航空发动机多设计点热力循环分析方法的构建及应用

针对航空发动机设计中涉及多性能需求与多约束条件的问题,提出一种以多个工作状态作为设计点进行热力循环分析的实现方法,并介绍了多设计点方法的构建及求解过程。采用单设计点方法和多设计点方法对大涵道比涡扇发动机进行热力循环分析,并对比了两种方法得到的设计域。结果表明,由于单设计点方法需假设某些热力参数在循环分析过程中不变,使设计域内部分区域不能满足性能需求或技术限制,且该区域内可能包含性能最优点。多设计点方法考虑了全部技术限制和所有工作状态的性能需求,在单设计点方法中不变的循环参数,在多设计点方法中作为非线性方程组中的迭代变量,确保了多设计点方法的设计域总是可以满足所有的性能需求和技术限制。     

大涵道比涡扇发动机循环参数优化算法研究及应用

针对多约束条件与多优化变量的大涵道比涡扇发动机循环参数优化问题,提出了自适应三次变异差分进化算法,运用多个Benchmarks多峰函数对算法进行验证,并将该算法与大涵道比涡扇发动机性能计算程序相结合,对多约束条件下的循环参数进行了优化.计算结果表明:自适应三次变异差分进化算法比传统差分进化算法收敛精度更高、收敛速度更快,大幅度提高了大涵道比涡扇发动机循环参数优化效果,适合解决大涵道比涡扇发动机循环参数优化问题.      

考虑部件约束的涡扇发动机循环参数分析方法研究

在涡扇发动机初步设计阶段,为了研究部件气动、结构、强度参数对于发动机循环参数求解域的约束,在发动机总体性能稳态计算模型以及尺寸流路计算模型的基础上,利用部件初步设计时采用的Smith图,基于牛顿迭代法构建了一种总体/部件耦合计算方法。在部件主要设计参数的约束边界基础上,采用该方法,能够获取同时满足总体和部件设计要求的循环参数求解域,并进一步获得部件的主要设计参数。使用该方法对第四代双轴混排涡扇发动机EJ200开展了算例验证,获取了部件约束条件下的发动机循环参数求解域,与公布的EJ200数据对比表明,主要部件设计参数误差<4%,表明该方法可以满足工程应用要求。     

基于飞发一体化的自适应循环发动机参数优化研究

为提升先进多用途战斗机的飞行性能,以自适应循环发动机为研究对象,建立了基于飞机/发动机性能模型联合的多目标优化模型。通过对先进多用途战斗机的约束分析和任务分析研究,确定了自适应循环发动机的多航段优化目标和性能约束条件,利用改进的多目标全面学习粒子群算法,对发动机的设计点参数匹配和非设计点下的变几何部件调节规律进行了优化计算。计算结果的对比表明,优化后的自适应循环发动机比基准状态总耗油量降低9.5%,超声速作战状态下的推力增大了9.6%,飞机的航程和作战性能收益明显,分析方法对近未来先进多用途战斗机的一体化分析提供了借鉴。     

考虑多工况性能可靠性的航空发动机循环设计方法

为实现航空发动机总体性能设计方法由传统的确定性设计向不确定性概率设计转变，提出基于分布式协同响应面法思想的航空发动机多工况性能可靠性循环优化设计方法:建立了引入非确定性部件性能的航空发动机性能仿真模型，通过试验设计、非设计点性能仿真试验等步骤，构建了各典型工况下发动机推力与耗油率性能可靠度关于设计点循环参数的分布式响应面模型，并以此构建多工况性能协同响应面模型进行循环参数优化设计，最终获得循环参数非劣解集并通过随机试验进行验证。结果表明，通过多工况性能可靠性循环优化设计方法获得的循环参数非劣解集均能使发动机在多个典型工况下的总体性能同时达到不低于97.5%的高可靠度，为设计人员根据实际情况选取循环参数提供依据。      

基于MRR-LSSVR 的发动机循环参数优化设计方法

为了实现飞机与发动机之间良好的协调与匹配,基于飞/发一体化设计软件AEDsys,通过约束分析、任务分析、参数循环分析、性能循环分析和安装性能分析等环节,对涡扇发动机总体设计进行了系统分析。针对性能循环分析中的备选发动机决策问题,提出了基于多输入多输出约简迭代最小二次支持向量回归机(MRR-LSSVR)的备选发动机代理模型构建方法,用于映射发动机设计参数与性能之间的关系,并通过可行序列二次规划(FSQP)算法自动优化出最佳的发动机设计循环参数组合,克服了AEDsys软件中发动机参数选择环节较为依赖设计经验、效率低的缺陷。     

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

基于CAIV的航空发动机性能与费用的综合权衡模型框架

运用"费用作为独立变量"方法, 对航空发动机立项论证中的性能与费用的综合权衡与决策方法进行了研究.首先建立了航空发动机总拥有费用的参数估算模型, 研究了发动机主要性能参数与其主要设计参数之间的关系并建立了性能模型.然后研究了如何确定设计参数的约束条件即"权衡空间".最后将以上研究成果进行了综合, 建立了发动机性能与总拥有费用的综合权衡模型框架, 可用于发动机的设计参数与费用的决策.      

基于进发匹配的自适应循环发动机总体性能设计初步研究

建立了自适应循环发动机与进气道的流量匹配数学模型,提出了一种可行的自适应循环发动机总体性能设计方法,并以此为基础对采用FLADE(Fan on Blade)的自适应循环发动机的设计参数选取和性能优化开展了研究。结果表明,自适应循环发动机性能设计,需综合考虑超声速进气道高空大飞行马赫数设计点和发动机地面静止起飞设计点的进发流量匹配需求;发动机设计点FLADE涵道比取值,应随着进气道设计马赫数及该飞行状态下冷却用气需求量的增加而增大。     

基于蜂群算法的变循环发动机最小耗油率优化

性能寻优控制是使变循环发动机满足长寿命、低油耗和大推力需求的主要途径,也是实现飞机推进系统综合控制的关键技术.基于双外涵变循环发动机非线性数学模型,在满足发动机各部件物理约束条件和推力条件下,采用人工蜂群算法对变循环发动机典型亚声速巡航点(H=11 km,Ma=0.8)耗油率进行了寻优分析,找到了耗油率最小条件下发动机6个几何可调参数、5个发动机循环参数最优值.结果表明:亚声速巡航点的耗油率在优化后比优化前降低了4.5％,从而证实人工蜂群算法能够完成变循环发动机多维优化问题.     

多用途战斗机/涡扇发动机一体化循环参数优化

 针对多用途战斗机的特点,发展了基于飞/发一体化的涡扇发动机循环参数优化设计模型和相应的计算程序,优化设计模型中包括双变量控制涡扇发动机特性计算模型、进排气系统安装特性计算模型、飞机气动特性分析模型、重量组成分析模型、任务剖面分析模型、约束分析与任务分析模型和优化计算模型等。重点研究了多用途战斗机约束边界的获得方法,利用多岛遗传算法和自适应模拟退火优化算法,分别对现役多用途战斗机、不加力超声速巡航多用途战斗机以及下一代先进多用途战斗机用涡扇发动机循环参数进行了优化计算,对计算结果进行了分析,获得了对多用途战斗机用涡扇发动机循环参数选择有指导意义的结论。     

直接喷射分层燃烧转子发动机工作过程的模拟

利用零维热力学模型对直接喷射分层燃烧转子发动机工作过程进行模拟计算,得到了燃烧室内工质温度、压力随偏心轴转角的变化和性能参数曲线,并与文献[5]中的计算结果进行了比较。结果表明:该模型可满足工程应用的需要,可作为直接喷射分层燃烧转子发动机初步或改进设计的分析工具。      

变循环发动机模态转换建模及控制规律设计方法研究

为了实现变循环发动机快速可靠的模态转换,本文发展了变循环发动机模态转换过渡态模型及控制规律设计方法。在变循环发动机动态数值仿真程序的基础上,针对模态选择阀与涵道引射器这两个模态转换过程中的关键变几何部件,建立了高精度的气流突扩局部损失模型。首次提出了可考虑模态选择阀堵塞对发动机性能影响的模态选择阀堵塞模型,消除了由于模型不精确造成的模态转换参数波动。在建立的变循环发动机数学模型的基础上,提出了基于直接推力控制技术的模态转换控制规律设计方法,考虑了变循环发动机的8个可调参数,采用差分进化算法对模态转换过程进行了优化。结果表明,本文提出的模态转换控制规律设计方法可以实现变循环发动机快速平稳的模态转换,双外涵转单外涵的参数变化规律与单外涵转双外涵的参数变化规律基本类似,推力在0.6秒就稳定在目标推力值,其余参数大多在1.4秒之后才趋于稳定。本文提出的变循环发动机模态转换控制规律设计方法还可应用于常规航空发动机的加/减速过渡态控制规律设计中。     

核心机派生涡扇发动机部件及整机匹配

以核心机与低压系统的部件及整机气动热力匹配关系为理论依据,在全面考虑低压压缩系统与核心机压气机的匹配约束关系、核心机涡轮工作状态相应变化以及派生发动机内外涵整机匹配的多因素下,建立了核心机派生涡扇发动机部件及整机气动热力循环匹配算法模型.应用该模型,进行了核心机派生涡扇发动机循环参数及性能趋势分析,计算结果表明高低压和整机匹配约束直接影响核心机派生涡扇发动机循环参数和整机性能,为核心机派生系列化涡扇发动机工程实践应用中所涉及的部件/整机参数匹配及性能预估提供分析和设计参考.      

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

计算机模拟技术在航空发动机设计中的应用

通过对过去30多年来航空燃气涡轮发动机性能计算机模拟技术研究的回顾,总结了发动机性能模拟技术的研究方法,分析了发动机模拟技术的现状,提出了发动机计算机模拟技术的三个层次概念,并对目前国内现有技术进行了总结,提出以发动机仿真为目标的发动机性能仿真应是未来发展的方向;还以基于第二层次数学模型的某计算机模拟软件为手段,通过对某型涡扇发动机设计参数的分析和发动机使用过程中各种影响因素的预测分析等．阐述了基于计算机模拟技术的航空燃气涡轮发动机设计技术,分析了计算机模拟技术在发动机设计中的应用。     

基于难度系数平衡的涡轴发动机总体设计方法

为了实现第5代涡轴发动机从概念至初步设计阶段的总体方案设计,发展一种兼顾涡轴发动机总体性能与尺寸质量的总体设计方法。统计并评估国内外典型型号涡轴发动机的技术参数,建立涉及总体性能、总体结构、部件的气动/结构/强度/材料等数据库;在概念设计阶段,应用难度系数选取涡轴发动机的技术参数,开发涡轴发动机总体性能和尺寸质量设计的计算模型及程序。基于设计准则完成涡轴发动机总体性能以及各转子部件气动、结构、强度、尺寸及质量等总体方案设计。结果表明:所提出的总体设计方法能够快速有效的实现涡轴发动机的总体方案设计,并以此方法设计完成轴动功率为1500kW的第5代涡轮发动机,耗油率为0.248kg/(kW·h),功质比为10.26kW/kg。      

选择发动机最佳循环参数的一体化方法研究

 航空发动机是飞机的动力装置,它的性能、重量、尺寸都对飞机性能有显著影响。本文从系统工程的观点出发,综合考虑飞机、发动机性能的相互影响和匹配,提出了以最好地满足飞机飞行任务为目标,选择发动机最佳循环参数和调节计划的一体化方法。 本文的应用实例是歼击机动力改型时优选加力发动机的最佳设计方案。计算结果表明:飞机飞行任务不同、改型要求不同、约束条件不同,发动机最佳方案的类型、循环参数和调节计划也完全不同。因此,一体化选择方法具有重要实际意义。