CN106156436B - 一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法，所述可调叶片角度分级调控的压气机建模方法适用于两级可调叶片的压气机，一级为可调导流叶片，另一级为可调静子叶片，所述可调叶片角度分级调控的压气机建模方法包括，步骤一：建立可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机特性；步骤二、利用建立的压气机特性完成压气机模型计算。本发明的可调叶片角度分级调控的压气机建模方法解决了进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机模型建立问题，或解决了必须依赖于发动机模型的控制系统设计和试验问题。

Description

一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法
技术领域
本发明属于航空发动机设计技术领域，尤其涉及一种可调叶片角度分级调控压气机建模方法。
背景技术
建立航空发动机数学模型是分析发动机特性、研究控制规律，进行控制系统设计、数字仿真和半物理模拟试验的基础。依据部件特性建立发动机数学模型的方法，称为部件法。目前，部件法仍然是发动机建模的主要方法，其基本思路是：利用发动机各部件特性和发动机共同工作条件，如流量平衡、压力平衡、转速相等条件，建立描述发动机气动热力特性的非线性方程组，通过对非线性方程组的求解，找到发动机的共同工作点，最终就可以确定发动机的各截面参数和整机性能参数。
压气机部件的数学模型一般有两种形式，一种是基于级特性进行计算，另一种是基于全台特性进行计算。基于级特性建立的压气机模型计算量很大，所以，用于进行控制系统设计、数字仿真和半物理模拟试验的发动机实时模型普遍基于压气机全台特性进行计算。已知压气机的换算转速和压比，根据压气机特性线插值出压气机的进口换算流量(表达式为：Wc＝f1(nc,π))和压气机效率(表达式为：ηc＝f2(nc,π))。
随着航空发动机的发展，压气机的单级压比不断提高，压气机也由几何不可变向几何可变发展。通过改变压气机导叶的角度提高压气机的性能和喘振裕度，防止发动机进喘，提高发动机整机性能和稳定性。许多航空发动机的风扇、压气机应用了在压气机进口采用可调导流叶片、前几级采用可调静子叶片的方案，在压气机试验件试验时进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制，获得试验特性后，固定可调导流叶片和可调静子叶片的角度相对关系，在机匣外部设置连杆结构，使可调导流叶片和可调静子叶片角度保持同步调节。当用压气机、燃烧室和涡轮，装配发动机的核心机进行试验时，可调导流叶片角度和可调静子叶片角度是联调的，控制系统只需控制可调叶片角度一个变量。在建立发动机核心机数学模型时，压气机模型只需考虑一个叶片角度变化对压气机全台特性的影响。随着叶片角度的增大或减小，风扇或压气机的增压比和流量将会有所改变，所以，建立模型时，应该在已有的部件模型基础上，考虑叶片角度的变化对流量(Wc＝f1(nc,π,α))和效率(ηc＝f2(nc,π,α))的影响，其中α是叶片角度。
目前，针对装配进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机的发动机，控制系统在设计、仿真和半物理模拟试验过程中需要利用发动机模型实现对控制系统的进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度两个控制回路进行设计和试验，而配装进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机暂未有一种特性描述方法，且可调进口导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的发动机模型的建模方法也并未有一种设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法，用于解决上述问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法，所述可调叶片角度分级调控的压气机建模方法适用于两级可调叶片的压气机，一级为可调导流叶片，另一级为可调静子叶片，所述可调叶片角度分级调控的压气机建模方法包括
步骤一：建立可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机特性
根据压气机试验件的试验结果和/或计算修正结果梳理出压气机的设计特性，由于压气机可调导流叶片角度α0和可调静子叶片角度α1的调节都对压气机的特性有影响，因此要确定可调导流叶片角度和可调静子叶片角度的变化范围，建立导流叶片角度α0和静子叶片角度α1在可调边界的特性曲线；
步骤二、利用建立的压气机特性完成压气机模型计算
根据所求相对换算转速N比较判断插值所需转速特性线组，根据α0和α1确定计算所需的边界特性线，用插值法建立压气机的所求转速的设计特性线和边界特性线，进而建立所求转速对应导流叶片角度和可调静子叶片角度状态下的压气机的新特性线，利用新特性线，根据压气机压比，插值求得出压气机换算空气流量和效率，并建立数学模型描述方程：
Wc＝f1(nC,π,α0,α1)和ηc＝f2(nC,π,α0,α1)
其中，nC为相对换算转速，π为压气机压比，Wc为压气机的进口换算流量，ηc为压气机的效率。
进一步地，所述两级可调叶片的压气机中可调导流叶片在压气机第一级转子叶片前，可调静子叶片在压气机转子叶片后，所述前为靠近压气机进气口方向。
进一步地，步骤一中，建立导流叶片角度α0和静子叶片角度α1在可调边界的特性曲线包括
1.1)建立压气机设计特性图
建立可调导流叶片角度α0和可调静子叶片角度α1都在设计角度的压气机设计特性。
1.2)确定α0的变化范围，建立α0左右边界特性线
保持可调静子叶片角度α1不变，确定可调导流叶片角度α0角度分别在最小值或称左边界和最大值或称右边界时的压气机特性曲线；对应每个转速有三条特性线；
1.3)确定α1的变化范围，建立的α0、α1边界特性线
确定对应每个相对换算转速，当可调导流叶片角度α0在左边界、设计角度、右边界三种角度的情况下，可调静子叶片角度α1分别在左边界、右边界角度的特性曲线，令α0在左边界、α1在左边界的线为左左；α0不变、α1在左边界的线为中左；α0在右边界、α1在左边界的线为右左；同理命名其它六条曲线；
按照步骤1.1至步骤1.3确定各相对换算转速的压气机特性线组。
进一步地，为方便压气机模型计算方法描述，定义如下表达方式：
(α0α1)表示压气机可调导流叶片角度和可调静子叶片角度值
[a b]表示叶片角度调整域从a到b值
[a b c][d e f]表示已知α0分别对应a、b、c值时和α1分别对应d、e、f值时的压气机特性线组，分别为(a d)(a e)(a f)(b d)(b e)(b f)(c d)(c e)(c f)这9条压气机特性线，当α0＝a时是α0的左边界，当α0＝c时是α0的右边界，当α1＝d是α1的左边界，当α1＝f是α1的右边界。
进一步地，步骤二中，压气机模型计算包括：
2.1)确定插值转速和所求转速N的α0和α1的变化范围
根据所求转速N的值，通过比较的方法确定用于插值的已知特性线转速Ni和Ni+1，由所求转速N、已知转速Ni及其角度α0[ai bi ci]α1[diei fi]和已知转速Ni+1及其角度α0[ai+ 1bi+1ci+1]α1[di+1ei+1fi+1]，利用一维线性插值公式
取y1分别为ai、bi、ci，y2分别为ai+1、bi+1、ci+1，求得所求转速N的α0[a b c]的a b c值；取y1分别为di、ei、fi，y2分别为di+1、ei+1、fi+1，求得所求转速N的α1[d e f]的def值，i＝1，2，3…n；
2.2)确定用于下一步插值计算的Ni的四条特性线和Ni+1的四条特性线
由所求转速N的α0和α1确定用于插值的特性线在设计特性(b e)对应角度的左侧还是右侧。若α0和α1同时在设计特性(b e)对应角度的左侧，使用Ni的α0[ai bi]α1[diei]对应的四条特性线，(α0 α1)分别为(aidi)、(bi di)、(aiei)、(biei)，同理确定Ni+1的四条特性线，分别为(ai+1 di+1)、(bi+1 di+1)、(ai+1ei+1)、(bi+1ei+1)，共八条特性线；若α0和α1同时为右侧，同理确定八条特性线分别为转速Ni的四条特性线(biei)、(ciei)、(bi fi)、(ci fi)和Ni+1的四条特性线(bi+1ei+1)、(ci+1ei+1)、(bi+1fi+1)、(ci+1fi+1)；若α0为左侧α1为右侧，确定八条特性线分别为转速Ni的四条特性线(aiei)、(biei)、(ai fi)、(bi fi)和Ni+1的四条特性线(ai+1ei+1)、(bi+ 1ei+1)、(ai+1fi+1)、(bi+1fi+1)；若α0为右侧α1为左侧，确定八条特性线分别为转速Ni的四条特性线(bi di)、(ci di)、(biei)、(ciei)和Ni+1的四条特性线(bi+1 di+1)、(ci+1 di+1)、(bi+1ei+1)、(ci+1ei+1)；
2.3)求出所求转速N和所求角度α0和α1的四条新边界特性线
若α0和α1都在设计特性角度的左侧，由转速Ni的(ai di)特性线和Ni+1的(ai+1 di+1)特性线，插值出所求转速N的角度(α0 α1)为(a d)的新的特性线，即“N(a d)”，由转速Ni角度(bi di)特性线和转速Ni+1角度(bi+1 di+1)特性线插值出所求转速N的角度(α0 α1)为(b d)的新的特性线“N(b d)”，由转速Ni角度(aiei)特性线和转速Ni+1角度(ai+1ei+1)特性线插值出所求转速N的(α0 α1)为角度(a e)的新特性线“N(a e)”，由转速Ni角度(biei)特性线和转速Ni+1角度(bi+1ei+1)特性线插值出所求转速N的角度(α0 α1)为(b e)的新特性线“N(b e)”；
若α0和α1都在设计特性角度右侧，求出所求转速N和所求角度α0和α1的“N(b e)”、“N(c e)”、“N(b f)”和“N(c f)”四条新边界特性线；
若α0在设计特性角度的左侧、α1在设计特性角度的右侧，求出对应所求转速N和所求角度α0和α1的“N(a e)”、“N(b e)”、“N(a f)”和“N(b f)”四条新边界特性线；
若α0在设计特性角度的右侧、α1在设计特性角度的左侧，求出对应所求转速N和所求角度α0和α1的“N(b d)”、“N(c d)”、“N(b e)”和“N(c e)”四条新边界特性线；
2.4)利用四条新边界特性线插值求出可调静子叶片角度α1的两条新边界特性线
根据步骤2.3插值出的所求转速N和所求角度α0和α1的四条新边界特性线，插值求出所求转速N和所求角度α0的、针对可调静子叶片角度α1的两条新边界特性曲线；
若α0和α1都在设计特性角度的左侧，利用“N(a d)”和“N(b d)”两条特性线，插值出“N(α0 d)”特性线，利用“N(a e)”和“N(b e)”两条特性线，插值出“N(α0 e)”特性线；
若α0和α1都在设计特性角度右侧，求出“N(α0 e)”和“N(α0 f)”特性线；
若α0在设计特性角度的左侧、α1在设计特性角度的右侧，求出“N(α0 e)”和“N(α0f)”特性线；
若α0在设计特性角度的右侧、α1在设计特性角度的左侧，求出“N(α0 d)”和“N(α0e)”特性线；
2.5)求出所求转速N和所求角度α0、α1的特性线
由上一步求出的可调静子叶片角度α1的两条新边界特性线，插值求出所求转速N和所求角度α0、所求角度α1的特性线。若α0和α1都在设计特性角度的左侧，利用第四步获得的“N(α0 d)”特性线和“N(α0 e)”特性线，插值出“N(α0 α1)”特性线；若α0和α1都在设计特性角度右侧，利用第四步获得的“N(α0 e)”和“N(α0 f)”特性线插值出“N(α0 α1)”特性线；若α0在设计特性角度的左侧、α1在设计特性角度的右侧，利用第四步获得的“N(α0 e)”和“N(α0f)”特性线插值出“N(α0 α1)”特性线；若α0在设计特性角度的右侧、α1在设计特性角度的左侧，利用第四步获得的“N(α0 d)”和“N(α0 e)”特性线插值出“N(α0 α1)”特性线。
2.6)完成压气机模型计算
应用上述计算方法，计算出的“N(α0 α1)”特性线是针对所求转速N、所求α0、所求α1的一条“压比－流量”特性线和一条“压比－效率”特性线；利用这两条特性线，根据压气机的压比，比较求得πj和πj+1及对应的Wj、ηj和Wj+1、ηj+1，按照下列公式可以计算出压气机的换算空气流量和效率，完成压气机模型的计算；
根据求出的压气机换算空气流量W，求出压气机进口空气流量，根据求出的压气机换算效率η，求出压气机工作效率，考虑压气机引气量，求出压气机的参数，所述参数包括出口空气流量、熵、焓、功率，最终完成压气机模型的计算。
本发明还提供了一种发动机建模方法，所述发动机包括压气机、燃烧室和涡轮，建立如权利要求1至5任一所述的压气机模型，并根据发动机工作原理，利用压气机模型的计算结果和燃烧室、涡轮的工作特性，完成发动机燃烧室和涡轮的模型计算；其中
根据上述步骤2.6求出的压气机出口空气流量，计算燃烧室参数，所述燃烧室参数包括油气比、余气系数、焓、出口燃气流量、出口总压、燃烧效率和出口温度，完成燃烧室的模型计算；
利用涡轮的特性和工作原理求出涡轮参数，所述涡轮参数包括空气流量、效率、温度和涡轮输出功率，完成涡轮的模型计算。。
本发明的一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法解决了进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机模型建立问题，解决了必须依赖于发动机模型的控制系统设计和试验问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1-1和1-2为本发明的可调导流叶片α0角度和可调静子叶片α1角度不变的压气机特性图；其中，图1-1是压比－流量特性图，图1-2是压比－效率特性图，纵坐标是压气机的压比，图1-1的横坐标是换算空气流量，图1-2的横坐标是压气机效率，图中曲线是等相对换算转速线，图中示意了相对换算转速分别为0.7、0.8、0.85、0.9、0.95和1.0的六条压气机设计特性线。
图2-1和图2-2为本发明的α1不变情况下α0的左右边界特性线示意图，其中，图2-1和图2-2示意了相对换算转速为0.9及相邻转速，保持可调静子叶片角α1在设计角度不变，可调导流叶片角度α0在最小值(左边界)和最大值(右边界)的左右边界特性，每个相对换算转速有α0左边界、设计角度和α0右边界的三条特性线，其中粗实线是可调导流叶片角度和可调静子叶片角度都在设计角度的相对换算转速为0.9的压气机特性线。
图3-1和图3-2为本发明的α0和α1分别控制的压气机特性线组示意图，其中，图3-1和图3-2示意了一个等相对换算转速的9条特性线，可调导流叶片角度α0在左边界、设计角度、右边界三种角度情况下，可调静子叶片角度α1分别在左边界、设计角度、右边界角度的特性曲线组。
图4为本发明的压气机模型计算流程图，按照图4所示的计算流程图，可以完成可调导流叶片α0角度和可调静子叶片α1角度分别调控的压气机模型的计算。
图5-1和图5-2为本发明根据所求N、α0和α1确定的Ni和Ni+1的四条特性线，其中，图5-1和图5-2示意了用于下一步插值计算的Ni的四条特性线和Ni+1的四条特性线，图中所示是α0和α1同时在设计特性(b e)对应角度左侧的情况。
图6-1和图6-2为本发明的用Ni和Ni+1的四条特性线插值出所求N、α0和α1的四条边界特性线，其中，图6-1和图6-2示意了用图5-1和图5-2中的Ni的四条特性线和Ni+1的四条特性线插值求出所求相对换算转速N、α0和α1的四条边界特性线，图中左侧为相对换算转速Ni的四条特性线，右侧为相对换算转速Ni+1的四条特性线，中间一组是插值得到的相对换算转速N的四条特性线。
图7-1和图7-2为本发明的插值出“N(α0 d)”和“N(α0 e)”特性线示意图，其中，图7-1和图7-2示意了用图6-1和图6-2求得的相对换算转速N的四条特性线，插值求出所求相对换算转速、所求可调导流叶片角度的“N(α0 d)”和“N(α0 e)”两条特性线。
图8-1和8-2为本发明的利用“N(α0 d)”和“N(α0 e)”插值出“N(α0 α1)”特性线，其中，图8-1和图8-2示意了用图7-1和图7-2求得的“N(α0 d)”和“N(α0 e)”两条特性线，插值出所求相对换算转速、所求可调导流叶片角度和所求可调静子叶片角度的“N(α0 α1)”特性线。
图9-1和图9-2为本发明的根据压比计算压气机换算空气流量和效率示意图，其中，图9-1和图9-2示意了用图8-1和图8-2求得的所求相对换算转速、所求可调导流叶片角度和所求可调静子叶片角度的“N(α0 α1)”特性线，根据压气机的压比计算压气机换算空气流量和效率。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中,需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面以一具体实施例对本发明做进一步说明，例如要建立包含进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机、主燃烧室和涡轮的发动机模型，完成发动机相对换算转速为0.975工作状态的模拟计算，此时，压气机的进口可调导叶角度为-7度，一级静子可调叶片角度为-3度，压比为4.0。
按照传统方法完成燃烧室和涡轮特性的建立，按照本发明提出的方法建立进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机部件特性。
一、建立可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机特性
根据压气机试验件的试验结果和计算修正结果梳理出压气机对应每个换算转速的设计特性，确定各换算转速的可调导流叶片角度α0和可调静子叶片角度α1的变化范围，建立导流叶片角度α0和静子叶片角度α1在可调边界的特性曲线。
1.1)建立压气机设计特性图
梳理出可调导流叶片角度α0和可调静子叶片角度α1都在设计角度、相对换算转速分别为0.7、0.8、0.85、0.9、0.95和1.0的六条压气机设计特性线，如图1-1和图1-2所示。图1-1是压比－流量特性图，图1-2是压比－效率特性图。各相对换算转速对应的α0的设计角度不同，α1的设计角度也不相同。
相对换算转速0.95的特性线对应的α0的设计角度为-8，α1的设计角度为-4。相对换算转速1.0对应的α0的设计角度为0，α1的设计角度为0。
2.2)确定α0的变化范围，建立α0左右边界特性线
对应每个相对换算转速，保持可调静子叶片角α1在设计角度不变，确定可调导流叶片角度α0变化的左右边界特性，每个相对换算转速对应的α0的左边界角度不是必须相同，右边界也不是必须相同。对应每个转速有α0左边界、设计角度和α0右边界的三条特性线，如图2-1和图2-2所示。
相对换算转速0.95的特性线保持α1在设计角度-4不变，对应的角度α0的左边界角度为-10，设计角度为-8，右边界角度为-6。相对换算转速为1.0特性线保持α1在设计角度0不变，对应的α0的左边界角度为-5，设计角度为0，右边界角度为2。
1.3)确定α1的变化范围，建立的α0、α1边界特性线
确定对应每个相对换算转速，当可调导流叶片角度α0在左边界、设计角度、右边界三种角度情况下，可调静子叶片角度α1分别在左边界、设计角度、右边界角度的特性曲线，如图3-1和图3-2所示。
相对换算转速0.95对应的α1的左边界角度为-6，设计角度为-4，右边界角度为-2。相对换算转速为1.0对应的α1的左边界角度为-7，设计角度为0，右边界角度为4。
由以上三步，我们确定了相对换算转速0.95的特性线对应的角度α0和α1分别为[-10 -8 -6]和[-6 -4 -2]，相对换算转速为1.0特性线对应的角度α0和α1分别为[-5 0 2]和[-7 0 4]。
转速0.95：α0[-10 -8 -6]α1[-6 -4 -2]的9条特性线：左左(-10 -6)、左中(-10 -4)、左右(-10 -2)、中左(-8 -6)、设计角度(-8 -4)、中右(-8 -2)、右左(-6 -6)、右中(-6 -4)和右右(-6 -2)。
转速1.0：α0[-5 0 2]α1[-7 0 4]的9条特性线：左左(-5 -7)、左中(-5 0)、左右(-54)、中左(0 -7)、设计角度(0 0)、中右(0 4)、右左(2 -7)、右中(2 0)和右右(2 4)。
二、利用建立的压气机特性完成压气机模型计算
按照图4所示的计算流程进行压气机模型的计算。
2.1)确定插值相对换算转速和对应所求相对换算转速0.975的α0和α1的变化范围
由于相对换算转速0.975在0.95和1.0之间，所以利用相对换算转速0.95和1.0的特性线进行插值。确定用于插值的已知特性线是Ni＝0.95和Ni+1＝1.0两组，转速Ni及其角度α0[ai bi ci]α1[diei fi]即转速0.95α0[-10 -8 -6]α1[-6 -4 -2]，转速Ni+1及其角度α0[ai+1bi+1 ci+1]α1[di+1 ei+1 fi+1]即转速1.0α0[-5 0 2]α1[-7 0 4]。
由一维线性插值公式取y1分别为-10、-8、-6，对应y2分别为-5、0、2，求得y分别为-7.5、-4、-2，即转速为0.975的α0为[-7.5-4-2]；取y1分别为-6、-4、-2，对应y2分别为-7、0、4，求得转速为0.975的α1[d e f]为α1[-6.5 -2 1]。
2.2)确定用于下一步插值计算的转速0.95的四条特性线和转速1.0的四条特性线
所求的转速0.975所求角度α0＝-7和α1＝-3都在转速0.975设计特性对应角度α0＝-4和α1＝-2特性线的左侧，故将使用转速为0.95角度为α0[-10-8]α1[-6 -4]对应的四条特性线(分别为(-10 -6)、(-8 -6)、(-10 -4)、(-8 -4))和转速为1.0的α0[-5 0]α1[-7 0]对应的四条特性线(分别为(-5 -7)、(0 -7)、(-5 0)、(0 0))，参见图5-1和图5-2。
2.3)求出对应所求转速0.975和所求角度α0＝-7和α1＝-3的四条新边界特性线
由转速0.95的(-10 -6)特性线和转速1.0的(-5 -7)特性线，插值出对应转速0.975的(α0 α1)角度为(-7.5 -6.5)的新特性线“0.975(-7.5 -6.5)”；由转速0.95的(-8 -6)特性线和转速1.0的(0 -7)特性线插值出对应转速0.975的角度(α0 α1)为(-4 -6.5)的新特性线“0.975(-4 -6.5)”；由转速为0.95角度为(-10 -4)特性线和转速为1.0角度为(-50)特性线插值出转速为0.975的角度(α0 α1)为(-7.5 -2)的新特性线“0.975(-7.5 -2)”；由转速为0.95角度为(-8 -4)特性线和转速为1.0角度为(0 0)特性线插值出转速为0.975的角度(α0 α1)为(-4 -2)的新特性线“0.975(-4 -2)”，参见图6-1和图6-2。
2.4)利用四条新边界特性线插值求出可调静子叶片角度α1的两条新边界特性线
利用转速“0.975(-7.5 -6.5)”和转速“0.975(-4 -6.5)”两条特性线，插值出转速为0.975的角度(α0 α1)为(-7 -6.5)的“0.975(-7 -6.5)”特性线；利用转速“0.975(-7.5 -2)”和“0.975(-4 -2)”两条特性线插值出转速为0.975的角度(α0 α1)为(-7 -2)的“0.975(-7 -2)”特性线。参见图7-1和图7-2。
2.5)求出对应所求转速N和所求角度α0、α1的特性线
由“0.975(-7 -6.5)”和“0.975(-7 -2)”特性线，插值出转速为0.975的角度(α0α1)为(-7 -3)的“0.975(-7 -3)”特性线，如图8-1和图8-2所示。
2.6)完成压气机模型计算
利用“0.975(-7-3)”的“压比－流量”特性线和“压比－效率”特性线，根据压比π＝4.0，比较求得πj和πj+1及对应的Wj、ηj和Wj+1、ηj+1，按照公式计算出压气机的换算空气流量W；按照公式计算出压气机的效率η，参见图9-1和图9-2。
根据求出的压气机换算空气流量W，求出压气机进口空气流量，根据求出的压气机换算效率η，求出压气机工作效率，考虑压气机引气量，求出压气机的出口空气流量、熵、焓、功率等参数，完成压气机部件模型计算。
本发明还提供了一种发动机建模方法，根据发动机工作原理，利用压气机模型计算结果和发动机其他部件的工作特性，完成发动机其他部件的模型计算，发动机其他部件包括燃烧室和涡轮，其中，燃烧室的作用是把进入燃烧室的压气机增压后的空气与控制系统喷入燃烧室的燃油进行燃烧，吸收热能的高温燃气流向涡轮，根据上述步骤2.6求出的压气机出口空气流量，利用流量平衡原理可以计算出进入主燃烧室的空气流量，与控制系统输出到燃烧室的燃油量同为输入条件，计算燃烧室参数，所述燃烧室参数包括油气比、余气系数、焓、出口燃气流量、出口总压、燃烧效率和出口温度，完成主燃烧室部件模型计算；涡轮的作用是使从燃烧室流入的高温气体膨胀产生机械能，带动压气机旋转，利用涡轮部件特性和工作原理可以求出涡轮参数，所述涡轮参数包括空气流量、效率、温度和涡轮输出功率，完成涡轮部件模型计算，最终完成发动机模型稳态、动态模型计算。发动机模型稳态仿真计算时，涡轮输出功率与压气机消耗功率在考虑高压轴机械效率后相等，根据功率平衡方程完成发动机模型计算；动态仿真计算时，功率平衡方程转变成转子动力学方程，仿真发动机转速上升的过程。
本发明的一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法解决了进口可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机模型建立问题，解决了必须依赖于发动机模型的控制系统设计和试验问题，具有计算简单、易于理解、应用范围广等优点。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种可调叶片角度分级调控的压气机建模方法，其特征在于，所述可调叶片角度分级调控的压气机建模方法适用于两级可调叶片的压气机，一级为可调导流叶片，另一级为可调静子叶片，所述两级可调叶片的压气机中可调导流叶片在压气机第一级转子叶片前，可调静子叶片在压气机转子叶片后，所述前为靠近压气机进气口方向，所述可调叶片角度分级调控的压气机建模方法包括
步骤一：建立可调导流叶片角度和可调静子叶片角度分别控制的压气机特性
根据压气机试验件的试验结果和/或计算修正结果梳理出压气机的设计特性，由于压气机可调导流叶片角度α0和可调静子叶片角度α1的调节都对压气机的特性有影响，因此要确定可调导流叶片角度和可调静子叶片角度的变化范围，建立导流叶片角度α0和静子叶片角度α1在可调边界的特性曲线，具体过程包括：
1.1)建立压气机设计特性图
建立可调导流叶片角度α0和可调静子叶片角度α1都在设计角度的压气机设计特性；
1.2)确定α0的变化范围，建立α0左右边界特性线
保持可调静子叶片角度α1不变，确定可调导流叶片角度α0角度分别在最小值或称左边界和最大值或称右边界时的压气机特性曲线；对应每个转速有三条特性线；
1.3)确定α1的变化范围，建立的α0、α1边界特性线
确定对应每个相对换算转速，当可调导流叶片角度α0在左边界、设计角度、右边界三种角度的情况下，可调静子叶片角度α1分别在左边界、设计角度、右边界角度的特性曲线，令α0在左边界、α1在左边界的线为左左；α0不变、α1在左边界的线为中左；α0在右边界、α1在左边界的线为右左；同理命名其它六条曲线；
按照步骤1.1至步骤1.3确定各相对换算转速的压气机特性线组；
步骤二、利用建立的压气机特性完成压气机模型计算
根据所求相对换算转速N比较判断插值所需转速特性线组，根据α0和α1确定计算所需的边界特性线，用插值法建立压气机的所求转速的设计特性线和边界特性线，进而建立所求转速对应导流叶片角度和可调静子叶片角度状态下的压气机的新特性线，利用新特性线，根据压气机压比，插值求得出压气机换算空气流量和效率，并建立数学模型描述方程：
Wc＝f1(nC,π,α0,α1)和ηc＝f2(nC,π,α0,α1)
其中，nC为相对换算转速，π为压气机压比，Wc为压气机的进口换算流量，ηc为压气机的效率；
其中，压气机数学模型计算包括：
2.1)确定插值转速和所求转速N的α0和α1的变化范围
根据所求转速N的值，通过比较的方法确定用于插值的已知特性线转速Ni和Ni+1，由所求转速N、已知转速Ni及其角度α0[ai bi ci]α1[diei fi]和已知转速Ni+1及其角度α0[ai+1bi+ 1ci+1]α1[di+1ei+1fi+1]，利用一维线性插值公式取y1分别为ai、bi、ci，y2分别为ai+1、bi+1、ci+1，求得所求转速N的α0[a b c]的a b c值；取y1分别为di、ei、fi，y2分别为di+1、ei+1、fi+1，求得所求转速N的α1[d e f]的def值，i＝1，2，3…n；
2.2)确定用于下一步插值计算的Ni的四条特性线和Ni+1的四条特性线
由所求转速N的α0和α1确定用于插值的特性线在设计特性(b e)对应角度的左侧还是右侧；若α0和α1同时在设计特性(b e)对应角度的左侧，使用Ni的α0[ai bi]α1[diei]对应的四条特性线，(α0α1)分别为(aidi)、(bi di)、(aiei)、(biei)，同理确定Ni+1的四条特性线，分别为(ai+1 di+1)、(bi+1 di+1)、(ai+1ei+1)、(bi+1ei+1)，共八条特性线；若α0和α1同时为右侧，同理确定八条特性线分别为转速Ni的四条特性线(biei)、(ciei)、(bi fi)、(ci fi)和Ni+1的四条特性线(bi+1ei+1)、(ci+1ei+1)、(bi+1 fi+1)、(ci+1 fi+1)；若α0为左侧α1为右侧，确定八条特性线分别为转速Ni的四条特性线(aiei)、(biei)、(ai fi)、(bi fi)和Ni+1的四条特性线(ai+1ei+1)、(bi+ 1ei+1)、(ai+1 fi+1)、(bi+1 fi+1)；若α0为右侧α1为左侧，确定八条特性线分别为转速Ni的四条特性线(bi di)、(ci di)、(biei)、(ciei)和Ni+1的四条特性线(bi+1 di+1)、(ci+1 di+1)、(bi+ 1ei+1)、(ci+1ei+1)；
2.3)求出所求转速N和所求角度α0和α1的四条新边界特性线
若α0和α1都在设计特性角度的左侧，由转速Ni的(ai di)特性线和Ni+1的(ai+1 di+1)特性线，插值出所求转速N的角度(α0 α1)为(a d)的新的特性线，即“N(a d)”，由转速Ni角度(bidi)特性线和转速Ni+1角度(bi+1 di+1)特性线插值出所求转速N的角度(α0 α1)为(b d)的新的特性线“N(b d)”，由转速Ni角度(aiei)特性线和转速Ni+1角度(ai+1ei+1)特性线插值出所求转速N的(α0α1)为角度(a e)的新特性线“N(a e)”，由转速Ni角度(biei)特性线和转速Ni+1角度(bi+1ei+1)特性线插值出所求转速N的角度(α0α1)为(b e)的新特性线“N(b e)”；
若α0和α1都在设计特性角度右侧，求出所求转速N和所求角度α0和α1的“N(b e)”、“N(ce)”、“N(b f)”和“N(c f)”四条新边界特性线；
若α0在设计特性角度的左侧、α1在设计特性角度的右侧，求出对应所求转速N和所求角度α0和α1的“N(a e)”、“N(b e)”、“N(a f)”和“N(b f)”四条新边界特性线；
若α0在设计特性角度的右侧、α1在设计特性角度的左侧，求出对应所求转速N和所求角度α0和α1的“N(b d)”、“N(c d)”、“N(b e)”和“N(c e)”四条新边界特性线；
2.4)利用四条新边界特性线插值求出可调静子叶片角度α1的两条新边界特性线
根据步骤2.3插值出的所求转速N和所求角度α0和α1的四条新边界特性线，插值求出所求转速N和所求角度α0的、针对可调静子叶片角度α1的两条新边界特性曲线；
若α0和α1都在设计特性角度的左侧，利用“N(a d)”和“N(b d)”两条特性线，插值出“N(α0 d)”特性线，利用“N(a e)”和“N(b e)”两条特性线，插值出“N(α0 e)”特性线；
若α0和α1都在设计特性角度右侧，求出“N(α0 e)”和“N(α0 f)”特性线；
若α0在设计特性角度的左侧、α1在设计特性角度的右侧，求出“N(α0 e)”和“N(α0 f)”特性线；
若α0在设计特性角度的右侧、α1在设计特性角度的左侧，求出“N(α0 d)”和“N(α0 e)”特性线；
2.5)求出所求转速N和所求角度α0、α1的特性线
由上一步求出的可调静子叶片角度α1的两条新边界特性线，插值求出所求转速N和所求角度α0、所求角度α1的特性线；若α0和α1都在设计特性角度的左侧，利用第四步获得的“N(α0d)”特性线和“N(α0 e)”特性线，插值出“N(α0 α1)”特性线；若α0和α1都在设计特性角度右侧，利用第四步获得的“N(α0 e)”和“N(α0 f)”特性线插值出“N(α0 α1)”特性线；若α0在设计特性角度的左侧、α1在设计特性角度的右侧，利用第四步获得的“N(α0 e)”和“N(α0 f)”特性线插值出“N(α0 α1)”特性线；若α0在设计特性角度的右侧、α1在设计特性角度的左侧，利用第四步获得的“N(α0 d)”和“N(α0 e)”特性线插值出“N(α0 α1)”特性线；
2.6)完成压气机模型计算
应用上述计算方法，计算出的“N(α0 α1)”特性线是针对所求转速N、所求α0、所求α1的一条“压比－流量”特性线和一条“压比－效率”特性线；利用这两条特性线，根据压气机的压比，比较求得πj和πj+1及对应的Wj、ηj和Wj+1、ηj+1，按照下列公式可以计算出压气机的换算空气流量和效率，完成压气机模型的计算；
根据求出的压气机换算空气流量W，求出压气机进口空气流量，根据求出的压气机换算效率η，求出压气机工作效率，考虑压气机引气量，求出压气机的参数，所述参数包括出口空气流量、熵、焓、功率，最终完成压气机模型的计算，
上式中，(α0α1)表示压气机可调导流叶片角度和可调静子叶片角度值
[a b]表示叶片角度调整域从a到b值
[a b c][d e f]表示已知α0分别对应a、b、c值时和α1分别对应d、e、f值时的压气机特性线组，分别为(a d)(a e)(a f)(b d)(b e)(b f)(c d)(c e)(c f)这9条压气机特性线，当α0＝a时是α0的左边界，当α0＝c时是α0的右边界，当α1＝d是α1的左边界，当α1＝f是α1的右边界。
2.一种发动机建模方法，所述发动机包括压气机、燃烧室和涡轮，其特征在于，建立如权利要求1所述的压气机模型，并根据发动机工作原理，利用压气机模型的计算结果和燃烧室、涡轮的工作特性，完成发动机燃烧室和涡轮的模型计算；其中
根据上述步骤2.6求出的压气机出口空气流量，计算燃烧室参数，所述燃烧室参数包括油气比、余气系数、焓、出口燃气流量、出口总压、燃烧效率和出口温度，完成燃烧室的模型计算；
利用涡轮的特性和工作原理求出涡轮参数，所述涡轮参数包括空气流量、效率、温度和涡轮输出功率，完成涡轮的模型计算。
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