涡轮电推进系统建模及控制规律设计

为了研究涡轮电推进系统的工作特性及控制规律设计方法，建立了涡轮电推进系统总体性能仿真模型。基于部件法建立了涵道风扇性能计算模型；基于电机效率图建立了发电机及电动机性能计算模型；基于面向对象的建模方法建立了电推进模块计算模型。将建立的电推进模块计算模型加入涡扇发动机部件级仿真模型中，构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组，即其性能仿真模型。采用逆算法研究了不同几何参数控制规律下，涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程，并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型，形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法，应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。计算结果表明：本模型设计点性能计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果最大偏差仅为0.22%，验证了建模方法的有效性；当涵道风扇推力改变时，可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振等问题，通过联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积，可以有效改善这些问题；设计出的节流过程控制规律可以保证不超温、不超转，具有足够的喘振裕度，且在节流过程中还能进一步降低耗油率；该控制规律还具有连续、单调的特点，利于工程实现。     

涡轮电力系统提高推进效率

有研究表明,在2030年后,应用布雷顿循环原理的燃气涡轮发动机的耗油率将不会再有任何可以改进的空间,而混合型发动机则会成为进一步提升发动机效率的研究热点。     

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.      

多级轴流燃气涡轮几何和气动参数的最佳选择

将多级轴流燃气涡轮的设计问题表述为以设计工况内效率的最大值为目标函数，带有多种气动与结构的约束条件的多维非线性数学规划问题，采用Craig-Cox模型计算气动损失。用SUMT－外点法将有约束问题化为无约束问题，再用Sargent改进的Powell方法借助于抛物线拟合一维搜索得最优解，给出了有关数值算例。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明：变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。     

涡轮叶片的多学科设计优化系统

建立了一个全三维涡轮叶片的一体化多学科设计优化系统, 并对某叶片进行涉及五学科的设计优化分析.在此优化系统中, 采用5次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模, 单元线性插值法完成学科间载荷信息的传递, 多岛遗传算法及二次序列规划法联合进行整个优化问题的寻优.实例分析结果表明, 一体化优化使涡轮叶片性能得到明显提高, 所建系统稳定、高效, 具有应用于工程实践的可行性及可靠性.      

涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

基于网格参数化变形的单级涡轮多学科可靠性设计优化

基于自由变形技术发展了一种可以协调实现流场、结构分析网格参数化变形的方法,并实现单级涡轮的多学科可靠性设计优化。针对流场分析网格展向积叠的特征,将三维网格变形转化为不同叶高二维截面的网格变形;根据二维流场分析网格的拓扑结构,设计二维控制面,基于叶型设计参数建立叶型控制点、其他控制点伴随叶型控制点移动,实现了网格的参数化变形,避免了网格畸变、提高了网格变形的质量;不同叶高的二维控制面组成控制体,实现三维流场分析网格的参数化变形。采用相同的控制体进行结构分析网格的变形,实现了耦合界面网格协调变形。基于Kriging代理模型进行单级涡轮的多学科可靠性优化,在满足可靠性约束的情况下效率提高4.97%、寿命提高40.86%,证明了方法的有效性。      

一种混合粒子群优化算法在翼型设计中的应用

提出了一种分层交换差分粒子群优化算法。作为一种混合算法,将粒子群优化算法与差分进化算法有机地结合了起来,使得粒子种群和差分种群分层交换,共享最优信息,加快了收敛速度,降低了陷入局部最优的风险,函数测试结果表现出算法具有更好的寻优性能。将算法应用到翼型设计之中,取得了良好的优化效果。     

超参数自适应的MOEA/D-DE算法在翼型气动隐身优化中的应用

MOEA/D-DE 算法易于实现,被广泛应用于处理多目标优化问题,但其超参数CR 和F 对算法性能影响较大。基于MOEA/D-DE 算法框架、利用Sobol 全局灵敏性分析方法对差分进化算子中的交叉控制参数CR进行改进,使用莱维飞行策略控制比例因子F,使算法中的超参数拥有自适应能力,得到超参数自适应的MOEA/D-DE 算法——MOEA/D-DEAH 算法;对MOEA/D-DEAH 算法、不同超参数设置的MOEA/D-DE算法和NSGAII 算法进行函数测试和翼型气动隐身优化算例对比。结果表明：MOEA/D-DEAH 算法性能良好,具有较强的鲁棒性,气动隐身优化效果也比其他算法更好。     

基于参数敏感性的涡轮平面叶栅多目标优化设计

涡轮叶片平面叶栅优化方法借鉴已有研究成果,综合考虑了造型方法、性能评估方法、优化方法三个关键环节,在i SIGHT平台下完成了叶栅优化过程集成,建立了适合工程应用的涡轮叶栅多目标优化设计系统。以高压涡轮导叶中截面为例,从参数敏感性、反设计及多目标优化三个方面,对优化方法进行了较为深入的分析。结果表明,该方法可快速有效地优化涡轮叶栅流场和性能。     

第四代战斗机推进系统循环参数优化研究

本文对有和没有超音速巡航任务段的第四代战斗机推进系统的循环参数进行了最优化计算,分析了超音速巡航距离、发动机全寿命费用和部件效率对发动机最优循环参数选取的影响。结果表明宜采用小涵道比涡扇发动机,而且不考虑费用时涡轮前温度取值越高越好,考虑费用时则有最大值;提高发动机部件效率对循环参数取值影响较大,而且使飞机性能提高较多。      

低压涡轮气动/声学一体化设计——总体参数优化

低压涡轮是航空发动机的重要噪声源之一,同时也是影响发动机单位推力耗油率的重要部件之一。为适应新一代发动机高效、低噪的设计目标,提出了基于传统涡轮设计流程的低压涡轮气动/声学一体化设计思路,并以某一典型民用发动机6级低压涡轮的设计要求为例,对末级功分配、通道外径、涡轮出口马赫数、叶片数目等涡轮总体参数进行了优化探索。结果表明,文中提出的设计思路可以在涡轮设计的总体参数选取阶段对涡轮效率和噪声同时进行有效评估,以便合理地选取涡轮总体参数,是一种可行的高效、低噪涡轮设计方法。     

大膨胀比向心涡轮多学科优化设计及敏感性分析

向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。     

基于Kriging模型的涡轮叶片多学科设计优化

引入基于Kriging模型的近似技术, 建立了一种三维涡轮叶片的多学科设计优化方法.系统介绍了Kriging近似模型, 采用松散耦合方法考虑叶片各学科之间的耦合关系, 在多学科耦合分析的基础上, 采用多学科可行方法与基于Kriging模型的多学科优化方法分别进行了优化和比较.算例表明, 同等条件下相对于前者, 后者能够在精度无明显损失的情况下更快地收敛到最优解, 使涡轮叶片的各项性能得到明显改善, 证明该优化方法是可行有效的.      

自适应中心变异差分进化算法及其在涡轮叶型优化设计中的应用

为了更好地求解多维复杂函数优化问题,提出了自适应中心变异差分进化算法(SCDE),并以低温火箭发动机多级氧涡轮叶片的高精度气动型面优化设计为例进行了验证.使用商业软件进行三维叶片几何造型和单通道流场分析,计算得到涡轮效率作为优化设计评价指标.最终得到了合理的优化结果,涡轮效率相比初始设计提高了5.25%.      

航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化

叙及了多学科设计优化技术在航空发动机涡轮叶片设计中的应用研究,对涡轮叶片多学科设计优化方法进行设计的具体实施过程进行了介绍,讨论了结构、气动、传热、强度、振动和寿命以及优化算法等跨学科之间进行耦合优化设计的理论和方法。文末给出了一计算实例。      

基于特征的航空发动机涡轮叶片参数化设计

从零件层、特征层和参数层的角度,详细分析和阐述了涡轮叶片及其叶身特征、叶身附属特征和标准件之间的关系.给出了涡轮叶片的叶身特征、标准件,以及叶身附属特征中的扰流柱和隔肋特征参数化设计的实例.详细介绍了扰流柱和隔肋的参数化设计过程,以程序设计结合标准模板件的方式实现了扰流柱和隔肋的参数化设计.     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。