CN105631140B - 一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法 - Google Patents

一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法，包括步骤1：校核发动机性能计算程序；步骤2：单参数调节影响分析；步骤3：选取自变量、自变量范围及响应变量；步骤4：选取试验设计方法及样本方案；步骤5：计算样本方案；步骤6：建立近似模型；步骤7：建立优化方程组及求解；步骤8：多参数耦合影响下发动机特性分析。通过本发明的方法，能够以较少的方案计算量、科学的数据分析方法，简单直观地获得更全面的可调节部件参数对发动机稳态性能优化目标的影响特性，并能够根据优化目标，方便快速地得到最佳的可调节部件参数匹配方案，从而对发动机稳态性能进行分析及优化，具有精度高、易操作等优点。

Description

一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法
技术领域
本发明属于航空发动机设计领域，尤其涉及一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法。
背景技术
近年来，战斗机正朝多用途、宽包线方向发展，这促使研究者注重变循环发动机技术的研究。变循环发动机通过改变发动机部件的几何形状、尺寸或位置来调节热力循环参数，能够同时发挥大、小涵道比发动机的优势，使发动机兼具大推力与低油耗特性，使得发动机在各种工作条件下都具有最佳的热力循环，从而对飞行速度和高度有良好的适应性，是目前航空发动机的重要研究方向。变循环发动机相比常规涡扇发动机增加了模式选择阀、可调导叶核心机驱动风扇、可变面积前/后涵道引射器、变几何低压涡轮等可调节部件，调节变量为常规涡扇发动机的四倍以上，方案计算量将呈幂指数增长。此外，各可调部件对总体性能的影响存在显著的交互耦合作用，其特性分析及性能优化工作较常规涡扇发动机的复杂度、难度显著增加。因此，寻求一种简单、有效的变循环发动机性能分析及优化方法，对变循环发动机的设计研究具有重要意义。
发动机性能优化中，一方面要通过可调部件的调节使得发动机保持良好的性能指标，另一方面还必须满足压缩部件的稳定性要求。国内对变循环发动机的研究起步晚、研究基础薄，在工程上，主要参照常规涡扇发动机的研究方法，基于大范围的可调部件参数研究结果，根据约束条件进行筛选，观察分析变化规律，细化调节范围及步长、反复计算，最终得到工程上的最优方案。在基础研究方面，高校研究者主要基于遗传算法等优化算法开展变循环发动机稳态性能的优化研究。以上方法均存在局限性：基于大范围可调部件参数研究的优化方法，存在计算量大、计算需要反复迭代、设计效率低、无法考虑到空间内所有解等问题，并且数据处理繁杂，必须由经验丰富的工程设计人员完成，数据分析难度高，特性规律不易提取；基于遗传算法等优化算法的优化方法，虽然能快速得到优化结果，但这种方法类似于优化“黑箱”，无法得到可调部件调节对稳态性能的影响过程及规律，不利于对变循环发动机特性的研究。此外，工程上要结合部件设计难度等工程实际，综合选取最优方案，理论最优解并非工程最优解，因此这种优化算法不能满足工程应用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法，解决目前上述任一问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法，包括
步骤1：校核发动机性能计算程序
在所述计算程序内输入已知发动机的输入参数，利用计算程序计算得出所述输入参数下发动机的输出参数，将所述输出参数与相同输入参数条件下的已知输出参数进行对比，校核所述计算程序的精度；
步骤2：单参数调节影响分析
在所述计算程序内输入待研究发动机的输入参数，改变所述输入参数中的单个可调部件参数，利用计算程序计算得出单个可调部件参数对发动机输出参数的影响规律；
步骤3：选取自变量、自变量范围及响应变量
综合所述步骤2得出的影响规律及发动机性能优化目标，选取与优化目标相关的多个可调部件参数为自变量并确定所述自变量的变化范围，选取与优化目标相关的多个所述输出参数为响应变量；
步骤4：选取试验设计方法及样本方案
根据试验设计方法在自变量的变化范围内确定多个所述自变量数值，并按照所述试验设计方法将所述自变量数值进行排列组合形成多个样本方案，
步骤5：计算样本方案
将所述样本方案输入所述计算程序内并进行计算，得出每个样本方案的响应变量的数值；
步骤6：建立近似模型
将步骤5所有样本方案及其响应变量的数值按照预定方法进行拟合，拟合得到响应变量关于自变量的函数关系为响应变量的近似模型，并对近似模型进行方差分析和显著度分析；
步骤7：建立优化方程组及求解
将步骤6的不同响应变量的近似模型组合形成优化方程组，并根据所述发动机性能优化目标对优化方程组进行求解，计算得出满足优化目标的所述自变量数值，并将计算得到的所述自变量数值代入计算程序验算；
步骤8：多参数耦合影响下发动机特性分析；
根据所述近似模型绘制响应曲面图，分析不同自变量与响应变量之间的关系，总结得出自变量所对应的多个可调部件参数的耦合影响下，响应变量所对应的发动机总体性能参数的变化特性，优化及分析结果用于指导设计研究工作。
进一步地，步骤1所述已知输出参数包括试验得出的发动机的输出参数和标准程序下得出的发动机的输出参数，所述标准程序包括商用发动机性能程序和已经经过试验校准的发动机性能程序。
进一步地，步骤2所述可调部件参数包括核心机驱动风扇导向器叶片角度参数、低压涡轮导向器面积参数、前涵道引射器面积参数、后涵道引射器面积参数、喷管喉部面积参数、模式选择阀门位置参数。
进一步地，步骤4所述试验设计方法包括全因子试验设计方法、正交试验设计方法、中心复合设计方法、Box-Behnken设计方法。
进一步地，步骤6所述预定方法指的是响应曲面法。
本发明的一种循环发动机稳态性能分析及优化方法，能够以较少的方案计算量、科学的数据分析方法，简单直观地获得更全面的可调节部件参数对优化目标的影响特性，并能够根据优化目标，方便快速地得到最佳的可调节部件参数匹配方案，具有精度高、易操作等优点。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为根据本发明一实施例的变循环发动机稳态性能分析及优化方法的流程图；
图2为根据本发明一实施例的使用计算程序与标准程序的校核对比图；
图3为根据本发明一实施例的喷管喉部面积单独调节对推力、耗油率的影响规律曲线；
图4为根据本发明一实施例的低压涡轮导向器面积及后涵道引射器面积调节对推力、耗油率影响的响应曲面图；
图5为根据本发明一实施例的低压涡轮导向器面积及喷管喉部面积调节对推力、耗油率影响的响应曲面图；
图6为根据本发明一实施例的喷管喉部面积和后涵道引射器面积调节对推力、耗油率影响的响应曲面图；
图7为根据本发明一实施例的低压涡轮导向器面积及喷管喉部面积调节对推力、耗油率影响的响应曲面图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示为本实施例的变循环发动机稳态性能分析及优化方法的流程图，其包括
步骤1：校核发动机性能计算程序；
在计算程序内输入已知发动机的输入参数，利用计算程序计算得出输入参数下发动机的输出参数，将输出参数与已知输出参数进行对比，校核计算程序的精度，输出参数包括主要性能参数、部件工作参数以及主要截面气动参数，由于发动机输入参数和输出参数数量太多，便不一一列举。
需要指出的是，由于计算程序为自编程程序，功能上与商用发动机分析软件GasTurb类似，所要要进行校核。上段所述已知输出参数可以是已知发动机的试验数据或经标准程序计算得到的数据，标准程序包括商用发动机性能程序和经过试验校准的发动机性能程序。商用发动机性能程序是市面上流通发行的或本领域人员常用的计算机程序，具有一定的权威性。
本实施例采用标准程序的计算算例进行校核，输出参数中，总体性能参数及主要部件参数的对比校核如图2所示，校核结果表明性能计算程序的输出参数相对标准程序的输出参数相对误差的绝对值不超过0.94％，由此可见性能计算程序具有较高的精度和可靠性。
步骤2：单参数调节影响分析；
在计算程序内输入待研究发动机的输入参数，改变输入参数中的单个可调部件参数，利用计算程序计算得出单个可调部件参数对发动机输出参数的影响规律。
需要指出的是，可调部件参数包括核心机驱动风扇导向器叶片角度参数、低压涡轮导向器面积参数、前涵道引射器面积参数、后涵道引射器面积参数、喷管喉部面积参数、模式选择阀门位置参数等。
具体的，本实施例将模式选择阀位置参数分为开和关两个位置，对应变循环发动机双外涵和单外涵两种工作模式，依次单独改变核心机驱动风扇导向器角度、低压涡轮导向器面积(LPT)、后涵道引射器面积(RVABI)、喷管喉部面积(A8)四个可调部件参数，分别计算分析对发动机双外涵模式及单外涵模式的性能影响，绘制影响规律曲线。例如A8调节对变循环发动机推力和耗油率的影响规律如图3所示。
步骤3：选取自变量、自变量范围及响应变量；
综合步骤2得出的影响规律及发动机性能优化目标，选取与优化目标相关的多个可调部件参数为自变量并确定自变量的变化范围，选取与优化目标相关的多个输出参数为响应变量。
本实施例中，选取了发动机在高度17km,马赫数1.7的工作点，该工作点要求发动机具有较高的推力，同时耗油率要尽量低，并且保证压缩部件稳定裕度。因此选取推力(Fn)、耗油率(SFC)、风扇喘振裕度(SMfan)、核心机驱动风扇喘振裕度(SMcdfs)、压气机喘振裕度(SMhpc)作为响应变量。步骤2分析结果表明，单外涵模式具有较高的推力，并且单外涵模式核心机导叶角度要处于开大状态，随着导叶角度增加，推力增加明显，因此确定模式选择阀位置参数为关闭，核心机导叶角度为最大，因此选取LPT、RVABI和A8三个可调部件参数作为近似模型的自变量，自变量的调节范围参照步骤2得到的影响规律选取，具体如下：
步骤4：选取试验设计方法及样本方案；
根据试验设计方法在自变量的变化范围内确定多个自变量数值，并按照试验设计方法将自变量数值进行排列组合形成多个样本方案。
需要指出的是，步骤4试验方法包括全因子试验设计方法、正交试验设计方法、中心复合设计方法、Box-Behnken设计方法。
本实施例中选取全因子试验设计方法，每个自变量在取值范围内均匀选取三个数值，取值如下：
根据全因子试验设计原则，对每个自变量的3个数值进行排列组合，形成27个样本方案。如下：
步骤5：计算样本方案；
将样本方案输入计算程序内并进行计算，得出每个样本方案的响应变量的数值。
具体的，计算过程中要保证发动机物理转速、涡轮前温度等参数不超过极限值的限制。
本实施例中计算过程的控制规律如下：
其中，n1为低压物理转速，n2为高压物理转速，T4为涡轮前温度，下标max表示最大限制值。计算结果如下：
步骤6：建立近似模型；
将步骤5所有样本方案的自变量和响应变量数值按照预定方法进行拟合，拟合得到响应变量关于自变量的函数关系为响应变量的近似模型，并对近似模型进行方差分析和显著度分析。
需要指出的是，预定方法指的是响应曲面法进行拟合，本实施例拟合得到各响应变量的近似模型如下：
推力模型：
Fn＝-16.435656+2.085483A+0.720285B-3.530760C-0.074212A2-0.004580B2-0.063096C2-0.023202AB+0.045447AC+0.031440BC
R2＝0.953 AdjR2＝0.950
耗油率模型：
SFC＝-2.812899+0.302993A+0.108588B-0.161303C-0.004309A2-0.001161B2-0.001897C2-0.001901AB+0.006513AC+0.006263BC
R2＝0.993 AdjR2＝0.993
风扇喘振裕度模型：
SMfan＝5.977843+0.558762A-0.155699B-0.085931C-0.005631A2-0.005158B2-0.003837C2-0.005776AB-0.003430AC+0.007628BC
R2＝0.998 AdjR2＝0.998
核心机驱动风扇喘振裕度模型：
SMcdfs＝42.28350+0.003698A-0.136065B+0.392698C-0.001052A2-0.008976B2-0.026383C2-0.007092AB+0.005691AC+0.019542BC
R2＝0.999 AdjR2＝0.999
压气机喘振裕度模型：
SMhpc＝24.597423+0.022242A-0.037503B+0.270639C-0.002039A2+0.001799B2+0.005392C2+0.001231AB-0.007885AC-0.005953BC
R2＝0.998 AdjR2＝0.998
其中，模型中A代表LPT导向器面积、B代表RVABI外涵面积、C代表A8喷管喉部面积、Fn代表推力、SFC代表耗油率、SMfan代表风扇稳定裕度、SMcdfs代表核心机驱动风扇稳定裕度、SMhpc代表压气机稳定裕度。
对所建立的近似模型要进行方差分析及显著度分析，复相关系数R2和修正的复相关系数AdjR2反应了响应曲面模型的完全拟合度量值，体现了拟合质量，高显著度足够逼近的响应曲面模型要求该值在0.9以上，复相关系数的计算方法如下：
其中，Yeq.k为响应曲面模型对第k个样本方案的计算值；
Yp为性能程序计算结果的平均值；
Ypk为性能程序对第k个样本方案的计算值；
dfeq.等于数学模型中自变量的项目数；
N为样本方案数量。
本实施例中复相关系数均达到0.95以上，模型P值均小于0.001，表明模型具有高的显著度，响应面模型的拟合质量极高。
步骤7：建立优化方程组并求解；
将步骤6的不同响应变量的近似模型组合形成优化方程组，并根据发动机性能优化目标对优化方程组进行求解，计算得出满足优化目标的自变量的数值。
本实施例求解利用Isight软件，优化目标为：Fn趋近于目标值，目标值可以是最大值或者具体数值，并且保证SFC、SMfan、SMcdfs、SMhpc满足一定条件。
实施例优化方程组如下：
Fn趋近于目标值
SFC≤SFCmax
SMfan≥SMfanmin
SMcdfs≥SMcdfsmin
SMhpc≥SMhpcmin
变量范围：
x∈B{x|xmin≤x≤xmax}
其中，x为可调部件调节变量。
为了对比说明，实施例采用背景技术中提到的目前工程上应用的大范围参数研究的办法，对变循环发动机的性能进行了优化，优化计算了1573个样本方案，优化结果如下：
采用本发明优化分析方法，按照两种优化方案进行求解：优化方案1的目标是Fn趋于最大值，优化方案2的优化目标是Fn与大范围参数研究方法的优化结果相等，可调部件调节量尽量减小。经过方程求解和性能程序验算，优化计算结果对比如图4所示，其优化结果如下：
在耗油率、压缩部件稳定裕度满足要求的条件下，优化方案1的无量纲推力较传统优化方法的推力高0.57个百分点，LPT调节量低8.39个百分点，RVABI调节量低8.24个百分点；Fn相当时，LPT调节量低8.73个百分点，RVABI调节量降低10.46个百分点。调节量的减少能够降低设计难度。由此可见，采用基于近似模型的优化方法可以以更少的计算量，得到性能更优或者部件调节难度更低的方案。
步骤8：多参数耦合影响下发动机特性分析；
根据近似模型绘制响应曲面图，分析不同自变量与响应变量之间的关系，总结得出自变量所对应的多个可调部件参数的耦合影响下，响应变量所对应的发动机总体性能参数的变化特性，分析优化结果用于指导设计研究工作。
本实施例的计算响应曲面图如图5至图7所示，分析可得可调部件耦合作用对发动机性能的影响规律：A8的降低、LPT导向器面积的增加会使得推力、耗油率有增加的趋势，RVABI外涵面积的影响较小；性能模型的非线性、强耦合特点明显，可调部件交互作用对性能的影响较大，随着LPT流量因子的降低，推力耗油率降低，但这种趋势随着A8面积的减小而减小，在A8面积小至一定程度后，推力甚至有上升趋势。实施例中所得的优化方案达到了设计优化要求，分析获取的发动机特性已用于指导变循环发动机的设计研究。
本发明的一种循环发动机稳态性能分析及优化方法，能够以较少的方案计算量、科学的数据分析方法，简单直观地获得更全面的可调节部件参数对优化目标的影响特性，并能够根据优化目标，方便快速地得到最佳的可调节部件参数匹配方案，具有精度高、易操作等优点；且能看到可调部件参数对稳态性能的影响过程及变化规律，为变循环发动机进一步的特性研究、充分发挥变循环发动机性能优势以及控制规律的设计提供研究途径；最后本发明的方法不仅适用于变循环发动机，还可用于常规涡扇、自适应循环等航空发动机以及具有多个可调参数的核心机、压气机性能优化及分析。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种变循环发动机稳态性能分析及优化方法，其特征在于，包括
步骤1：校核发动机性能计算程序
在所述计算程序内输入已知发动机的输入参数，利用计算程序计算得出所述输入参数下发动机的输出参数，将所述输出参数与相同输入参数条件下的已知输出参数进行对比，校核所述计算程序的精度；
步骤2：单参数调节影响分析
在所述计算程序内输入待研究发动机的输入参数，改变所述输入参数中的单个可调部件参数，利用计算程序计算得出单个可调部件参数对发动机输出参数的影响规律；
步骤3：选取自变量、自变量范围及响应变量
综合所述步骤2得出的影响规律及发动机性能优化目标，选取与优化目标相关的多个可调部件参数为自变量并确定所述自变量的变化范围，选取与优化目标相关的多个所述输出参数为响应变量；
步骤4：选取试验设计方法及样本方案
根据试验设计方法在自变量的变化范围内确定多个所述自变量数值，并按照所述试验设计方法将所述自变量数值进行排列组合形成多个样本方案；其中，试验设计方法包括全因子试验设计方法、正交试验设计方法、中心复合设计方法、Box-Behnken设计方法；
步骤5：计算样本方案
将所述样本方案输入所述计算程序内并进行计算，得出每个样本方案的响应变量的数值；
步骤6：建立近似模型
将步骤5所有样本方案及其响应变量的数值按照预定方法进行拟合，拟合得到响应变量关于自变量的函数关系为响应变量的近似模型，并对近似模型进行方差分析和显著度分析；其中，所述预定方法指的是响应曲面法；
步骤7：建立优化方程组并求解
将步骤6的不同响应变量的近似模型组合形成优化方程组，并根据所述发动机性能优化目标对优化方程组进行求解，计算得出满足优化目标的所述自变量数值，并将计算得到的所述自变量数值代入计算程序验算；
步骤8：多参数耦合影响下发动机特性分析
根据所述近似模型绘制响应曲面图，分析不同自变量与响应变量之间的关系，总结得出自变量所对应的多个可调部件参数的耦合影响下，响应变量所对应的发动机总体性能参数的变化特性，优化及分析结果用于指导设计研究工作。
2.根据权利要求1所述的变循环发动机稳态性能分析及优化方法，其特征在于，步骤1所述已知输出参数包括试验得出的发动机的输出参数和标准程序下得出的发动机的输出参数，所述标准程序包括商用发动机性能程序和已经经过试验校准的发动机性能程序。
3.根据权利要求1所述的变循环发动机稳态性能分析及优化方法，其特征在于，步骤2所述可调部件参数包括核心机驱动风扇导向器叶片角度参数、低压涡轮导向器面积参数、前涵道引射器面积参数、后涵道引射器面积参数、喷管喉部面积参数、模式选择阀门位置参数。
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