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飛機發動機一體化設計 版權信息
- ISBN:9787030742414
- 條形碼:9787030742414 ; 978-7-03-074241-4
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
飛機發動機一體化設計 內容簡介
本書從系統工程、飛行性能、飛機總體設計、發動機總體設計四個方面介紹飛發一體化設計的工作目的、工程概念和方法;以飛行器與組合動力一體化總體設計、飛行器與組合動力一體化氣動設計、進發匹配特性的評價方法、推力矢量技術的研究與驗證四個設計實踐介紹飛發一體化設計的應用,包括力學原理、CFD技術,以及結果分析、評價和驗證。本書力爭為讀者提供系統性的飛發一體化設計參考。
飛機發動機一體化設計 目錄
渦輪機械與推進系統出版項目 序
“兩機”專項:航空發動機技術出版工程 序
前言
**篇 基礎知識
第1章 飛發一體化設計應知悉的系統工程學概念
1.1 系統與系統內部的層級結構 004
1.2 項目流程 008
1.2.1 系統工程學中的項目流程概念 008
1.2.2 飛機項目研發的流程 010
1.2.3 航空燃氣渦輪發動機項目研發的流程 013
1.2.4 飛發一體化設計的流程概念 017
1.3 需求分析 019
1.3.1 利益攸關者 019
1.3.2 需求定義 022
1.3.3 需求分析的過程 023
1.4 驗證與認證 025
1.5 風險管理 027
本章小結 031
參考文獻 032
第2章 飛行性能計算中的發動機性能分析
2.1 飛行性能分析中的推進系統模型定義 034
2.1.1 發動機性能級別 034
2.1.2 發動機使用時間 034
2.1.3 發動機工作狀態設置 034
2.1.4 航空發動機使用的燃油標準 035
2.1.5 發動機安裝性能 035
2.2 飛機飛行性能分析方法 039
2.2.1 飛機運動學方程 039
2.2.2 飛機的空氣動力學 040
2.2.3 飛機的重量特性 045
2.3 飛機典型飛行能力分析 046
2.3.1 單位剩余功率Ps 046
2.3.2 飛行包線 047
2.3.3 飛機起飛需要的跑道長度 050
2.4 不同飛行任務段的飛行性能分析 051
2.4.1 飛行任務段的設置特點 051
2.4.2 起飛 052
2.4.3 巡航 054
2.4.4 作戰 056
本章小結 057
參考文獻 058
第3章 飛機總體方案中的推進系統設計
3.1 飛機對發動機的設計要求 060
3.1.1 產品圖像不清楚時飛機總體對發動機的要求 060
3.1.2 產品圖像部分清楚時飛機總體對發動機的要求 067
3.1.3 產品圖像基本明確時飛機總體對發動機的要求 072
3.2 飛機推進系統的設計 073
3.2.1 飛機推進系統的組成與交聯關系 073
3.2.2 發動機在飛機上的布置方案設計 078
3.3 發動機安裝方案的設計 085
3.3.1 發動機的安裝要求與安裝方案 085
3.3.2 發動機的維護、檢查通道設計 087
本章小結 087
參考文獻 088
第4章 新研航空發動機總體設計指標可行性分析方法
4.1 QFD推進系統指標分析方法 092
4.1.1 QFD1從飛機任務到推進系統能力要求的轉化 093
4.1.2 QFD2從推進系統能力到發動機關鍵循環參數要求的轉化 095
4.1.3 QFD3從發動機關鍵循環參數到發動機整機設計要求的轉化 097
4.1.4 QFD4從發動機整機設計要求到發動機部件設計要求的轉化 098
4.2 評價航空發動機指標體系的層次分析法 100
4.2.1 航空發動機指標先進性評價準則 100
4.2.2 評價算例 107
4.3 評價航空發動機使用性能的場景分析法 111
4.3.1 發動機綜合效能評估可視化運行場景模型 112
4.3.2 發動機外部環境狀態建模 114
4.3.3 飛行性能與飛機總體參數建模 115
4.3.4 發動機整機及部件計算建模 116
4.3.5 仿真計算結果評估 122
4.3.6 本節小結 125
本章小結 125
參考文獻 126
第二篇 飛發一體化設計的工作實踐
第5章 飛行器與組合動力一體化總體設計
5.1 技術發展趨勢分析 131
5.1.1 美國的相關研究 131
5.1.2 歐洲、英國、俄羅斯、日本的相關研究 133
5.1.3 技術發展趨勢分析 135
5.2 一體化總體設計的約束 135
5.2.1 設定一體化總體設計的工作目標 135
5.2.2 一體化總體設計的工作流程 136
5.2.3 一體化總體設計的任務剖面 137
5.3 飛行器一體化建模分析與優化 137
5.3.1 高超聲速飛行器布局方案設計 137
5.3.2 飛行器氣動特性分析 140
5.3.3 乘波體飛行器方案的優化設計 142
5.4 發動機建模分析 147
5.4.1 組合動力發動機的工作模態 147
5.4.2 渦輪基發動機性能建模 148
5.4.3 沖壓發動機建模 154
5.5 飛行器飛行性能的計算分析 155
5.5.1 飛行性能計算方法 155
5.5.2 飛行性能計算結果分析 156
本章小結 159
參考文獻 160
第6章 飛行器與組合動力一體化氣動設計
6.1 一體化氣動設計的任務設定 162
6.1.1 飛行器與組合動力一體化氣動設計工作項 162
6.1.2 任務規劃與約束要求 163
6.1.3 飛行器概念方案 163
6.1.4 組合動力概念方案 164
6.1.5 數值仿真方法和計算邊界條件 165
6.2 不含動力系統內部流動對飛行器氣動特性的影響分析 165
6.2.1 計算網格設計 165
6.2.2 氣動特性計算結果分析 166
6.2.3 飛行器各部件升阻特性在全機上的占比 167
6.3 進排氣系統參數的改進設計 168
6.3.1 組合動力進排氣系統分析與改進 168
6.3.2 進氣道的改進設計 170
6.3.3 尾噴管的改進設計 172
6.4 動力系統不同狀態下飛行器流場特性和對氣動特性的影響 174
6.4.1 動力系統不同狀態下的飛行器流場特性 174
6.4.2 動力系統不同狀態對飛行器氣動特性的影響 178
6.5 組合動力模態轉換過程的力學特性 179
6.5.1 動力系統模態轉換的計算模型設計 179
6.5.2 模態轉換過程的流場特性分析 181
6.5.3 模態轉換過程的氣動特性分析 181
本章小結 186
參考文獻 186
第7章 進發匹配特性的評價方法
7.1 進發匹配設計的特征性問題 189
7.1.1 進氣道與發動機的流動匹配 190
7.1.2 進氣道出口流場畸變 194
7.2 從縮比到全尺寸的進氣畸變研究 196
7.2.1 F111飛機的進發匹配研究與SAE ARP 1420 196
7.2.2 F15飛機的進發匹配研究 201
7.2.3 B1A飛機的進發匹配研究203
7.2.4 F22飛機的進發匹配研究 205
7.3 畸變的綜合評價技術 208
7.3.1 畸變綜合指數評價方法介紹 208
7.3.2 發動機地面臺全尺寸進發聯合試驗 210
7.3.3 發動機臺架和飛行的穩定性試驗與評估 215
7.4 溫度畸變的評價方法 219
7.4.1 溫度畸變的發生來源與流動機理 219
7.4.2 溫度畸變對發動機穩定性的影響 222
7.4.3 評價溫度畸變的試驗方法 226
7.4.4 提升發動機抗溫度畸變能力的方法 228
7.5 平面波畸變的評價方法 229
7.5.1 平面波畸變現象 229
7.5.2 平面波畸變的評定標準 230
7.5.3 F18E飛機的進發匹配研究 230
7.6 旋流畸變的評價方法 232
7.6.1 旋流畸變現象 232
7.6.2 旋流畸變的評定 233
本章小結 236
參考文獻 237
第8章 推力矢量技術的研究與驗證
8.1 推力矢量噴管的設計與試驗 241
8.1.1 推力矢量噴管的設計要求 241
8.1.2 推力矢量噴管的氣動/性能/設計 243
8.1.3 推力矢量噴管的結構/運動機構設計 249
8.2 帶有推力矢量噴管的發動機整機匹配設計 253
8.2.1 推力矢量發動機的整機集成 253
8.2.2 推力矢量發動機的性能匹配設計與驗證 255
8.2.3 發動機推力矢量控制系統設計與驗證 256
8.3 推力矢量技術的飛發綜合設計與驗證 258
8.3.1 推力矢量技術驗證飛機的系統集成 258
8.3.2 推力矢量技術對飛發工作包線的拓展 262
本章小結 264
參考文獻 265
飛機發動機一體化設計 節選
**篇基礎知識 飛發一體化設計涉及兩大復雜的工程體系——飛機研發工程和發動機研發工程,它所遇到的問題和解決問題的途徑,都在這兩大體系的交集部分。飛發一體化設計的基本解題思路是運用專業知識解決飛機與發動機之間功能、性能及物理界面交聯出現的問題。本書**篇的4章介紹屬于入門基礎的飛發一體化設計知識,實際工作中應該不限于這些知識。 第1章,飛發一體化設計應知悉的系統工程學概念,介紹系統工程學中的系統層級結構、項目流程、需求分析、驗證與認證、風險管理等概念,建立飛發一體化設計的宏觀解題思路。 第2章,飛行性能計算中的發動機性能分析,介紹飛機性能分析中發動機特性的計算/修正方法,以及飛機氣動特性、重量特性的計算和分析方法,展現發動機推力/耗油率等參數對典型飛行性能計算結果的影響。 第3章,飛機總體方案中的推進系統設計,介紹飛機總體設計中對動力系統的選擇、氣動布局和總體布置設計對推進系統的考慮,以及作為飛機能源中心和關鍵設備必須要考慮的發動機安裝/控制等要素,展示出飛發一體化設計是一項要思考多種要求的綜合工作。 第4章,新研航空發動機總體設計指標可行性分析方法,介紹用戶和飛機研制方對發動機總體的要求、發動機為滿足這些要求應該具備的基線能力,以及將整機基線能力轉化為部件方案的基線能力時所顯示出的核心技術先進性。展示出共同工作的發動機各部件性能的合集才是整體功能/性能,發動機總體方案的技術可行性本身就包含著技術的先進性和產品的工程可行性。 通過基礎知識的學習,希望設計師建立這樣的基本概念,即解決飛發一體化問題首先應該清楚飛行條件、飛機裝機環境和發動機工況等參數,并按照系統工程的思維、流程和判別準則開展設計和驗證活動。 飛發一體化設計活動涉及的信息既包含飛機的總體、氣動、結構和分系統信息,還包含發動機的總體、部件及子系統信息,具有多學科參與、多專業約束的特點。 受到生產的社會分工關系的影響,飛發一體化設計的結果受多方關注和多維度判別,經常遇到的情況是,面對同樣的結果會出現不同的評價。所以,飛發一體化設計必須建立上層大系統尋優、下層子系統避險的評判標準。 第1章飛發一體化設計應知悉的系統工程學概念 1978年,錢學森等學者共同發表《組織管理的技術——系統工程》一文,成為系統工程中國學派創建的一個重要標志[1]。進入21世紀,在中國航空工業、中國航空發動機內部的研究單位興起了系統工程學熱潮,出版了大量學術著作。系統工程學應對大規模、復雜工程問題的工作思路、方法和流程邏輯與飛發一體化設計的解題思路幾乎無縫對接,這就是本書開篇第1章就將這種方法介紹給讀者的初衷。 本章介紹的系統工程學定義主要取自《系統工程手冊系統生命周期流程和活動指南》[2]和《NASA系統工程手冊》[3]: (1)系統工程學是專注于整體(系統)而絕不是各個部分的設計和應用的學科; (2)系統工程是一種自上而下的綜合、開發和運行真實系統的迭代過程,以接近*優的方式滿足系統的全部要求; (3)系統工程是一種使系統能成功實現的跨學科的方法和手段,它以提供滿足用戶需求的高質量產品為目的,同時考慮了所有用戶的業務和技術需求。 飛發一體化設計的解題思路,就是運用系統工程學的概念和方法,將飛機、發動機項目研發需要中相互關聯的部分,建立一個綜合的工程模型,根據系統層級關系、物理學/數學等學科的方法工具,賦予相關的工作內涵。這里的工程模型,是指如果在下一層級系統設計中提出了一體化設計問題,應該在其上一層級建立綜合的工程模型,從中尋找答案。這里必須提醒注意的是,飛發一體化設計不是一個特立獨行的工作活動,它不可避免地要遵循飛機、發動機兩大工程體系的制約: (1)飛機產品、發動機產品都是可以獨立運行的系統; (2)飛機系統、發動機系統都有各自的生命周期; (3)在飛機和發動機項目的研發初期,對彼此的需求并非十分明確,隨著研制工作的深入,系統元素不斷成熟,需求也逐漸清晰;但是,在飛機和發動機產品的全壽命周期中,相互的需求會不斷地更新; (4)飛機和發動機工作界面在詳細設計階段都應有清晰的定義,但在初步設計階段工作界面可能是模糊的,飛發一體化設計時要避免造成人為混亂; (5)飛發一體化設計的復雜性隨必須考慮的系統元素數量的增加而增長,必須定義完整的接口標準來保證系統元素之間的數據交換; (6)飛機和發動機項目管理與工程研發相輔相成。 1.1系統與系統內部的層級結構 系統工程學中的系統定義: 系統是由多個相互聯系、相互制約的組成部分構成的總體。引用這個概念,可以很好地理解復雜工程問題中技術層面的制約關系和研發管理層面的組織邏輯。如圖1.1所示,運輸系統是由航空運輸系統、地面運輸系統和海上運輸系統等構成的總體;航空運輸系統是由飛機系統、機場系統、空中交通管制系統、售票系統和燃油分配系統等組成的總體;飛機系統是由機體系統、推進系統、飛行控制系統、導航系統、生命保障系統和空乘機組等組成的總體。這里需要注意的是,引用系統這個概念不是要將本就復雜的組織變得更為龐雜,而是要把控總體內部各組成部分的相互聯系,通過適當的解耦來有效解決問題。 圖1.1運輸系統與系統內的飛機系統及其他系統關系示意圖[2]系統由不同的元素組成,系統元素包括人員、硬件、軟件、設施、規范和文檔等為產生系統級結果所需的事物。圖1.2顯示的是美國國防部發表的《聯合服務規范指南》文件系統[4],它由十余份文件組成,每一份文件針對不同的專業領域,各份文件之間具有清晰的層次關系,對應于武器裝備系統工作分解結構。圖1.2可以很好地幫助讀者理解系統與系統元素之間的關系,每份文件都是一個系統元素,它們的總和構成一個完整的系統。各份文件之間不是相互獨立的,而是自上而下逐層細化的。其中,處于第二層的航空器(JSSG.2001)是對處于**層的航空器系統(JSSG.2000)的擴展和細化;而處于第三層的航空電子系統(JSSG.2005)、飛機結構(JSSG.2006)、航空渦輪發動機(JSSG.2007)、航空器控制與管理(JSSG.2008)、航空器子系統(JSSG.2009)和機組系統(JSSG.2010)是對航空器(JSSG.2001)的擴展和細化。這個規范系統作為系統工程的一種工具,其結果是指導武器裝備的采辦方與生產方按標準化策略編制相應的規范文件,其中**層、第二層JSSG文件用于編制系統規范,第三層JSSG文件用于編制產品研制規范。 圖1.2《聯合服務規范指南》文件系統示意圖[4]那些實物類的系統元素通常指的是系統層級結構中層級遞減的子系統、組件、部件和零件等,于是需要引入系統內部層級結構的概念。系統內部的層級結構可以理解為,將系統元素分解到可理解、可管理的程度,并可由另一方制作、購買或使用。系統內部的層級結構是管理大規模、復雜工程的設計和制造活動的保證,產品的需求通過層級結構逐級分解到*底層,使項目團隊中的每一個成員都知道需要做什么,以及如何去做。 系統內部的層級結構劃分規則可以按需要進行設置,例如,在民用航空領域,飛機系統設計要求的層級結構可以按照美國航空運輸協會(Air Transport Association, ATA)ATA 100規范的章節系統進行劃分,不同飛機系統特定的功能要求在各個章節中表述[5],圖1.3是這種商用飛機系統頂層文件對應的ATA 100規范章節示意圖,它使復雜的系統要求條目化,更方便分析和管理。飛機系統*頂層的設計要求以及必須遵循的設計約束由頂層飛機要求文件(Top Level Aircraft Requirement Document, TLARD)規定;向下一級分解成頂層系統要求文件(Top Level System Requirement Document, TLSRD)和頂層結構要求文件(Top Level Structural Requirement Document, TLStrRD);再向下一級TLSRD分解成環境系統、航空電子、電器系統、客艙系統、機械系統、推進系統、輔助系統等系統設計要求,TLStrRD分解成機體等結構設計要求;再向下一級還可以細分,如推進系統要求可以分解成燃油系統、掛架、動力裝置和功率控制等設計要求。 圖1.3商用飛機系統頂層文件及對應的ATA 100規范章節示意圖[5]也有按系統的功能模塊劃分系統內部的層級結構的,見圖1.4,它顯示的是飛機動力裝置系統的功能框圖[6],飛機動力裝置系統是指包含發動機本體以及實現發動機在飛機上的安裝、使用和可靠工作的系統和裝置的總稱,從框圖上可以看到發動機工作、傳力、環境、防火功能等與飛機子系統、裝置的交聯關系。圖1.4飛機動力裝置系統的功能框圖[6]還可以看出影響發動機工作的因素包括進氣道、發動機、尾噴管、燃油控制等;影響發動機控制的主要因素包括油門操縱、
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