留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

涵道式冲压发电涡轮部件级性能模型建模和参数设计方法

张华波 郭迎清 李桂财 赵万里 叶鹏

张华波,郭迎清,李桂财,等. 涵道式冲压发电涡轮部件级性能模型建模和参数设计方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):809-817
引用本文: 张华波,郭迎清,李桂财,等. 涵道式冲压发电涡轮部件级性能模型建模和参数设计方法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):809-817
ZHANG H B,GUO Y Q,LI G C,et al. Modeling and parameter design methodology for component-level performance model of ducted ram air generation turbine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):809-817 (in Chinese)
Citation: ZHANG H B,GUO Y Q,LI G C,et al. Modeling and parameter design methodology for component-level performance model of ducted ram air generation turbine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):809-817 (in Chinese)

涵道式冲压发电涡轮部件级性能模型建模和参数设计方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0787
基金项目: 

国家科技重大专项(J2019-V-0003-0094)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:yqguo@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: V231.3

Modeling and parameter design methodology for component-level performance model of ducted ram air generation turbine

Funds: 

National Science and Technology Major Project (J2019-V-0003-0094)

More Information
  • 摘要:

    随着机载附件系统电力需求的日益增长,涵道式冲压发电涡轮因其高效、低阻的特性,被视为理想的机载发电方案。针对涵道式冲压发电涡轮布局结构导致的部件耦合性强、系统建模与性能分析难度大等挑战,提出涵道式冲压涡轮部件级模型建模和参数设计方法。采用部件法进行建模,并通过粒子群优化算法实现模型参数设计,自动实现设计点性能精确匹配;同时采用Newton Raphson方法进行模型求解,为系统分析提供可靠依据。针对某型带有旁路和增压级的涵道式冲压涡轮系统,进行模型建立和参数设计,验证了所提方法的有效性,并初步揭示了该系统的潜在优势。非设计点仿真结果显示:此系统旁路开启时26 kW下工作包线面积拓展为关闭状态的332.48%,显著增大了有效工作范围,动态阶跃干扰后响应达到95%的时间增大至307.59%,系统的稳定性显著提升。

     

  • 图 1  涵道式冲压涡轮部件级性能模型建立通用方法流程

    Figure 1.  General method flow for building component level performance model of ducted ram air turbines

    图 2  冲压发电涡轮系统结构原理

    Figure 2.  Ram air generation turbine system structural principle

    图 3  热力循环过程

    Figure 3.  Thermodynamic cycle process

    图 4  稳态冲压发电涡轮模型原理

    Figure 4.  Steady-state ram air generation turbine model principle

    图 5  部件参数优化流程

    Figure 5.  Component parameters optimization process

    图 6  涵道式冲压涡轮数学模型框架

    Figure 6.  Mathematical model framework for ducted ram air generation turbines

    图 7  涡轮设计点2特性中设计点位置

    Figure 7.  Position of design point in turbine design point 2 characteristics

    图 8  增压级特性中设计点位置

    Figure 8.  Design point position in booster stage characteristics

    图 9  功率与导叶开度关系

    Figure 9.  Relationship between power and guide vane opening

    图 10  稳定工作包线

    Figure 10.  Stable operating envelope

    图 11  导叶开度阶跃转子转速动态

    Figure 11.  Rotor speed dynamics of guide vane opening step

    图 12  导叶开度阶跃共同工作点在涡轮特性2上的移动

    Figure 12.  Movement of common operating point on turbine characteristic 2 when guide vane opening step

    图 13  导叶开度阶跃共同工作点在增压级特性上的移动

    Figure 13.  Movement of common working point on compressor characteristic when guide vane opening step

    表  1  设计点参数

    Table  1.   Design point parameters

    设计点 旁路
    状态
    导叶
    开度α/%
    转速n/
    (r·min−1)
    高度
    H/km
    马赫数
    Ma
    标准温差
    dT/K
    功率
    Pe/kW
    设计点1 关闭 56.67 18000 0.5 0.65 23.00 26
    设计点2 开启 100.00 18000 10.0 0.70 −0.15 26
    下载: 导出CSV

    表  2  设计点参数计算结果

    Table  2.   Design point parameter calculation results

    设计点 旁路
    比$ \tau $
    涡轮功
    PT/ kW
    增压级
    PC/ kW
    输出
    功率Pe/ kW
    转速n/
    (r·min−1)
    设计点1 0 47.21 21.21 26 18000
    设计点2 0.3556 33.70 7.70 26 18000
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨康, 刘禹, 郝汀, 等. 机载干扰吊舱总体设计技术的探讨[J]. 现代信息科技, 2020, 4(15): 37-41.

    YANG K, LIU Y, HAO T, et al. Discussion on the overall design technology of airborne jamming pod[J]. Modern Information Technology, 2020, 4(15): 37-41(in Chinese).
    [2] HAID D, JUSTAK J. Innovative ram air turbine for airborne power generation[C]//Proceedings of the ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. New York: ASME, 2015.
    [3] 杨汉华. 飞机自主发电系统的试验研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2006.

    YANG H H. Experimental study on aircraft autonomous power generation system[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2006(in Chinese).
    [4] 叶国祥, 陆启航, 张大林. 吊舱发电用涵道式冲压涡轮优化设计[J]. 航空兵器, 2016, 23(5): 61-65.

    YE G X, LU Q H, ZHANG D L. Optimization design for ducted ram air turbine of pod power[J]. Aero Weaponry, 2016, 23(5): 61-65(in Chinese).
    [5] MAJUMDAR S. Growler, the 'electronic' hornet[J]. Vayu Aerospace and Defence Review, 2021(1): 126-127.
    [6] ARUMUGAM A, THOMAS S, MADHUSUDAN M, et al. Utilisation of ram air turbine on a fighter platform for energy extraction failure mode study[J]. Defence Science Journal, 2020, 70(6): 583-589.
    [7] 汪涛, 楚武利, 卢家玲, 等. 亚音速涵道式冲压空气涡轮性能数值仿真[J]. 计算机仿真, 2009, 26(10): 34-38.

    WANG T, CHU W L, LU J L, et al. Numerical simulation of performance of subsonic ducted ram air turbine[J]. Computer Simulation, 2009, 26(10): 34-38(in Chinese).
    [8] 傅达旺. 某型冲压涡轮性能计算及分析[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2007.

    FU D W. Performance calculation and analysis of a ramjet turbine[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007(in Chinese).
    [9] SAAD M M M, MOHD S B, ZULKAFLI M F. A survey on the use of ram air turbine in aircraft[J]. AIP Conference Proceedings, 2017, 1831(1): 020048.
    [10] 王建平, 朱春玲. 冲压涡轮发电系统数值分析及试验研究[C]//第二届中国航空学会青年科技论坛会议论文集. 北京: 中国航空学会, 2006.

    WANG J P, ZHU C L. The numerical analysis and experiment study of ram air turbine generator system[C]//Proceedings of the 2nd Chinese Society of Aeronautics and Astronautics Youth Science and Technology Forum. Beijing: Chinese society of aeronautics and astronautics, 2006(in Chinese).
    [11] 郭涛. 冲压空气涡轮性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2007.

    GUO T. Study on performance of ram air turbine[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007(in Chinese).
    [12] 叶国祥. 吊舱发电用涵道式冲压涡轮优化设计[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.

    YE G X. Optimal design of ducted ramjet turbine for pod power generation[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016(in Chinese).
    [13] LIU S L, MA G Y, XU S X, et al. A review of reverse Brayton air cycle refrigerators[J]. International Journal of Refrigeration, 2023, 150: 200-214.
    [14] 王超, 包胜, 王璐璐. TTC双涡轮并行制冷吊舱环控系统性能研究[J]. 电子机械工程, 2017, 33(1): 48-51.

    WANG C, BAO S, WANG L L. Capability analysis of double-turbo parallel refrigeration of turbo-turbo-compressor environment control system of pods[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2017, 33(1): 48-51(in Chinese).
    [15] 绳春晨, 杨榆, 谢洪涛, 等. 逆升压式吊舱涡轮冷却器变工况特性研究[J]. 真空与低温, 2020, 26(6): 466-470.

    SHENG C C, YANG Y, XIE H T, et al. Performance study on variable working condition of reverse-boost pod turbine cooler[J]. Vacuum and Cryogenics, 2020, 26(6): 466-470(in Chinese).
    [16] 绳春晨, 杨榆, 谢洪涛, 等. 机载吊舱环控空气制冷系统分析及试验研究[J]. 低温与超导, 2020, 48(1): 80-85.

    SHENG C C, YANG Y, XIE H T, et al. Performance analysis and experimental study on air cooling system for airborne pod ECS[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2020, 48(1): 80-85(in Chinese).
    [17] YANG Y, CHEN S T, SHENG C C, et al. Study on coupling performance of turbo-cooler in aircraft environmental control system[J]. Energy, 2021, 224: 120029.
    [18] LUO K, LV B. Study on performance of autonomous power generation and refrigeration system of the jamming pod[C]//Proceedings of the CSAA/IET International Conference on Aircraft Utility Systems. London: IET, 2022: 719-724.
    [19] KENNEDY J, EBERHART R. Particle swarm optimization[C]//Proceedings of the ICNN'95 - International Conference on Neural Networks. Piscataway: IEEE Press, 1995: 1942-1948.
    [20] GALÁNTAI A. The theory of Newton's method[J]. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2000, 124(1): 25-44.
    [21] BEN-ISRAEL A. A Newton-Raphson method for the solution of systems of equations[J]. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 1966, 15(2): 243-252.
  • 加载中
图(13) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  258
  • HTML全文浏览量:  108
  • PDF下载量:  113
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-04
  • 录用日期:  2024-03-01
  • 网络出版日期:  2024-03-18
  • 整期出版日期:  2026-03-31

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答