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航机/燃机总体性能

航机/燃机总体性能

GasTurb


1. 软件概述及著者简介


1.1 软件概述

       GasTurb 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,是当前全世界范围内最好的燃气轮机性能分析商业软件,其最新版本为GasTurb 12。GasTurb 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。

       GasTurb 软件的客户主要包括南北美洲、欧洲和亚洲的航空航天公司、航空发动机制造商和研究机构等。目前,国内许多航空航天院校、航空发动机研究所、发动机制造厂和一些主机所都已购买了GasTurb 。


1.2 著者简介

      Joachim Kurzke博士是燃气轮机总体性能计算领域的专家,具有丰富的理论知识和28年的燃气轮机型号研制经验,也多次到国内航空单位讲学和担任项目顾问专家。Joachim Kurzke博士于1976年-2004年参与和主持了MTU航空发动机公司的燃气轮机性能预测和发动机试验测试工作,主要研制型号包括:

*  与加拿大普惠公司合作开发的大型涡扇发动机PW2037、V2500和PW4084;

*  直升机发动机MTR390;

*  混合排气涡扇发动机RB199和EJ200。


2. 软件模块及功能简介

      GasTurb 软件包括GasTurb 12、GasTurb  Details、Component Map Collection,Smooth C、Smooth T和GasTurb  Names等6个模块。各个模块功能如下:


1、GasTurb  12

      GasTurb 12是GasTurb 软件的核心计算模块,可对各种燃气轮机进行详细的设计点和非设计点性能分析、初步结构方案设计并提供计算截面气动参数、燃机重量预估等等,具体功能如下:


a)计算对象

      GasTurb 12计算对象包括各种航空发动机和地面燃气轮机,具体内容如表1所示。


表1 GasTurb 12 计算对象

航空发动机

地面燃气轮机

涡扇发动机

混合排气

单轴燃机

带回热

分开排气

带二次燃烧

涡喷发动机

单轴

双轴燃机

自由涡轮驱动低压压气机

双轴

高压涡轮驱动低压压气机

涡桨发动机

单轴

带回热

双轴

带二次燃烧

三轴

三轴燃机

带级间冷却

涡轴发动机

单轴



自由涡轮



冲压发动机





b)设计点性能分析

      GasTurb 12提供了完善的燃气轮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,GasTurb 12提供强大的设计点性能参数分析工具,具体包括:

①单点性能计算

用户给定合理的输入参数,计算出相应的燃气轮机总体热力学性能。

②参数化性能分析

完成初步单点计算后,可用此功能进一步分析单个参数对燃气轮机性能的影响,最多可同时分析两个参数变化对燃气轮机性能的影响。

③单目标参数寻优功能

④参数小变化分析

⑤蒙特卡罗算法


c)非设计点性能预测

      为帮助用户进行快速非设计点性能预估,GasTurb 12提供大量轴流、离心压气机和轴流、向心涡轮通用特性,方便用户参考。该模块具有较为自由的燃气轮机控制规律定制,方便用户根据需要进行单项控制或组合控制;同时,模块具有级间放气功能。此外,该模型可实现以下主要功能:

①单点性能预测

②共同工作线预测

③非设计点性能参数化分析

④飞行任务定制

⑤参数小变化分析

⑥飞行包线绘制

⑦蒙特卡罗分析

⑧过渡态分析

⑨实验分析


d)初步结构方案设计

      GasTurb 12提供燃气轮机的初步结构方案设计功能,如图1所示,客户可进行燃机各部件的结构设计和材料确定,初步估算出燃机外形尺寸和重量。


2、GasTurb  Details

      GasTurb  Details是GasTurb 软件的辅助模块之一,主要包括燃气轮机各个部件的详细气动计算及相应的修正模型。例如,该模块中的压气机模型提供了10个参数供用户选择,分别为:流量、压比、进口总温、进口总压、绝热效率、多变效率、输入轴功、比功、出口压力和温度,在满足合理约束的条件下,可以进行任意参数的组合,计算压气机热力学性能;为方便用户分析,快速完成压气机参数的选取,压气机模型还提供了流量、压比、温比及效率的参数化分析工具,并提供了NASA关于轴流压气机效率随压气机级数和压比变化的修正曲线。

      GasTurb  Details模块可帮助客户在进行燃机总体性能计算的同时,对部件有更好的把握,加深对部件性能的理解,合理提出部件设计要求。比如,在总体性能计算中,要单独考虑波瓣掺混对涡扇发动机性能的影响极其困难,而GasTurb  Details则可以方便地单独研究波瓣,并计算出波瓣掺混对涡扇发动机推力的影响。


3、Component Map Collection

      压气机和涡轮部件特性的准确性直接影响设计燃机的非设计点性能预测精度,为帮助用户进行合理地、符合设计燃机实际情况的非设计点性能预估,Component Map Collection提供58个压气机实验特性图和15个涡轮实验特性图,方便用户从中选择与设计燃机部件性能接近的特性图,提升非设计点性能预测精度。


4、Smooth C和Smooth T

      压气机和涡轮特性的精度对于燃机循环计算具有重要影响,比如,压气机效率存在1%的误差,极易导致SFC计算偏差1%;因此提升压气机和涡轮部件实验特性绘制精度就极为重要。Smooth C和Smooth T是GasTurb 软件提供的高品质压气机和涡轮特性绘制工具,可实现快速准确地绘制满足GasTurb 12接口的压气机和涡轮实验特性,方便用户在GasTurb 12中进行比较准确的燃气轮机非设计点性能预估。另外,绘制的部件特性还可用来估算不同的压气机和涡轮类型之间的微小差别,比如雷诺数、叶尖间隙、叶片安装角和冷却空气注入等的影响。


5、GasTurb  Names

     GasTurb  Names是GasTurb 软件的辅助模块之一,用于修改和检查GasTurb 12模块的源程序,具有以下主要功能:


a)修改GasTurb 12模块的默认界面和参数值,比如参数小变化分析中的默认步长;

b)当用户根据实际需求定制了新功能,对GasTurb 12模块的源程序进行了修改,需要使用GasTurb  Names模块检测新程序的有效性。