于第二预设值时，发动机处于第c状态。
11.优选的是，当喉道面积(a8)小于或等于第一预设值时，发动机处于节流状态；当喉道面积(a8)大于或等于第二预设值时，发动机处于以上状态；当喉道面积(a8)大于第一预设值小于第二预设值时，发动机处于中间状态。
12.优选的是，所述输出的面积比ar落入喷管出口面积(a9)的取值范围、上喉道面积(a8)的取值范围与面积比ar的取值范围的交集。
13.优选的是，喷管燃气落压比npr的具体获取方法：
14.npr＝a1×
pt6/p015.其中，a1为喷管入口燃气压力与涡轮后燃气压力pt6的比值，p0为环境压力。
16.优选的是，曲线a获得方法：基于第一预设值，喷管进口总温tt7，通过数值仿真分析获得包线范围内不同npr所对应的ar，基于包线范围内不同npr极其所对应的ar进行多项式拟合，获得曲线a。
17.优选的是，曲线b获得方法：基于第二预设值，喷管进口总温tt7，通过数值仿真分析获得包线范围内不同npr所对应的ar，基于包线范围内不同npr极其所对应的ar进行多项式拟合，获得曲线b。
18.优选的是，曲线c获得方法：由曲线a和曲线b插值获得。
19.优选的是，当l9不满足la≤l9≤lb时，对控制喷管出口面积(a9)的作动筒输出应急回中信号；
20.l
9-控制喷管出口面积(a9)的作动筒的行程，la–
所述作动筒的最小行程；l
b-所述作动筒的最大行程。
21.优选的是，la的获取方法：当喉道面积(a8)小于或等于第一预设值时，获取喉道面积(a8)以及取喉道面积(a8)对应的la，通过多项式拟合得到第一la拟合公式；当喉道面积(a8)大于或等于第二预设值时，获取喉道面积(a8)以及取喉道面积(a8)对应的la，通过多项式拟合得到第二la拟合公式；
22.lb的获取方法:当喉道面积(a8)小于或等于第一预设值时，获取喉道面积(a8)以及取喉道面积(a8)对应的lb，通过多项式拟合得到第一lb拟合公式；当喉道面积(a8)大于或等于第二预设值时，获取喉道面积(a8)以及取喉道面积(a8)对应的lb，通过多项式拟合得到第二lb拟合公式。
23.本技术的优点包括：本发明综合推力性能、气动载荷、慢车推力等三个因素进行面积比ar控制规律设计。根据出口机械最大值和最小值以及控制规律完成机械判故条件设计。
附图说明
24.图1喷管出口面积控制规律设计流程；
25.图2面积比a
r1
控制规律曲线；
26.图3面积比a
r2
控制规律曲线；
27.图4面积比ar的限制和喉道直径d8的关系；
28.图5小喉道面积时la曲线(d8《d8
x1
)；
29.图6大喉道面积时la曲线(d8》d8
x1
)；
30.图7小喉道面积时lb曲线(d8《d8
x2
)；
31.图8大喉道面积时lb曲线(d8》d8
x2
)。
具体实施方式
32.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
33.1、节流、中间及以上状态喷管面积比ar1控制方法
34.通过设定发动机低压换算转速和马赫数ma的范围，判定发动机处于节流、中间及以上状态，采用面积比ar1控制曲线如图2所示。
35.在发动机喷管控制规律设计过程中，主要要考虑两种状态的喷管性能。一是发动机巡航状态时喷管的性能，因为这个状态对发动机耗油率的影响较大，提高这一状态的喷管性能可以增加飞机的巡航范围。二是全加力时的喷管性能，提高这一状态的喷管性能可提高飞机的机动性。本发明的喷管控制规律遵循以上原则，
36.将控制规律的曲线分为三条：一条是大多数中间状态的最优面积曲线a，另一条是大多数以上状态的控制曲线b，首先对这两条曲线进行拟合，然后再对不属于这两条曲线的状态点进行基于这两条曲线的修正得到控制曲线c。
37.曲线a获得方法：以中间状态喉道面积a8＝a8
x1
、喷管进口总温t
t7
、气体常数r、比热比k为固定参数，将全包线范围内的npr提取出典型状态(如npr＝2、npr＝3、
……
)，在某一npr时a9为变量，通过数值仿真分析获得该npr下推力性能最优的a9，即同时可得最优ar，以此类推可获得包线范围内不同npr所对应的最优ar，然后以此数据为基础进行多项式拟合。多项式阶数的确定是根据估计参数下方差与其自由度接近来判断的。多项式阶次取得太低，拟合就粗糙；阶次太高，拟合过头，使数据噪音也被纳入模型。类如下所示：
38.ar1＝ya＝a1×
(npr)3+a2×
(npr)2+a3×
(npr)+a439.曲线b获得方法：以最大状态喉道面积a8＝a8
x2
、喷管进口总温tt7、气体常数r、比热比k为固定参数，将全包线范围内的npr提取出典型状态(如npr＝2、npr＝3、
……
)，在某一npr时a8为变量，通过数值仿真分析获得该npr下推力性能最优的a8，即同时可得最优ar，以此类推可获得包线范围内不同npr所对应的最优ar，然后以此数据为基础进行多项式拟合。多项式阶数的确定是根据估计参数下方差与其自由度接近来判断的。多项式阶次取得太低，拟合就粗糙；阶次太高，拟合过头，使数据噪音也被纳入模型。类如下所示：
40.ar1＝yb＝b1×
(npr)3+b2×
(npr)2+b3×
(npr)+b441.曲线c获得方法：由曲线a和曲线b插值获得，类如下所示：
[0042][0043]
综上，当a8≤a8
x1
时，ar1＝ya；当a8≥a8
x2
时，ar1＝yb，当a8
x1
＜a8＜a8
x2
时，ar1＝yc。
[0044]
2、慢车以下、慢车及部分节流状态喷管面积比ar2控制方法
[0045]
慢车状态与其他状态对推力性能的要求相反，慢车状态要求推力尽可能小，因此针对低落压比慢车状态的面积比ar2进行控制规律单独设计，为满足慢车推力要求，需在慢车状态增大面积比，保持固定值，部分节流状态逐渐过渡到最小面积比。面积比ar2拟合曲线如图3所示。
[0046]
根据整机试车和仿真分析获得满足慢车推力要求的图3中转折点1的纵坐标ar2；转折点1的横坐标根据慢车状态npr比确定，可略大于慢车npr；图3中转折点2的纵坐标ar2＝ar
min
，转折点2的横坐标根据临界压比确定，可略小于临界压比。
[0047]
通过设定发动机低压换算转速和马赫数ma的范围，判定发动机处于慢车以下、慢车及部分节流状态。
[0048]
3、面积比的范围
[0049]
由于受到喷管机械及气动性能限制，还需要对面积比加两项限制。一是面积比的范围为ar
min
～ar
max
、二是a9直径范围为d9
min
～d9
max
。这两个限制条件给出了面积比的上下限，它和d8的关系见图4。
[0050]
4、最终面积比ar的确定
[0051]
最终的面积比ar是一个包含ma、npr、d8和d9等参数的函数式，即
[0052][0053]
5、控制信号的采集
[0054]
确定一个状态的ar需要喷管燃气落压比npr、喉道面积a8。a8可以由喉道反馈装置获得，但喷管燃气落压比π在现有发动机上没有信号采集装置。根据发动机高度速度特性，涡轮后燃气压力pt6与喷管入口燃气压力存在一定的线性关系，可用涡轮后压力代替喷管入口燃气压力。因此喷管燃气落压比npr如下所示：
[0055]
npr＝a1×
pt6/p0[0056]
其中，a1为喷管入口燃气压力与涡轮后燃气压力pt6的比值，p0为环境压力。
[0057]
6、a9作动筒行程l9的确定
[0058]
a9作动筒位移l9与喉道面积和出口面积之间属于纯几何关系，可通过几何推导得出l9与面积比和d8的关系。
[0059]
7、判故条件
[0060]
在喷管控制过程中，所有状态均应满足d9
min
≤d9≤d9
max
，以此为依据建立了机械判故条件，即所有状态应满足la≤l9≤lb的条件，如不满足，a9作动筒需应急回中。
[0061]
完成d9
max
时所有d8状态的作动筒行程计算和分析，并通过多项式拟合得到la的拟合公式,为了提高控制精度，分成两组控制曲线，如图5和6所示。
[0062]
完成d9
min
时所有d8状态的作动筒行程计算和分析，并通过多项式拟合得到lb的拟合公式,为了提高控制精度，分成两组控制曲线，如图7和8所示。
[0063]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。