飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)及性能研究

李梁

摘? ?要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的高科技技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，提升整個(gè)飛機(jī)飛行的穩(wěn)定性以及安全性，同時(shí)也增加了整個(gè)飛機(jī)的客運(yùn)量。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，各個(gè)國(guó)家之間的貨運(yùn)量正在不斷上漲，提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)水平具有十分重要的意義。本文針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)建模分析思路研究、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能一體化設(shè)計(jì)分析、基于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能一體化的發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為實(shí)際的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)及性能提高提供一定的工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)? 一體化? 設(shè)計(jì)? 性能? 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：V233.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0006-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，過(guò)去的幾十年里全球的客運(yùn)量呈一個(gè)逐年遞增的模式，每年的發(fā)展模式呈一個(gè)穩(wěn)定的上升趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)調(diào)查匯總，從1967—2012年每年全年的航空旅客量分布圖如圖1所示。從圖上顯示的數(shù)據(jù)可以看出，很多知名航空公司如波音和空客公司相關(guān)負(fù)責(zé)人對(duì)未來(lái)的航空旅客量進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)，即每年的空運(yùn)旅客量將會(huì)以5%的速度不斷上升，所以在未來(lái)的幾十年里，飛機(jī)所蘊(yùn)藏的巨大商業(yè)價(jià)值以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值是很明顯的。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中不僅蘊(yùn)含著巨大的商業(yè)價(jià)值同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中所包含的傳熱學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也會(huì)得到相應(yīng)的發(fā)展和進(jìn)步，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包含了很多先進(jìn)的技術(shù)系統(tǒng)，同時(shí)將現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用到未來(lái)的飛機(jī)運(yùn)行中已是大事所趨，設(shè)計(jì)和研發(fā)先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)于提高飛機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的工程價(jià)值。

1? 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬研究思路

在發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能模擬研究中，當(dāng)確定整個(gè)飛機(jī)的升阻力的情況下需要根據(jù)系統(tǒng)的分析方法根據(jù)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率以及飛機(jī)的巡推力的大小，根據(jù)系統(tǒng)分析的方法可以確定飛機(jī)在每一個(gè)飛行任務(wù)階段的油耗消費(fèi)情況等，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以推算出飛機(jī)在起飛時(shí)的最大起飛重量，根據(jù)最大起飛重量可以確定飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)方案。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的約束分析方法確定飛機(jī)起飛時(shí)的起飛推重比和飛機(jī)兩側(cè)的機(jī)翼載荷，運(yùn)用系統(tǒng)分析方法可以完善飛機(jī)的各個(gè)飛行階段的油耗需求，從而準(zhǔn)確地確定飛機(jī)起飛時(shí)的最大起飛重量，從而完成飛機(jī)的推力需求，為后面的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

飛機(jī)的約束分析方法是根據(jù)飛機(jī)在飛行的過(guò)程中假設(shè)其升阻力是一定的，可以根據(jù)飛行力學(xué)相關(guān)計(jì)算方程計(jì)算飛機(jī)在不同運(yùn)行階段下的起飛推重比和其他的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，飛機(jī)在飛行飛過(guò)程中，其主要的控制方程可以寫為如下：

根據(jù)飛機(jī)的水平等速巡航、等速爬升、水平加速、加速爬升、水平等速盤旋、實(shí)用升限以及起飛滑跑等設(shè)計(jì)參數(shù)確定飛機(jī)的約束能力。接下來(lái)確實(shí)飛機(jī)的任務(wù)分析能力，飛機(jī)的任務(wù)分析能力是指飛機(jī)在各個(gè)任務(wù)階段的燃油耗量，從而可以確定飛機(jī)起飛時(shí)的最大重量。在任務(wù)分析中需要結(jié)合飛機(jī)在全飛行過(guò)程中的油耗量將約束分析分為具體的八個(gè)階段，比如飛機(jī)中的取暖機(jī)、飛機(jī)在運(yùn)行時(shí)的起滑跑以及飛機(jī)在空中等速飛行等，根據(jù)每一個(gè)階段的任務(wù)不同，飛機(jī)飛行的狀態(tài)也會(huì)不一樣，從而得到飛機(jī)最大燃油重量與有效荷載飛行的航程圖，可以得到飛機(jī)在不同的有效荷載下其燃油經(jīng)濟(jì)性能最佳點(diǎn)及起飛重量最低的發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能方案。整個(gè)飛機(jī)的建模分析思路如圖2所示。

2? 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能一體化設(shè)計(jì)分析

飛機(jī)在飛行過(guò)程中其飛行力量是不斷變化的，根據(jù)前面介紹的一體化設(shè)計(jì)思路中的分析方法及任務(wù)分析的數(shù)學(xué)模型結(jié)合每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同升阻特性，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，找出設(shè)計(jì)的初選點(diǎn)，從而為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行提供一定的基礎(chǔ)。

結(jié)合飛機(jī)的飛行成本以及整個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)角度，發(fā)動(dòng)機(jī)需要選擇具有較小推重比以及較大翼載荷的，在任務(wù)分析階段得到了各個(gè)起航任務(wù)階段燃油的消耗比和飛機(jī)的起重比，根據(jù)任務(wù)分析中得到的發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)參數(shù)以及飛機(jī)機(jī)翼本身幾何的設(shè)計(jì)參數(shù)初值，對(duì)飛機(jī)的主要幾何參數(shù)進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)。從而可以得到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓比整個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流比。飛機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括機(jī)翼面積以及展弦比、前后掠角等。飛機(jī)的機(jī)翼面積可以在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)中進(jìn)行確定，但是仍然需要根據(jù)不同的飛機(jī)結(jié)合其自身的情況對(duì)其進(jìn)行合適的范圍選擇。根據(jù)前述的任務(wù)分析法可以確定飛機(jī)的主要幾何參數(shù)如飛機(jī)機(jī)身的計(jì)算長(zhǎng)度和飛機(jī)機(jī)翼的延展長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步可以飛機(jī)飛行的升阻特性等。

3? 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能一體化的發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律優(yōu)化研究

發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流比對(duì)整個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流比是指飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大渦輪溫度與地面設(shè)計(jì)點(diǎn)的渦輪溫度之比。為了能夠準(zhǔn)確獲得飛機(jī)在高空飛行的速度數(shù)據(jù)相關(guān)特性，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程中一般需要將將飛機(jī)的節(jié)流比設(shè)計(jì)成大于1的形式。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中一般選用節(jié)流比為1.03、1.05、1.07、1.08的四個(gè)狀態(tài)值，研究不同的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流比對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有十分重要的影響，結(jié)合不同的節(jié)流比對(duì)飛機(jī)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能的對(duì)比分析，從而可以確定最佳的節(jié)流比值，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化性能方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述，得到了飛機(jī)主要幾何參數(shù)設(shè)計(jì)選擇規(guī)律，對(duì)新一代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。增大飛機(jī)的節(jié)流比，可以擴(kuò)大飛機(jī)的設(shè)計(jì)約束飛行能力，從而提高飛機(jī)降落在可行域的范圍內(nèi)。對(duì)于不同的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇恰當(dāng)?shù)墓?jié)流比能夠有效擴(kuò)大飛機(jī)的設(shè)計(jì)約束可行域，從而可以有效地降低飛機(jī)的運(yùn)行成本，同時(shí)也提高了飛機(jī)運(yùn)行的安全性。

參考文獻(xiàn)

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