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资源描述

1、档号保管期限编号密级阶窗示记燃气发生真软件功能测试报告西北工业大学单位编写校对审核会签2014年12月燃气发生器设计仿真软件功能测试报告喷管参数计算发动机推力F3.5950燃烧室压强Pc6.0000冻结流与平衡流比冲之比Q0.9732推进剂特征速度C*1567. 4500日管参数喷管数量n1喉部半径Rt11.01339烧蚀斜率Ek0.15000开始烧蚀时间st。0.00000膨胀比epsA6.60000比冲效率etaF0.96000喷管安装角gama0.00000喷售出口烧蚀段厚度1.50000喷售出口烧蚀段密度1400.00000喷管出口膨胀半角0.17450喷售出口烧蚀段密度单位

2、kg/m3雇性数值日计算条件喷管效率计算确定取消图9喷管设计界面2.5 斜切喷管设计在燃气涡轮系统中，有时使用斜切喷管作为燃气出口，以提供更高的机械效率。软件提供了斜切喷管设计工具。从“工具”里选择“斜切喷管计算”，弹出图10所示对话框：图10斜切喷管计算界面西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发生器设计仿真软件功能测试报告按照图示输入斜切喷管数据，依次点击”对称段面积膨胀比计算”、“几何参数计算”、“推力特性计算”即可计算出斜切喷管的性能数据。2.6 热力学参数计算计算算例详细组分如下：硝化棉(C20.948H25.291O36.738N9.638)硝化甘油(C3H5O

3、9N3)二甲基二苯月尿(C15H16O1N2)凡士林(Cl8H38)鞍酸铅(C14H18O9PB1)炭黑(CO铝粉(L1)三乙醇胺(C6Hl5O3N1)仿真结果如表1所示：表1热力学计算算例特征速度C*(m/s)1450.1260比冲 Is(N.s/kg)2312.8620比冲1 Is(s)235.8463推力系数Cf1.5949比热比GAMD1.2479面积比Ae/At6.2503通过单位喷喉面积的流量6754.5810出口速度Ve(m/s)2217.1970地面比冲Isg(N.s/kg)2312.8380地面比冲Isg(s)235.8439设计高度比冲2217.1970设计高度比冲IsO(

4、s)226.0911真空比冲Isv(N.s/kg)2406.5980真空比冲Isv(s)245.4047西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发生器设计仿真软件功能测试报告2.7 燃气涡轮动力计算燃气发生器总体参数预估燃气发生器参数预估的主要任务是进行燃气发生器的性能，输出燃气发生器的出口气流参数（速度、温度等）、几何参数、质量流率以及绝热膨胀功等热力学参数。测试操作：翻开软件，GUI界面如图11：图11软件主界面其中，用粗体Comic Sans MS字体给出默认值的文本框是用于接收用户输入量的，可在此按照提示的参数名与单位输入设计参数，随后单击“执行计算”按钮, 程序即给

5、出设计结果的计算值，如图12。经校验，输出结果符合实际，计算稳定、正确。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发生器设计仿真软件功能测试报告燃气发生器设计仿真软件功能测试报告图12燃气发生器参数预估结果涡轮参数预估涡轮参数预估的主要任务是由涡轮的几何设计参数，计算气流流经涡轮时的各种参数，以及涡轮设计所需的参考值。测试操作：在上述操作的基础上，单击“下一步”按钮，填入所需的几何设计参数，单击“执行计算”按钮，执行结果如图13。经校验，输出结果符合实际，计算稳定、正确。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室10燃气发生器设计仿真软件功能测试报告燃气发生器设计仿真软

6、件功能测试报告图13涡轮参数预估结果273涡轮效率/功率预估通过涡轮功率效率的计算，可以得到涡轮设计的最终结果，即涡轮的输出功率、扭矩等参数。继续如上操作，在输入参数框中填入需要的参数，单击“涡轮功率”按钮，结果如图14所示。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室11燃气发生器设计仿真软件功能测试报告燃气发生器设计仿真软件功能测试报告图14涡轮效率与功率计算结果274涡轮转速动态响应计算2.741 测试操作这一局部按约束涡轮转速的微分方程，结合燃气涡轮内弹道仿真数据进行求解。首先，在GUI中输入整个系统的转动惯量以及减速比。其次，设置油泵参数数据，单击“设置油泵参数”按钮，弹

7、出油泵负载计算对话框，如图15。图15油泵负载设定西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室12燃气发生器设计仿真软件功能测试报告油泵负载的录入有两种方法：对于初步设计计算，可使用“固定负载”选项, 填入相应参数。此方法较为方便快捷，但由于油泵负载扭矩与油泵进出口压强差值的关系并非严格线性关系，这种方法将造成一定误差；另一种方法是使用实测得到的负载特性曲线，载入实验数据文件，文件中包含了各个转速下油泵的负载扭矩。理论上该方法精度较上一种更高，但需要事先得到详细的油泵负载特性曲线。经试算，转速曲线对油泵负载特性较为敏感，故建议尽量使用第二种方式。最后，单击“确定”按钮确认参数。图

8、16涡轮转速动态响应计算结果下一步，单击“载入内弹道”按钮，载入内弹道仿真模块生成的零维内弹道数据文件，内弹道数据将实时显示在GUI中。最后，单击“角速度计算”按钮，程序计算真实环境下涡轮转速曲线，并显示在同一张图中。此时单击“保存计算结果按钮可保存算得的内弹道文件，如图16。结果比照测试中取两种实际型号燃气发生器/涡轮系统（下文以型号A、B代指），用实测内弹道数据代替仿真输出的内弹道数据，进行了测试，结果如下：西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室13燃气发生器设计仿真软件功能测试报告表2型号A设计参数参数取值喷嘴喉部半径0.001415m喷嘴扩张比8进气角20转子平均直径

9、0.1m叶片rWj0.0115m叶片厚度0.0005m叶片宽度0.01m叶片数46涡轮转速（计算）涡轮转速（试验）将参数输入程序后，计算所得到的转速曲线与实测转速曲线（通过实测流量反算得到）比照方下:图17型号A涡轮转速实测值与计算值比照此曲线由油泵负载曲线计算而得到，容易看出，在稳定段，计算曲线与实测曲线符合较好，但启动段与拖尾段，计算曲线出现了一定误差。上文提到，转速曲线对油泵负载特性较为敏感，启动段与拖尾段的误差，来自于计算所用到的油泵转速-负载曲线试验曲线一一由于试验条件的限制，当前只有2000-11000r/min 转速下的负载特性，且仅在一种进出口压强下进行了测定，并非如推

10、力矢量控制伺服系统一书所述在多个进出口压强差值下测定。目前来看，本误差难以避免，但经详细试验、取得更精确的数值后可以修正。型号B的涡轮几何设计参数与型号A相同，不同的仅包括燃气发生器参数, 如下表：西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室14表3型号B设计参数参数取值喷嘴喉部半径0.0015m喷嘴扩张比7.86进气角20.67燃气发生器设计仿真软件功能测试报告燃气发生器设计仿真软件功能测试报告型号B的计算曲线与实测曲线比照方下列图。可以看出，对于该型号，计算值与实测值吻合较好，到达了以仿真计算指导试验的使用需求。涡轮转速（试验）涡轮转速（计算）图18型号B涡轮转速实测值与计算值

11、比照2.8常用参数计算可以计算的常用燃气发生器参数包括燃烧室压强、壳体壁厚、燃烧面积、喉部半径、质量流率、环境压强、喷管出口压强、比冲、推力、燃速、喷管初始膨胀半角等等。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室15燃气发生器设计仿真软件功能测试报告燃气发生器设计仿真软件功能测试报告图19可计算的常用参数绝热层计算绝热层计算模型采用一维传热与烧蚀模型，可以逐点计算绝热层厚度、以及耐烧蚀时间等参数。图20绝热层计算界面西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室16燃气发生器设计仿真软件功能测试报告内容提要:西北工业大学航天学院（以下简称乙方）根据南京晨光集团有限责任公司（以下简

12、称甲方）的“燃气发生器设计仿真软件”研制任务，编制了软件功能测试报告。根据双方技术协议，对“燃气发生器设计仿真软件”软件进行了评价与测试。主题词更改栏更改单号更改日期更改人更改方法西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室I燃气发生器设计仿真软件功能测试报告2.9 爆破压强评估图21绝热层计算界面爆破压强评估程序可以根据塑性流动理论或薄膜应力理论评估发动机可以承受的最大压强。2.10 点火器设计点火器设计也是发动机设计过程中的常用计算。针对端燃药柱燃速逐渐建立导致初始压力峰较低的情况，内弹道计算程序专门引入了 “点火阶段燃速建立时间”和“点火开始燃速修正系数”两个参数。设“点火阶段

13、燃速建立时间”为t, “点火开始燃速修正系数”为a,那么仿真计算中，药柱燃速从点火开始的t时间内燃烧速度从正常燃速的a倍逐渐恢复到正常燃速。例如药柱燃速可以在0-3s 的时间内从正常燃速的0.8倍逐渐提升至正常燃速。图22点火压力峰修正前后比拟西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室17燃气发生器设计仿真软件功能测试报告3技术指标满足状况经功能测试，软件技术指标满足状况见表4.西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室18表4技术指标满足状况序号技术指标满足状况1具有基于Windows的装药药形三维建模功能具有相应功能模块满足指标2具有单燃速装药设计功能具有相应功能模块满足指标

14、3具有双燃速装药设计功能具有相应功能模块满足指标4具有内弹道仿真计算功能具有相应功能模块满足指标5具有绝热层设计功能具有相应功能模块满足指标6具有斜切喷管计算功能具有相应功能模块满足指标7具有点火器设计和喷管设计功能具有相应功能模块满足指标8具有热力学计算功能具有相应功能模块满足指标燃气发生器设计仿真软件功能测试报告4测试总结经一系列测试，所交付软件运行稳定，功能齐全，具有基于Windows的装药药形三维建模、单燃速装药设计、双燃速装药设计、内弹道仿真计算、绝热层设计、斜切喷管计算、点火器设计和喷管设计、热力学计算等技术协议中约定的全部功能，结果输出正确，满足所有技术指标。该软件中大局部

15、模块与算法已在国内多个研究所得到广泛应用，反响良好。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室19软件随附文档齐全，格式规范，表述清晰。综上，该软件通过功能测试。燃气发生器设计仿真软件功能测试报告目录1测试概况1测试概况11.1 功能满足状况1问题与解决12模块功能测试2总体结构设计优化22.1 任意形式的三维装药设计3零维/双燃速内弹道计算42.2 热力学参数计算6燃气泯轮动力计算92.2.1 燃气发生器总体参数预估92.2.2 涡轮参数预估102.2.3 涡轮效率/功率预估112.2.4 涡轮转速动态响应计算12常用参数计算152.3 绝热层计算16爆破压强评估172.4 点火压力

16、峰预估错误!未定义书签。3技术指标满足状况184测试总结19西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室II燃气发生器设计仿真软件功能测试报告1测试概况测试概况西北工业大学航天学院（以下简称乙方）根据南京晨光集团有限责任公司（以下简称甲方）的“燃气发生器设计仿真软件”研制任务，研制了相应软件。为了尽可能的找出软件的缺乏，提高软件的质量，促进软件的成功验收，根据双方技术协议，对“燃气发生器设计仿真软件”软件进行了评价与测试。整个测试遵循自顶而下、就严不就宽的原那么对软件系统进行考核。1.1 功能满足状况为燃气发生器设计仿真研制提供一套仿真分析软件，本系统为设计者提供集成的优化仿真工

17、具，使得设计者可以在试验之前进行燃气发生器、涡轮、油泵转速的的性能仿真。燃气发生器总体结构设计和优化；燃气发生器任意形式的三维装药设计；燃气发生器任意形式药柱的燃面退移计算；零维/双燃速内弹道计算模块；热力学参数计算；燃气泯轮动力计算；燃气发生器常用参数计算、绝热层计算、爆破压强评估、点火压力峰值修正等问题与解决测试中发现，对话框中有局部的英文注释。按照相关的技术要求，已责令其对具体的代码做调整，对英文局部进行汉化。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发生器设计仿真软件功能测试报告2模块功能测试总体结构设计优化根据战术性能指标和以上涡轮参数预估得到的涡轮总体

18、设计参数如燃烧室压强、质量流率、工作时间等，就可以开始进行涡轮的详细结构设计。设计人员可以在变量化设计平台上，交互式的构建燃烧室、装药、绝热层、喷管、点火系统、斜切喷管等部组件的详细二维约束草图和三维详细结构。动力系或设计软件-【总收和试1】曰口口|口文怦9 ）视图的家解团体火的发动机设计工具（I）数格库版本超助国）a）-laixi9 X （）由约束：EM, VJue： -5 OOOCOO日约束.铅獭高.Value： 2.C0C08因，约束，钳36距高，VQue： 6 000000 田,妁束d田，约束重会田卜约束：水平距离，vlue： 6. COCOOO因卜约束：水平距离，VU

19、 3 COOOOO 田约束主叁日X妁束重叁卧约束5* 田卜约束Stt 由约束束会田卜彳约束重会 V设计变量 =交量方程血妁束表格日甘等件信息W小C,” ：瓜！时针回转0度；逆时计回转笫。度 E巾in_hol.：烦时针回碗度：逆时针回程田不克体：祁尔差S卷出气导言：JJS牯十哂度；逆时计回转; 田火点火器充体：那么针同转0度：逆时计回1 出十点火明：蝴料回转。度：12时斜回转弟f徨电术拽能要求日安装药信息日M装药爹数V SjnS （4 000000）日荔枝外枷田Outlm日画回簿内展日国CrainRev】 QJ4形内H 学浚形内应。星形内展内展1TUPI-，-1-寿-米一米-

20、曳红兰一日JxJ固定r距庆必r同心角度回* EEII0W（II费落但Ir中点的）r对称半的，痛回短柏半径（n：r描囱长轴半径u：半幽晔水干角隹NIr的5M水平（di相壬他否（!|水平距茁造中的田元13序序（11常傥诲择|丽一 G。宅岳| ?E3-|g| X|总加m回加创四山但那么i q创图1燃气发生器二维结构约束草图2J动力京城设计软件-无标JS口文件任）由出5）窗口裕助的|口音|/船叫昌|曾|图2燃气发生器三维详细结构西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发生器设计仿真软件功能测试报告2.1 任意形式的三维装药设计:J动力系绘设计软件-【无标数】日口文件）视图也选项处国口）然助

21、电）-JtfJjcJj j ia | x 殴 01 章?向回 lj ojsjj 回国回剑飞r0（9|图3设计得到的装药三维详细结构装药的三维结构模型可以在变量化设计平台上交互式的任意构建，装药设计支持回转形、翼形、楔形、星形、端面嵌金属丝、等截面拉伸等六种基本特征形体，它们之间的任意组合和变化可以构成大局部的装药结构。装药燃烧几何分析方法包括实体造型法（ACIS计算）和体素离散化方法（GPU计算）两种，两种方法都可以计算得到燃面数据，燃烧过程质量的变化、质心变化、转动惯量变化等数据，以及燃面上的空间几何数据。图4装药燃烧几何分析过程西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发

22、生器设计仿真软件功能测试报告装药计算3二/ 0 口 3D丝昌旗BI3二/ 0 口 3D丝昌旗BI0.0260.0240.0220.020.0180.0160.0140.0120.010.0080.0060.0040.002 00.0260.0240.0220.020.0180.0160.0140.0120.010.0080.0060.0040.002 0TeeChart00.010.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09肉厚(mm)序号工ndex肉厚WebGn)燃面积岫卜质量Mp (kg)自由容积Vc(m3)质心Cx (m)转动惯量Jx (kg. m转动惯.

23、10.0000000.0277455.8664500. 00000.06770.01790.120.0017610.0263385.7829600. 00000.06650.01770.130.0035220.0249315.7038400. 00010.06540.01740.140.0052840.0237765.6283500. 00010.06430.01720.150.0070450.0231585.5556100. 00020.06320.01700.160.0088060.0221845.4853300. 00020.06220.01680.1序号工ndex肉厚WebGn)燃面积

24、岫卜质量Mp (kg)自由容积Vc(m3)质心Cx (m)转动惯量Jx (kg. m转动惯.10.0000000.0277455.8664500. 00000.06770.01790.120.0017610.0263385.7829600. 00000.06650.01770.130.0035220.0249315.7038400. 00010.06540.01740.140.0052840.0237765.6283500. 00010.06430.01720.150.0070450.0231585.5556100. 00020.06320.01700.160.0088060.0221845.

25、4853300. 00020.06220.01680.1选项装面量药和特装气和周翻开装药数据保存装药数据燃质性药面燃长通积烧取消 I图5装药燃烧几何分析数据2.2 零维/双燃速内弹道计算内弹道计算模块可以进行单燃速和双燃速零维内弹道计算。计算过程中可以考虑喉部烧蚀、喷管效率、燃烧效率、温度变化、长尾管、反向喷管等多种因素的内弹道，具有多种形式的燃速输入方式和多种形式的燃面数据输入方式，具有报表和曲线的选择性输出功能。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室燃气发生器设计仿真软件功能测试报告零维内弹道计菖D: 30八娑收滑试BLS喷管类型推力终止装置。寓规喷管C有长尾管?无斜切喷管

26、讨苴方法瞬时平南压强法廿 RongeKutta法清除所有曲线燃速系数a0.00066燃速指数n0.40000密度d.nx1600.00000特征速度C*1100.00000燃速温度系数0.00200燃气温度13768.00000气体常数Rg434.23500定压比热Cp1300.00000比热比k1.16000推进剂发火点温度800.00000属性数值推进南参数日喷管参数喷售数量n1喉部半径Rt1.41500烧蚀斜率Ek0.00000开始烧蚀时间近。0.00000膨胀比epsA8.00000比冲效率etaF0.93000喷管安装角0. 00000温度Tig3768.00000气体常数Rig43

27、4.23500定压比热Cpi3543.00000定容比热Oi3334. 00000比热比ki1.16000点火阶段燃速建立时间10.00000日点火运气参数麻的数柄点火酒减碓推力终止曲线|零维内弹道计尊D:42si.plebls. BLS喷营类型计篁模型W常规喷管C长尾管斜切喷管C瞬时平衡压强法6 RongeKutta法属性数值时间-2-3.395-4.791-6.186-7.582-8.977-9.025-9.072-9.118-9.162-9 205-9.247-9.287- 9 326-9.365-9.402-9.438-9.473-9.507-9.542 3 3 27 0 3 6S 6

28、 6 89 9 9 9序号工ndex时间t(S)压强Pc (NPa)推力F OdO质量流率Mr Ocg/s)推力冲量IfOdL s)推力系数C喉部面积At Gn*2)肉屋Teb Gn旦10.00002.000000.0155580.01140.00021.32980.000020.08663. 395460. 0297220.01940.00051.49630.0000中30.18154.790920.0438860.02740.00091.56590.00000. 00010. 29556. 186390 0580500.03540.00151.60400.00000.0001 I从第口 a

29、iMfo-.记录F -倍压碱据表|o- 丽间步长整起|翻开内弹道文件|保存内弹道文件内弹道讨苴|翻开试验曲线|导出计菖结果数据|图6单燃速零维内弹道计算结果日高运速推进剂参数燃速系数a0.00215燃速指数n0.25000密度dens1600.00000特征速度C*1100.00000燃速温度系数0.00200燃气温度Tg1400.00000气体常数Rg434.23500定压比热Cp3543.00000比热比k1.16000低燃速推进剂参数燃速系数a0.00119燃速指数n0.36000密度dens1600.00000特征速度C*1100.00000燃速温度系数0.00200燃气温度Tg140

30、0.00000气体常数Rg434.23500定压比热Cp3543.00000比热比k1.16000喷售参数喷卷数量n11唯2E生杼R +2 nnnnn速燃装药数据媛燃装药数据清空曲线时间(s)24.1826.3648.5461C.72S15.052IE C5215 C521S,C511S,C891E.C&8lE.c&e1IE C821E.C751E.C771E 07415,0711S,0681S,06S15.C6115.058序号Index时间t(s)压强Pc (MPa)推力F OcN)质量流率Mr (kg/s)推力冲量If (kN. s)推力系数C喉部面积At以10.00002. 00000

32、燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室图8喷管结构图燃气发生器设计仿真软件功能测试报告2.3 喷管设计喷管设计首先是选择一种喷管型式，利用系统提供的交互式设计环境构造喷管,一些主要参数通过计算给出，大量的其它参数采用经验或半经验的方式确定。喷管的型式很多，这里主要根据比冲的计算方式的不同分为三类，即：常规喷管、长尾喷管和斜切喷管。由于这里是总体初步设计，喷管结构的详细参数，由用户根据经验加以确定。根据喷管的特点，我们发现大型发动机喷管主要由：收敛段绝热层、喉衬、喉衬背壁套筒、扩散段和将这些局部连接成一个整体的结构件等五局部组成。结构的主要尺寸包括内型面数据，接头数据和各个局部的结构数据。本系统将喷管数据分为型面数据、结构件局部和热防护局部。喷管设计对话框如图9所示。西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室

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