1、第11卷第1期航空動力學報V o l111N o11 1996年1月Journa l of Aerospace Power Jan.1996參數化發動機結構方案設計系統的研究北京航空航天大學郭淑芬【摘要】介紹在微型計算機上以A u to CAD圖形軟件為支持軟件,研究并開發了適合于渦扇、渦噴、渦軸等類型航空發動機的部件及總體結構方案圖的設計系統。由于采用參數化的繪圖方式、設計、繪圖與修改極為方便。設計工作使用Engine系統可以在很短的時間內,完成多方案的部件及總體結構方案設計,為航空發動機進行初步總體結構設計提供簡便、快捷、多方案優化選擇的方法,Engine系統可以大大地改善發動機結構設計的

2、速度和質量。主題詞:航空發動機結構化程序設計計算機輔助設計分類號:V235T P3911721Eng i ne系統的結構、功能及特點應用Engine CAD系統可以進行單轉子、雙轉子、三轉子的渦扇、渦噴、渦軸發動機的部件及總體方案圖的設計任務1。該Engine CAD系統在CJ2000的預研中得到了很好的應用。Engine CAD系統為動態交互式和用數據文件方式實現參數化設計與繪圖。在整個設計過程中,用戶可以通過鍵盤命令、屏幕菜單、下拉式菜單或圖標菜單進行信息交換,可以對以文件形式輸入的原始數據進行交互式的實時修改,對系統中的多種標準圖形以圖標菜單的方式進行調用、組合、刪除、添加、修改,直到獲

3、得滿意的部件或總體結構方案圖為止。Engine CAD 系統中有3個子系統,分別為W SCAD(風扇CAD、W PCAD(渦噴CAD、W ZCAD(渦軸CAD子系統,每個子系統都是由多個模塊組成,分別為主控模塊、公共模塊、數據輸入模塊、進口模塊、壓氣機模塊、燃燒室模塊、渦輪模塊、數據輸出等模塊2。由于采用模塊化結構,整個系統程序修改和添加新的圖形方案非常方便。在每一個子系統中對各種類型發動機按部件進行多方案設計,各部件之間的聯系由系統內部的程序自動完成。選擇部件組裝總體方案圖時,可以按從前向后選擇部件,也可以無規律的選擇部件,都能生成一臺完整的發動機總體方案圖,并具有實時修改的功能,按各模塊設

4、計的單元體組成發動機總體方案圖。Engine系統具有以下特點:(1具有人機交互功能;(2具有豐富的菜單和友好的用戶界面,使一般的設計人員都能很快熟悉和掌握該系統的使用;(3各部件設計為單元體結構,歸類成多種類型部件形式,做成圖標菜單的形式供用戶選擇;(4發動機各單元體之間的聯結由系統自動實現,當相鄰的兩個部件設計選型繪制圖形完成后,程序自動選用與兩個部件相匹1994年11月收到;1995年2月收到修改稿。33北京航空航天大學405教研室100083配的形式將其聯結起來;(5該系統具有實時編輯與修改功能,如果輸入的數據不合適使圖形畸變,可以直接在圖形中修改數據,修改后的數據取代原數據存入系統中;

5、(6標準圖形庫中的各部件的方案形式,可以進行修改、添加和刪除,便于系統的發展與擴充;(7大大地縮短了設計周期和提高設計質量。2各模塊設計參數在進行渦扇、渦噴和渦軸發動機部件或總體結構方案設計時,需要輸入發動機流道參數和支點的位置,其余的數據在系統內部實現。其流道參數的輸入,對于渦扇、渦噴和渦軸發動機的進氣部分按類型不同分別輸入4個點或6個點的坐標(X ,Y 值,如圖1(a ,1(b 所示 。對于軸流式壓氣機和渦輪第1級需要輸入8個點的X 和Y 坐標值,圖1 (c 所示為壓氣機的級輸入參數,圖1(d 為渦輪的級輸入參數。軸承支點根據設計需要給出X 和Y 的坐標值。上述參數是通過數據文件輸入的。對

6、于壓氣機(包括風扇、高壓低壓氣機和渦輪(高低壓渦輪的級數由設計所決定,級數不限。如果輸入的數據使得設計與繪制的部件圖不合適,可交互式的實時進行修改,直到獲得滿意的結果為止 。圖1數據輸入點的位置(a 軸流進氣4點位置(b 軸流進氣6點位置(c 軸流壓氣機輸入點位置(d 渦輪輸入點位置Engine CAD 系統中發動機的各部件方案分類形式以圖標菜單表達,各部件都有多種不圖2風扇發動機低壓渦輪的形式同的類型供用戶設計時選擇,例如在W SCAD 子系統中,進口部件有3種形式;壓氣機部件中風扇和低壓壓氣機有7種形式;高壓壓氣機有3種形式;燃燒室有3種形式;高壓渦輪有6種形式;低壓渦輪有6種形式;后軸承

7、機匣有2種形式。在W PCAD 子系統中,進口部件有3種形式;高、低壓壓氣機各有4種形式;燃燒室分環形和環管形2種形式;高、低壓渦輪各有4種形式;后軸承機匣有2種形式。在W ZCAD 子系統中,進口部件有4種形式;低59第1期參數化發動機結構方案設計系統的研究壓壓氣機有7種形式;高壓壓氣機有2種形式;燃燒室有3種形式;高壓渦輪有5種形式;低壓渦輪只有1種形式;自由渦輪有9種形式。圖2所示為風扇發動機低壓渦輪的9種形式。圖形庫中各部件的類型,是在大量閱讀國內外發動機的圖紙,對各種類型發動機結構進行分析研究的基礎上,通過簡化、歸類確定的3,4。該系統滿足了渦扇、渦噴、渦軸發動機結構方案設計的需要。

8、圖3所示用W SCAD 子系統參數化繪制的渦扇發動機的多方案選擇總體圖。圖4所示的參數化繪制的渦軸發動機多方案選擇的總體圖 。圖3風扇發動機多方案總圖圖4渦軸發動機多方案總圖Engine CAD 系統實現參數化繪制渦扇發動機、渦噴發動機、渦軸發動機的部件和總體方案圖,在發動機初始設計階段實現高速度、高質量、高精確度地完成渦扇、渦噴、渦軸發動機的多方案對比設計,使設計者從諸多個方案中選擇最優的方案,大大地縮短設計周期,節省大量的人力和物力。由此可以看出Engine CAD 系統是航空發動機的預研、定型和改型設計中不可缺少的有用工具。參考文獻1陳光主編1航空燃氣渦輪發動機結構設計1北京:北京航空學院出版社,19882Stricker J M ,N o rden C M .Computerized p reli m inary d