飛機發動機一體化設計及性能研究

李梁

摘? ?要：隨著科學技術的飛速發展，大量的高科技技術應用于實際的飛機發動機上，提升整個飛機飛行的穩定性以及安全性，同時也增加了整個飛機的客運量。近年來隨著經濟的全球化，各個國家之間的貨運量正在不斷上漲，提高飛機發動機一體化設計水平具有十分重要的意義。本文針對飛機發動機一體化設計建模分析思路研究、飛機發動機性能一體化設計分析、基于飛機發動機性能一體化的發動機控制規律優化設計幾個方面進行了詳細闡述，為實際的飛機發動機一體化設計及性能提高提供一定的工程參考價值。

關鍵詞：飛機發動機? 一體化? 設計? 性能? 優化

中圖分類號：V233.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0006-02

隨著我國經濟的發展，過去的幾十年里全球的客運量呈一個逐年遞增的模式，每年的發展模式呈一個穩定的上升趨勢。根據相關調查匯總，從1967—2012年每年全年的航空旅客量分布圖如圖1所示。從圖上顯示的數據可以看出，很多知名航空公司如波音和空客公司相關負責人對未來的航空旅客量進行了初步預測，即每年的空運旅客量將會以5%的速度不斷上升，所以在未來的幾十年里，飛機所蘊藏的巨大商業價值以及市場經濟價值是很明顯的。飛機發動機中不僅蘊含著巨大的商業價值同時發動機中所包含的傳熱學以及結構力學和計算機技術也會得到相應的發展和進步，飛機發動機包含了很多先進的技術系統，同時將現代的互聯網運用到未來的飛機運行中已是大事所趨，設計和研發先進的飛機發動機系統對于提高飛機的高效穩定運行具有十分重要的工程價值。

1? 飛機發動機性能模擬研究思路

在發動機的總體性能模擬研究中，當確定整個飛機的升阻力的情況下需要根據系統的分析方法根據飛機的發動機的運行功率以及飛機的巡推力的大小，根據系統分析的方法可以確定飛機在每一個飛行任務階段的油耗消費情況等，根據相關數據可以推算出飛機在起飛時的最大起飛重量，根據最大起飛重量可以確定飛機發動機的初步設計方案。根據系統設計方法中的約束分析方法確定飛機起飛時的起飛推重比和飛機兩側的機翼載荷，運用系統分析方法可以完善飛機的各個飛行階段的油耗需求，從而準確地確定飛機起飛時的最大起飛重量，從而完成飛機的推力需求，為后面的飛機發動機總體方案設計奠定堅實的基礎。

飛機的約束分析方法是根據飛機在飛行的過程中假設其升阻力是一定的，可以根據飛行力學相關計算方程計算飛機在不同運行階段下的起飛推重比和其他的相關設計參數，飛機在飛行飛過程中，其主要的控制方程可以寫為如下：

根據飛機的水平等速巡航、等速爬升、水平加速、加速爬升、水平等速盤旋、實用升限以及起飛滑跑等設計參數確定飛機的約束能力。接下來確實飛機的任務分析能力，飛機的任務分析能力是指飛機在各個任務階段的燃油耗量，從而可以確定飛機起飛時的最大重量。在任務分析中需要結合飛機在全飛行過程中的油耗量將約束分析分為具體的八個階段，比如飛機中的取暖機、飛機在運行時的起滑跑以及飛機在空中等速飛行等，根據每一個階段的任務不同，飛機飛行的狀態也會不一樣，從而得到飛機最大燃油重量與有效荷載飛行的航程圖，可以得到飛機在不同的有效荷載下其燃油經濟性能最佳點及起飛重量最低的發動機總體性能方案。整個飛機的建模分析思路如圖2所示。

2? 飛機發動機性能一體化設計分析

飛機在飛行過程中其飛行力量是不斷變化的，根據前面介紹的一體化設計思路中的分析方法及任務分析的數學模型結合每個發動機的不同升阻特性，對飛機發動機進行一體化設計，找出設計的初選點，從而為飛機發動機的高效運行提供一定的基礎。

結合飛機的飛行成本以及整個飛機發動機的設計角度，發動機需要選擇具有較小推重比以及較大翼載荷的，在任務分析階段得到了各個起航任務階段燃油的消耗比和飛機的起重比，根據任務分析中得到的發動機的設計點循環參數以及飛機機翼本身幾何的設計參數初值，對飛機的主要幾何參數進行飛機發動機的一體化設計。從而可以得到飛機發動機的設計點總壓比整個飛機發動機的節流比。飛機的基本設計參數主要包括機翼面積以及展弦比、前后掠角等。飛機的機翼面積可以在飛機發動機的初步設計中進行確定，但是仍然需要根據不同的飛機結合其自身的情況對其進行合適的范圍選擇。根據前述的任務分析法可以確定飛機的主要幾何參數如飛機機身的計算長度和飛機機翼的延展長度，從而進一步可以飛機飛行的升阻特性等。

3? 飛機發動機性能一體化的發動機控制規律優化研究

發動機的節流比對整個飛機發動機性能具有重要的影響。發動機的節流比是指飛機的發動機的最大渦輪溫度與地面設計點的渦輪溫度之比。為了能夠準確獲得飛機在高空飛行的速度數據相關特性，在現代設計過程中一般需要將將飛機的節流比設計成大于1的形式。在實際的設計過程中一般選用節流比為1.03、1.05、1.07、1.08的四個狀態值，研究不同的發動機節流比對飛機發動機的性能具有十分重要的影響，結合不同的節流比對飛機的渦輪發動機進行性能的對比分析，從而可以確定最佳的節流比值，從而為發動機的高效運行奠定基礎。

4? 結語

本文對飛機發動機的一體化性能方面進行了詳細分析和闡述，得到了飛機主要幾何參數設計選擇規律，對新一代飛機發動機的一體化設計具有重要的工程意義。增大飛機的節流比，可以擴大飛機的設計約束飛行能力，從而提高飛機降落在可行域的范圍內。對于不同的飛機發動機選擇恰當的節流比能夠有效擴大飛機的設計約束可行域，從而可以有效地降低飛機的運行成本，同時也提高了飛機運行的安全性。

參考文獻

[1] 宋文艷，孟乒乒，柴政.基于飛機發動機性能一體化的發動機控制規律優化設計方法研究[J].推進技術，2018，39（12）：2660-2669.

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