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基于GasTurb软件涡桨发动机性能计算.rar

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    编号:20181030002725251    类型:共享资源    大小:2.40MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    基于 GasTurb 软件 发动机 性能 计算
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    本科毕业设计(论文)基于 Gasturb 软件的涡桨发动机性能计算学生姓名: 杨栗 专 业: 飞行器动力工程 学 号: 121145133 指导教师: 张银波 所属学院: 航空工程学院 二〇一六年六月中国民航大学本科毕业设计(论文)基于 Gasturb 软件的涡桨发动机性能计算The Performance Calculation of Turboprop Engine Based on Gasturb 学生姓名:杨栗专 业:飞行器动力工程学 号:121145133指导教师:张银波学 院:航空工程学院2016 年 6 月创见性声明本人声明:所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果,论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果,均加以特别标注并在此表示致谢。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。毕业论文作者签名: 签字日期: 年 月 日本科毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计(论文)的规定。特授权中国民航大学可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计(论文)的复印件和磁盘。(保密的毕业论文在解密后适用本授权说明)毕业论文作者签名: 指导教师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘 要数值仿真技术随着计算机应用的深入和发展也在不断改善,尤其在发动机设计方面的应用趋于成熟。而涡桨发动机以其较高的推进效率和良好的经济性在低速领域得到了广泛应用,运用 Gasturb 软件对涡桨发动机模型进行共同工作和三大特性(转速特性,高度特性和速度特性)的分析和研究,可以大幅度节约发动机的设计成本并且简化设计步骤。作为专门的燃气涡轮发动机数值仿真软件,Gasturb 12 提供了多种发动机型号的模拟运行和性能分析,可以自行设定发动机部件参数、外界参数和控制规律等等,然后对设计点和非设计点自动计算得到各个站位的参数。同时 Gasturb 能根据发动机和外界参数计算出共同工作线和三大特性曲线,进行涡桨发动机的性能分析。由于具有技术成熟,可靠性高,耗油率低的有时,在世界油价持续大幅上升的情况下,涡轮螺旋桨发动机将在民用航空支线航空市场中再次得到广泛的应用。作为涡轮螺旋桨发动机自身也有着巨大的技术进步,从单轴的涡桨发动机到自由涡轮涡桨发动机;从普通变距桨到对转螺旋桨,直到发展到桨扇发动机。因此,对涡轮螺旋桨发动机进行性能分析和性能计算,为发动机的改进改型,提高性能和经济性,做好基础准备,使之能够占领更为广阔的民用航空市场,具有非常重要的现实意义。[1]关键词:数值仿真;涡桨发动机;Gasturb;共同工作;三大特性AbstractThe numerical simulation technology is improving with the deep-going and development of computer application. The application tend to be developed especially in gas turbine engine design. And turboprop is widely used because of it’s higher propulsion efficiency and good economy in the low speed area. Using Gasturb software to analyze and research the common work and the three characteristics (rotational speed characteristics, height and speed characteristics) of the turbine engine model will greatly reduce the design cost and simplify the design process of the engine. As a specialized numerical simulation software for gas turbine engine, Gasturb 12 provides a variety of engine models for the simulation of operation and performance analysis. And user can set the parameters of the engine components, external parameters and control laws and so on. The same time according to the engine and the external parameters, Gasturb can calculate the common working line and the three characteristic curve, and the performance of the turbine engine is analyzed.Because of the advantages including mature technology, high reliability, low fuel consumption rate, in the case of world oil prices continued to rise sharply, turboprop engine will be widely used again in civil regional aviation market. The turboprop engine also has great technological progress, from single axis turboprop engine to double axis turboprop engine with free turbine; from normal variable-pitch propeller to contrary turning propeller, and finally to propfan engine. Therefore, performance analysis and performance calculation of turboprop engine has a very important practical significance for retrofit of engine, improvement of performance and economy and being prepared to be able to occupy a broader civil aviation market. [1]Key Words: Numerical Simulation; Turbofan Engine; Gasturb; Co-operating; Engine Three Major Characteristics 目 录第 1 章 绪论 ........................................................................................................................11.1 发动机性能分析发展 ............................................................................................11.2 Gasturb 12 简介 .....................................................................................................1第 2 章 涡桨发动机的共同工作与三大特性 ....................................................................52.1 涡桨发动机的稳定工作状态 ................................................................................52.2 涡轮螺旋桨发动机的过渡工作状态 ....................................................................72.3 涡轮螺旋桨发动机的三大特性 ............................................................................7第 3 章 程序分析 ................................................................................................................93.1 设计点计算程序 ....................................................................................................93.1.1 设计点参数计算 ..........................................................................................93.1.2 热力循环 T-S 图、P-V 图和螺旋桨性能 ................................................133.2 非设计点计算 ......................................................................................................153.2.1 非设计点参数输入 ....................................................................................153.2.2 单双轴共同工作线输出及分析 ................................................................173.3 涡桨发动机特性图及分析 ..................................................................................193.3.1 转速特性图 ................................................................................................193.3.2 高度特性图 ................................................................................................223.3.3 速度特性图 ................................................................................................24第 4 章 结论 ......................................................................................................................264.1 结果分析 ..............................................................................................................264.2 涡桨发动机发展趋势和 Gusturb 应用展望 .......................................................27参考文献 ..............................................................................................................................29致 谢 ..................................................................................................................................30附录:外文翻译资料 ..........................................................................................................31中国民航大学本科毕业设计论文1第 1 章 绪论1.1 发动机性能分析发展20 世纪 80 年代前,进行航空燃气涡轮发动机设计必须实际制造出对应发动机,之后才能试车、试飞,得到具体发动机参数。导致成本高,设计难度大,发动机研制进程放缓。而航空发动机的技术水平是制约整机性能提升的主要因素,随着计算机的兴起,数值仿真技术和相应软件的应运而生。20 世纪 80 年代后,新开发的多种发动机性能分析软件允许模拟实际发动机,通过计算机的强大运算能力求解出发动机设计中需要的大量数据并代替人进行演算,运算准确率高,运算速度快。据国内外统计,航空发动机研制过程中采用数值仿真技术研制时间节约近33%,研制费用节省大约 50%。该技术是航空发动机研制技术的一个重要发展方向,为世界各航空发动机研制厂家所高度重视。国内外发展现状:美国 NASA 的推进系统数值仿真计划(NPSS) ,已实现三维动态多学科仿真和发动机动态(如起飞)综合仿真;美国同时开展了发动机部件数值仿真计划,如针对燃烧室的 NCC 计划;俄罗斯中央航空发动机研究院的 CGTES、欧洲国家航天实验室 NLR 的 GSP 软件及德国的 Gasturb 软件。国内航空发动机方面的数值仿真技术正在迅速发展,但仍处于世界较低水平。主要原因有研究开展较晚、部件仿真技术相对落后和缺乏发动机和计算机同时精通的人才 [2]。基于 Gasturb 软件涡桨发动机性能分析的主要研究目的在于利用 Gasturb 软件得到涡桨发动机的共同工作特性、高度特性、转速特性、速度特性、部件特性等。结合涡桨发动机知识,通过 Gasturb 自身集成的变量计算、参数分析和数据呈现功能完成其总体性能分析,给出涡桨发动机的适用特点。1.2 Gasturb 12 简介Gasturb 软件是针对估测燃气涡轮发动机设计点和非设计点性能设计的,作者是德国 MTU 公司的燃气轮机运行性能专家 Joachim Kurzke 博士,作者从 20 世纪 70年代至今一直在燃气轮机仿真实验和研究开发领域工作。 [3]目前更新到 Gasturb 12,对之前的 Gasturb 版本数据部分兼容,运行时会对异常数据标记为 11111 以修改。Gasturb12 增加了内流空气系统,在 NGV 空气冷却基础上增加了转子冷却空气的仿真。Gasturb 12 的基本功能:(1)基础热力学计算(Basic Thermodynamics)a.热力循环设计中国民航大学本科毕业设计论文2b.非设计点性能(2)发动机设计(Engine Desgin )a.性能(Performance)界面提供更详细的发动机数值仿真,可以输入更多的入口参数。并且支持额外的性能分析:如蒙特卡洛算法和循环优化计算等。b.附加(More )界面。基础的性能界面只需要一部分尺寸参数如喷气发动机涡轮出口导向叶片。附加界面能输入流动环道、压气机、和涡轮等的形状和尺寸,相应的数值仿真结果也更加接近实际数据,同时计算发动机的几何尺寸。(3)发动机构型选择(Engine Configurations )从喷气发动机(Jet Engine) 、燃气涡轮(Gas Turbine)和推进装置(Propulsion )树状图三个界面均可以选择发动机构型。内置构型如下图:a. 航空发动机图 1-1 航空发动机构型中国民航大学本科毕业设计论文3b. 地面燃气轮机图 1-2 地面燃气轮机构型提供构型种类涵盖了绝大多数发动机种类,选中某构型后点击性能(Performance )界面即可选中构型开始计算。(3)设计点计算a.选中构型后直接计算出各站位数据,并且能进行单一参数变量分析b.自定义参数(如 T3/T2,原不存在于列表中)c.迭代算法:指定某参数的特定输出值,自动迭代计算出其它对应数据。但需注意部分参数定义值范围过窄可能导致无法求出,范围过宽则增压比落压比可能异常。d.提供公制英制单位转换(4)循环设计附加项a.参数分析b.寻求最优解c.蒙特卡洛算法d.小变量特性中国民航大学本科毕业设计论文4(5)非设计点计算a.计算工作线b.小变量特性c.飞行包线d.蒙特卡洛算法e.部件级测试分析f.稳态发动机控制g.发动机瞬态性能分析(6)发动机部件级模拟模块a.燃油相关:空气和燃烧室燃气、燃油、湿度、雾化、水和水蒸气注入及标准大气。b.部件性能图表:部件性能图表包括变量、参数值。 、函数值三个部分。涵盖下列部分:进气道、压气机、雷诺修正、螺旋桨、涡轮。同时部件性能图表还提供了Smooth C 和 Smooth T,可以通过导入性能图表等方式用于验证压气机和涡轮的运行是否一致并符合物理规律。c.进气道:试飞、试车和发电输入模式,压力损失,海拔测试装置和发电产生的进排气损失。d.压气机:压气机设计、压气机计算、压气机效率估测、再循环放气、湿压缩和进气流畸变修正。e.附件齿轮箱f.管流损失g.内部冷却器h.热交换器i.燃烧室:升温值、非设计点效率、压力损失、连续燃烧和排气成分。j.涡轮设计:涡轮设计、叶片金属温度、叶间间隙修正和叶片应力。k.涡轮性能计算:无冷却涡轮、带冷却涡轮、气动热力学涡轮效率l.排气管损失m.混合器n.加力燃烧室:加力燃烧效率和加力燃烧压力损失。o.燃油喷嘴p.二次流空气系统q.螺旋桨(7)发动机几何尺寸发动机几何尺寸可在(2)发动机构型中选择后固定,本部分额外提供了自行设计发动机各个部件的功能。可设计内容:进气道、压气机、燃烧室、涡轮、引气管
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