航空发动机总体性能计算软件系统
航空发动机总体性能计算软件系统
一、系统简介
本软件系统采用修正后的牛顿迭代法求解非线性方程组，可对不同类型的航空发动机部件进行建模，建立耗油量（SFC）和高度-速度特性关系，进行参数研究（敏感性分析），解决试验数据的数学模型识别问题，以及发动机设计点与非设计点过渡态热力学参数计算。
图1、软件主界面图
二、功能介绍
本软件提供了完善的航空发动机设计点分析计算模型，计入了气体变比热对性能的影响，提供二次空气系统和发动机功率提取等计算功能，同时考虑了高空雷诺数修正等问题。为帮助客户快速准确合理地确定燃气轮机设计点性能参数，本软件提供强大的设计点性能参数分析工具，具体包括：
图2、软件主要功能图示
2.1 设计点模态计算
建立新的航空发动机计算模型，用户给定合理的输入参数，计算出相应的航空发动机总体热力学性能，并获得相应部件的特性曲线图。
2.2 优化计算
本软件已经适应于使用IOSO优化程序，支持Fortran 编程来实现计算优化。制定优化标准（例如，推力最大化或燃料消耗最小化），设置可接受的限制值范围，执行5-10分钟的运算，即可得到优化后的解决方案的帕累托分布。
2.3 高度-速度特性和油门特性计算
获得一份航空发动机全部运行工况的完整计算报告。
2.4 双参数特性计算
完成初步单点计算后，可用此功能进一步分析单个参数对航空发动机性能的影响，最多可同时分析两个参数变化对发动机性能的影响。
2.5 参数化研究
该功能旨在用于发动机设计阶段或台架试验阶段的研究。从参数化计算中，获得发动机的参数小变化分析报告。
2.6 飞发一体化设计
本软件可以在批处理模式下运行，能够与飞机性能计算集成。
2.7 根据试验数据进行数学模型识别
本软件可以从试验结果中识别发动机数学模型，自动寻优找到原始数学模型的修正系数。在很短的时间内，该试验数据识别就能够对大量试验点的不同设计参数组合进行分类，并根据设计参数与相应部件参数的相关性选择最合适的组合。
2.8 航空发动机数学模型半物理仿真模拟器
试验数据识别后的数学模型以批处理模式运行，屏幕上不再显示程序窗口，也可以通过一个单独的*.DLL文件运行，通过C / C ++语言集成到其他工具中，使模型在实时模式下工作。
三、软件可实现的主要任务
l 单点性能预测
l 单目标参数寻优
l 非设计点性能参数化分析
l 参数小变化分析
l 数据统计概率分析（蒙特卡罗分析）
l 根据试验数据进行数学模型识别
四、本软件适用的客户类型
表1、软件功能与对应的客户类型
方向 | 用户 | 内容 |
专业培训 | 大学设计部门 | 科研 |
开发新型发动机 | 总体设计单位 | 开发新概念动力系统 |
油门和高度-速度特性的计算 | 发动机设计单位 | 形成设计分析报告 |
发动机的参数改进，包括飞行测试 | 试验单位 | 根据试验结果识别数学模型，根据试验结果形成发动机的数学模型，细化发动机部件特性，细化控制程序 |
通过发动机等计算飞机特性 | 飞机设计单位 | 将模型集成到飞机计算软件包中 |
发动机动态模型 | 发动机控制设计单位 | 开发发动机控制系统 |
发动机台架试验 | 试车单位 | 在试车台上进行发动机调试 |
五、成功算例
如下显示是目前已完成的不同型号发动机计算案例图：
图3、不同型号发动机计算案例库
部分计算结果如下所示：
图4、不同型号发动机性能计算结果
六、与GasTurb软件的功能对比
本软件与GasTurb软件的功能对比如表2所示。
表2、功能对比
项目 | GasTurb | 本软件 |
操作系统 | MS Windows | MS Windows |
软件原理 | 图表显示结果 | 模块化分解+原理图库 |
适用领域 | 航空发动机、地面燃气轮机 | 航空发动机、地面燃气轮机、发动机功能模块（压气机、涡轮、燃烧室...） |
方程组求解方法 | 采用牛顿法联合解决非线性方程组的问题 | 不确定性因素分析，采用牛顿Nelder–Mead法组合方法联合解方程 |
加强求解能力 | 不详 | 对计算任务使用初始近似值，必要时对每个点使用初始近似值；将雅各布矩阵可视化 |
超级计算系统控制 | 无 | 平衡计算成本与耗能 |
工质 | 任意成分的碳氢化合物 | 任意成分氢-碳-氧 |
算法求解最优化问题 | 无 | 可以 |
压气机和涡轮特性 | 表格形式与图的结果 | 具有缩放功能的图表形式 |
计算工况点状态类型 | 联动、点计算、油门特性、高度-速度特性、气候特性、参数研究、瞬变等 | 联动、点计算、油门任意参数特性、高度-速度特性、试验辨识、瞬变、气候特性、参数研究等 |
对源数据正确性的判断 | 无 | 程序会提示用户哪些特性设置不正确 |
在项目中记录用户操作 | 无 | 能够为每个操作输入自定义描述与备注 |
输入部件特征参数修正 | 不详 | 对于每项任务，用户可以设置自己的一组修正系数，包括对一个或两个参数的依赖关系 |
计算冷却气量 | 无 | 进气量以相对和绝对形式设置 |
为某个部件指定多个特征 | 无 | 在一个项目中可以指定大量的部件备选特征，并在任何计算任务中使用 |
设定控制程序 | 设置与油门角度相关的数值数组 | 任意设置数值数组，图形化显示和修正，与油门角度连接 |
使用剪贴板移动控制程序设置 | 无 | 可以 |
选择工作介质的热力学核算类型，解离核算 | 无 | 5种核算类型，可使用解离模块 |
交互式修正部件特征 | 仅限于压气机和涡轮（SmoothC和SmoothT附加模块）。 | 所有部件均可以 |
考虑到风扇后端不规则和不稳定流动的影响 | 以温度和压力值的形式进行修正 | 以温度和压力值的形式进行修正 |
考虑到发动机主流流路上不稳定流动的影响 | 无 | 对于过渡模式，可以 |
选择压力损失核算方案 | 不详 | 可以（有几个选项，包括表的依赖性插值） |
在方程组中加入一个合成参数 | 不详 | 可以 |
考虑到雷诺数的影响 | 可以 | 以经验关系形式体现 |
多级冷却涡轮的计算 | 可以 | 可以 |
从HPC中间段抽取空气的压气机的计算方法 | 可以 | 特性设定，压气机在每次抽气前的运行参数，通过抽气值修正入口流量 |
圆柱形混合器的计算 | 按冲量方程 | 按冲量方程；按面积平均；按流速平均 |
作为飞机推进系统的一部分的特性计算（进气道-发动机-喷嘴） | 可以 | 可以 |
计算扩展模型功能的额外依赖关系（二次开发） | 可以 | 可在已有方案中使用额外公式进行计算 |
处理项目数据库 | 无 | 可以 |
创建自定义模块以扩展方案 | 无 | 可以 |
能够在“批处理”模式下工作 | 无 | 可以 |
能够创建数据传输模型（提供给飞机设计单位） | 无 | 可以 |
有能力实现典型计算操作的自动化（编写宏） | 无 | 可以 |
用于出具设计报告的内置图形化模块 | 不详 | 可以 |
能够在一张图上显示多项工作的计算结果 | 无 | 可以，包括绘制从文件中读取的或通过剪贴板复制粘贴传输的附加曲线 |
设置访问权限 | 不详 | 用户、高级用户、管理员 |
注：GasTurb软件是德国Joachim Kurzke博士开发的燃气轮机（航空发动机和地面燃气轮机）总体性能计算软件，其可实现涡喷、涡扇、涡桨、涡轴和冲压发动机，以及地面燃气轮机的整机热力学设计或性能分析，并获得各个部件性能参数；分析燃气轮机测试数据，帮助诊断其运行工况；快速实现发动机系列化热力学性能设计等功能。
七、客户名单
A.Lyulka Design Bureau, Moscow;
JSC “Klimov”, St-Petersburg;
LMP, Lytkarino;
JSC SPE “Motor”, Ufa;
JSC “Sukhoy Design Bureau”, Moscow;
PSC “UEC-Saturn”, Rybinsk;
Air Force Academy, Voronezh;
Moscow STU on Civil Aviation;
PJSC “Tupolev”, Moscow;
PJSC “Kuznetsov”, Samara;
Moscow State Aviation Institute;
Ufa State Air-Engineering University;
UEC Research Center, Moscow;
LMP (Power Machines), St-Petersburg;
JSC “Aviadvigatel”, Perm;
SPC “REP-Holding”, St-Petersburg;
Rybinsk State Air-Engineering Academy;
Moscow STU named after N.E.Bauman;
SPC “Reynolds”, Moscow.