基于Modelica和Dymola的航空发动机燃气发生器的建模与性能仿真
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2020-03-01
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基于 Modelica 和 Dymola 的航空发动机燃气发生器的建模
与性能仿真
任志彬¹，孟光¹，李防战¹，王廷兴²，Jay Fletch³
（1. 上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室，上海 200030
2. 上海岱美汽车饰件有限公司，上海 201203
3. 美国联合技术研究中心）
摘 要：本文介绍了航空发动机燃气发生器的数学模型，分析了压气机、涡轮与燃烧室共同工作的条件，基于这
些条件以及元件库中压气机级、涡轮级与燃烧室的模块，建立了一种快速简单的单轴燃气发生器性能仿真模型。
用 Modelica 语言和 Dymola 编译器实现了单轴燃气发生器的性能仿真，验证了该模型的有效性。结果表明，采用
建立的性能仿真数学模型能够模拟单轴燃气发生器的性能，并能够实现非设计转速小流量工况下的性能仿真，对
设计燃气发生器有一定作用。
关键词：燃气发生器；单轴；仿真；Modelica；Dymola
Modeling and Performance Simulation for Gas Generator of Gas Turbine
Based on Modelica and Dymola
Ren Zhi-bin¹, Meng Guang¹, Li Fang-zhan¹, Wang Ting-xing², Jay Fletch³
( 1. State Key Laboratory of Vibration, Shock and Noise, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China
2. Shanghai Daimei Automobile Decoration Corporation LTD., Shanghai 201203, China
3. United Technologies Research Center, USA)
Abstract
The mathematical models for gas generator of gas turbine are introduced and the conditions for compressor, turbine and
burner to work together are analyzed. A rapid and simple mathematical simulation model for one-spool gas generator is
developed based on these conditions and the models of compressor stage, turbine stage and burner in the components
library. The computer language Modelica and the editor Dymola are utilized to simulate the performance of one-spool gas
generator and the validity of this model is verified. It is shown that the mathematical model can properly simulate the
performance of one-spool gas generator even in the states of off-design rotating speed and small flux. It can be useful for
gas generator design.
Keywords: Gas generator；One spool；Simulation；Modelica；Dymola
1． 引言
航空发动机是严重非线性，且工况和工作范围变
化大，故对其建模充满了挑战。航空发动机部件级模
型是航空发动机系统级模型建立的基础，航空发动机
建模精度取决于部件特性的准确性和模型简化程度。
对于一台在设计调试过程中的燃气轮机，各个部
件都有其具体的工作特性，当它们装配在一起工作的
时候，往往会发生各种性能故障甚至无法正常工作。
产生这些问题的原因多半在于各部件装配在一起工作
时的相互依存和相互制约关系，不能使它们处在各自
的特性图所示合理工作点的位置上。研究燃气轮机工
作时各部件之间的相互制约关系，有助于燃气轮机的
性能调整，控制规律的制定，特性的分析以及改善起
动和加速过程等。燃气发生器是燃气轮机的核心部分，
研究燃气发生器的工作原理可以作为研究燃气轮机的
出发点
[1]
。
本文介绍了航空发动机燃气发生器的数学模型，
分析了压气机、涡轮与燃烧室共同工作的条件，基于
这些条件建立了一种快速简单的单轴燃气发生器性能
仿真数学模型，并在 Modelica/Dymola 系统环境下实现
了它的性能仿真。这种数学模型结合功能强大的
Dymola 仿真软件，能够实现单轴燃气发生器在非设计
转速小流量工况下的性能仿真，从而能够模拟全工况
性能又能保证计算精度。实际计算结果表明：采用性
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