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1、燃气涡轮发动机数值仿真软件G S P 综述+苏三买，聂乾鑫( 西北工业大学动力与能源学院西安7 1 0 0 7 2 )i 蔓：航空发动机数值仿真系统存发动机研制过程中具有诸多优点而受到世界备墨的高度重视，我国目前也以A P T D 计划为奥机开发我囱自主知识产权的发动机数值仿真系统。本文主要介绍欧洲国家航天实验室( N L R ) 开发的面向对象燃气涡轮发动机性能数值仿真软件6 S P ，综述该仿真软件的程序结构、计算方法、仿真界面及系统特点，以供我国相关设计人员参考关t 词；6 S P ；燃气涡轮发动机；数值仿真；面向对象1引言航空发动机数值仿真系统在发动机研制过程中能够辅助发动机设计、缩短
2、研制周期，具有经费少、风险小、安全可控、可重复等诸多优点。因此受到世界各国特别是发达国家的高度重视，并投入大量人力物力进行开发研究。历年来，国内航空发动机数值仿真方面的研究人员跟踪国外该方面的研究状况，对美国N A S A 的N P S S 系统、俄罗斯中央航空发动机研究院( C I A l | ) 的C C T E S 、英国剑桥大学W h i t t l e实验室的D e n t o n 和D a w e s 软件较为熟悉，但对欧洲国家航天实验室的相关研究及其发动机数值仿真系统引用与报道不多。目前，我国正以A P T D 计划为契机，参考俄罗斯和英国相关软件，开发我国自主知识产权的发动机数
3、值仿真系统。参考国外多种发动机数值仿真软件的设计方法、取各家之长，对我国在这一方面的研究设计有一定的启发和帮助。G S P ( G a st u r b i n eS i m u l a t i o nP r o g r a m ) 是欧洲国家航天实验室N L R ( N a t i o n a lA e r o s p a c eL a b o r a t o r y ) 开发的面向对象燃气涡轮发动机性能数值仿真软件，无论是软件设计、模型计算方法还是模型功能方面都有不少可供我们借鉴与研究的地方。目前该软件已发展到1 0 0版，其灵活友好的用户界面、强大的可扩展性及通用性得到了极大的体现。本文
4、主要对G S P 软件功能及仿真方法、程序结构、计算方法及系统特点进行介绍，以供我国相关设计人员参考。2G S P 介绍G S P 是基于部件模型的燃气涡轮发动机仿真程序，采用面向对象程序设计方法，使用B o r l a n dD e l p h i 编程，在如图1 所示的集成环境窗口中，可通过拖拽部件图标搭积木的方式构造任意结构形式的发动机( 从单轴涡喷到三转子涡扇) ，并实现所构造发动机的稳态和动态性能仿真。G S P 具有很强的灵活一| 生与可扩展性，软件充分运用面向对象程序设计的封装、继承和多态原理，建立了标准的类库井具备可扩展框架，在保证软件稳定性的前提下，极大地提高了其对多种模型的
5、构建能力。 西北工业大学英才培葬基金资助圈16 S P 集成仿真环境3G S P 界面及仿真3 I 界面及功能 G s P 的图形用户界面充分反映了面向对象的程序的外部结构。在程序启动后，出现如图2所示的( a ) 程序主菜单、( b ) 标准部件丁具条、( c ) 标准控制工具条三个界面。程序主菜单主要包括建立新模型、打开模型并操作以及仿真环境设置。标准部件工具条包含了进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管、外涵道、风扇、混合器八个部件和两个连接工具，是面向对象建模的元素。标准控铷工具条包含手动燃油控制、嚷管蕊积控制、负载控制、导向叶片控制、主燃油控制、涡轴发动机燃油控制六个图标，是面向对象建模
6、的控制单元。( b ) 部件工具条( c ) 控制工具蘩( d ) 模型集成与仿真计算环境尉2G s P T 作界面3 2 发动机建模与仿真在图2 ( b ) 所示的发动机模型集成与仿真计算环境，用户根据要仿真的发动机结构形式，用鼠标从左面的部件工具条和控制：J j 具条中，将所用的部件逐一拖放到该工作环境，并按顺序相互连接起来( 最终结果类似图1 的混合排气加力变几何涡扇发动机模型) a发动机结构模型构造完毕，鼠标双击每一个部件弹出相应的人机对话参数输入框。以压气机为例，要求的输入数值项主要包括设计点参数( 转速、压比、效率、出口面积等参数) 、部件特性变几何规律、性能退化、放气、部件气容、
7、部件热容等。其他部件与此类似。各部件参数设置完毕，输入发动机仿真的大气条件与飞行条件，点击界面上不同的命令，可进行发动机设计点稳态仿真、非设计点稳态仿真、非设计点稳态连续仿真和过渡态仿真。4G S P 程序数据结构G S P 主要是使用面向对象的程序设计方法和合理的部件模型，并将灵活性和友好界面作为设计的指导思想。其中模型自身的结构为实现各种形式的发动机真提供了有力的支持。图5 为模型部件程序设计时的层次( 继承) 结构。根据这些部件类型，建立更多相近部件类型，提高程序代码的可维护性和减少重复使用，同时，利用多态参数来表达更加完备的具体对象。如图5 中的叶片机部件作为一个父类就包括压气机、涡轮
8、、风扇等部件的共同功能。图5 部件类继承结构圈在部件模型( 部件库) 构建过程中，某些对发动机整体性能影响较大的部件进行更合理建模，以适应整体精度需要。以风扇和压气机建模为例，以往发动机模型中，对风和扇压气机主要是基于普通压气机模型，忽略流道中气流的不均匀性。对压气机而言模型是可用的，而对于风扇而言，蚝叶片和出口流道形状的多样化，将造成模型对发动机整体性能精度影响。在G S P 部件建模中，对风扇在不同的流动形态下，建立如图6 所示的不同内外涵特性。( a ) 设计点( b ) 非设计点圈6 风崩流线5G S P 的计算方法及其特点G S P 通过流量守恒、目量守恒、理想气体状态方程、等熵流动
9、方程、转子转动惯量平衡、燃气动量守恒、燃气与部件间热平衡七大方程进行迭代计算来求解发动机部件各个截面处的气动热力参数。最初，G S P 是在美图D Y N G E N 程序的基础上发展而来，然而，由于D Y N G E N 有许多局限，G S P 继承了美国D Y I 惦E N 的特征，并对程序的迭代过程进行了优化，尤其在稳定性，计算速度，数字处理和接口方面得到了改进，实现包括涡轴发动机在内的燃气轮机稳态、动态性能进行实时与非实时仿真。5 1 稳态计算稳态计算根据气动热力学的原理以及动量守恒、能量守恒、气体流量守恒建立发动机重要参数的非线性方程，采用牛顿拉夫逊( N e w t o n R a
10、 p h s o n ) 法进行迭代求解。为提高计算的精度，在这些部件中加入了计算流体力学( c F D ) 模型。5 2 实时动态计算动态仿真时，离线模型可以不考虑迭代过程的时间，但在实时模型中，模型要求在有限的迭代时间内，每一步中都要收敛。在以往的发动机实时横型中，通常将非线性模型小偏离线性化，用离散的线性模型来近似强非线性的模型。这种实时模型的建模方法精度低且缺乏灵活性。G S P 采用新方法克服了上面方法的缺点，具体是利用雅可比矩阵来求解线性方程组，这个线性方程组是对模型非线性方程组的线性化。实时仿真时需要连续计算雅可比逆矩阵，因此造成计算速度下降，G s P 认为理论上可用一组雅可比
11、矩阵来表达发动机包线，在迭代计算时，带入预先计算的雅可比矩阵即可。高压转子转速对雅可比逆矩阵偏离具有重要影响，这意味著工作包线内可将雅可比逆矩阵表示为高压转子转速的函数厂1 = 厂( 。) 。通常雅可比逆阵可通过牛顿一拉夫逊法、修正的布罗登法计算，以保证在迭代过程中，不会出现非奇异矩阵或病态矩阵等坏点而使模型无法得到连续解。6 结束语G S P 程序是源于N A S A 的D Y N & E I N 程序发展起来的一个面向对象燃油涡轮发动机数值仿真系统，随着软件的版本不断升级发展，G S P 已经不再局限于D Y N G E N 程序对发动机性能单一的分析计算。从早期的版本到现有版本，程序从涡
12、喷、涡扇、涡轴，到升力风扇，甚至到工业涡轮机；从发动机稳态性能分析，到目前的发动机实时动态仿真，从发动机尾气排放分析、发动机部件寿命分析，甚至到故障诊断、健康监测等等软件都具备很强的通用性。随着各种新模型块建立和加入，程序计算性能将进一步提高。鉴于我国发动机数值仿真技术的现状本文刘 G S P 的特点、功能、界面与仿真方法、程序结构、算法及其特点进行了综合性介绍。希望能为我国发动机仿真系统设计提供积极的参考作用。参考文献- P J V i s s e ra n dX J 断o o m h e a d , G S P ：AO e n e r i cm O e c t O r i e n t e
13、dG a sT u r b i n eS i m u l a t i o nE n v i r o n m e n t N a t i o n e a lL u e h t - 一e nR u i m t e v a n r t l a b o r a t o r i u m , H L R _ T p - 2 0 0 0 - 2 6 7 A S M ET u r b oE x p o2 0 0 0G S PD e v e l o p m e n tT e 鲫O S P1 0U s e rM a n u a l V e r s i o n1 0 0 O 72 0 - - A u g - 一2
14、0 0 4w P 工V i s s e ra n d - J B r - o n m h e n da n dj v f f ld e rv o r s t T E R T S ，aG e n e r i cR e a l 。T i m eG a sT u r b l n eS i m u l a t i o nE n v i r o n m e n tA S M E 一2 0 0 I G 下一4 4 6a tt h eA 汕T u r b oE x p o2 0 0 1 4 - 7J u n e2 0 0 1W P J V i s s e r G A ST U R B I N EE N G
15、I N ES I 删L T I O NA TN L R C E A SS y m p o s i u mo nS i m u l a t i o nT e c l h n l o l o g y”“ M a k i n gi tR E A L 3 0O c t o b e r 一0 lN o ) v e m b e r1 9 9 5i nD e l f tw P J V i s s e ra n dS C A K l u i t e r s M 刊l e l i n gt h eE f f e c t so fO p e r a t i n gC o n d i t i o n sa n dA
16、 l t e r n a t i r eF u m i so nG a sT u r b i n eP e l r f o r n c na n dE m i s s i o n s R T OA V TS y m p o s i u mo l l G a sn r b i n eE n g i n eC o m b u s t i o n 勘d s s i o n sa n dA l t e r n a t i v eF u e l s “ ，1 9 9 8 L i s b o n ，P o r t u g a lTT i n g a , tP J V i s s e r ，W B d eW o l fa n d 乩J B r o o m h e a d I n t e g r a t e df i l i n ga n a l y s i st o o lf o rg a st u r b i n e c o m p o n a n t &
