CN109753695B - 一种发动机部件特性拓展方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机部件特性拓展方法，向已有部件特性数据中添加参数化的零转速线特性数据，基于径向基函数近似建模技术建立部件特性近似模型，根据近似模型得到待拓展特性并计算特性拓展误差，再利用差分进化算法对零转速线参数进行优化，最终得到符合误差限制需求的特性结果。应用本发明技术方案的发动机部件特性拓展方法，能够获取发动机部件拓展特性，同时保证所获取的特性光顺、精确且不产生有违实际物理意义的特性点。解决了现有常用发动机部件特性拓展方法，需要人为额外设置参数，并且特性拓展结果曲线奇异、不精确，有违实际物理意义的问题。

Description

一种发动机部件特性拓展方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体而言，涉及一种发动机部件特性拓展方法。

背景技术

对于航空发动机而言，对部件特性进行拓展对研究航空发动机在风车、起动工况下的整机特性具有重要意义。无论是数值仿真或部件试验都只能获取有限转速范围的精确部件特性，因此在工程实践中往往通过现有的精确部件特性图，通过相似原理或特性变化规律对部件特性图进行拓展。然而对于现有的部件特性拓展技术，往往需要工程人员根据自身经验给定一些拓展系数，且往往对部件特性的拓展仅仅依靠转速较低的几条特性线，无法充分利用已有的全部特性数据，并且拓展得到的特性结果有可能会出现曲线奇异的现象，往往需要人为对特性进行修正、光顺。不仅如此，许多方法由于自身限制导致拓展的特性结果会受限于某些特性区域。这些缺陷会导致特性拓展方法不通用，拓展结果不精确，受人为因素影响大等问题。进而会导致对发动机在风车、起动工况下整机性能参数数值模拟精度差甚至基本工作特性错误。因此，发展新的部件特性拓展方法以获取精确、光顺、不受人为因素影响的部件特性具有至关重要的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明的主要目的在于提供一种发动机部件特性拓展方法，以至少解决现有技术中特性拓展结果奇异、范围受限、精度低的问题。

本发明的技术方案是：一种发动机部件特性拓展方法，包括以下步骤：

步骤一，发动机部件已有特性数据为压比、换算流程和效率，将已有特性数据中的效率转换为换算能量参数；得到新的特性数据参数，即零转速线参考点，表示为(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})；P_{r_p}为参考点压比，W_{c_p}为参考点换算流量，T_{c_p}为参考点换算能量参数；其中转换方式如下式所示：

T_c＝(π^k-1/k-1)/η

T_c为换算能量参数，k为绝热指数，η为效率；

步骤二，建立进化种群，种群大小为m；即进化种群中含有m个父代个体，且每个父代个体均包含(W_{c_p,}P_{r_p},T_{c_p})三个特性参数；初始化m个父代个体，初始化的参数取值需要保证W_{c_p}＞0,0＜P_{r_p}＜1,T_{c_p}＞0。

步骤三，对步骤二中的m个父代个体采取进化操作；根据当前的零转速线参考点进化种群中的m个父代个体，采用差分进化算法的变异、交叉算子，得到m个子代个体。

步骤四，初始化进化种群适应度计算进程。取i＝1，其中i代表当前计算适应度的个体序号，此时进化种群中包含父代个体及步骤三中产生的子代个体，因此种群大小为2*m；

步骤五，向已有特性数据中加入以进化种群中第i个个体的参考点数值参数化表达的零转速线特性数据，包括以下子步骤：

子步骤一，给定参数化表达的零转速线。根据进化种群中第i个个体的参考点(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})的三个参数，得到当前零转速线表达式。零转速线可参数化表达为：

其中，P_r为压比，W_c为换算流量，T_c为换算能量参数，K_p和K_T为待定系数。待定系数可用下列公式表达：

子步骤二，将参数化的零转速线特性数据加入已有特性数据中。根据已有特性数据中各个转速线上的特性点数，利用参数化的零转速线计算等量的特性数据点，并将这些特性数据点加入已有特性数据中。

步骤六，根据步骤五得到的特性数据建立近似模型，并计算近似模型总误差，包括以下子步骤：

子步骤一，初始化近似模型总误差计算过程。设置n为2，近似模型总误差为0。子步骤二，获得当前近似模型建立数据。在步骤五中获得的特性数据中，从低至高选取第n条转速线特性数据并将其去除；

子步骤三，初始化径向基函数近似模型。建立O·M个径向基函数，其中O为包括零转速特性线、待拓展转速特性线以及已有特性线的特性线总条数，M则为一条转速特性线上放置的径向基函数个数，O·M需要小于用于近似建模的特性数据点数。径向基函数的中心位置向量由转速和Beta值确定。其中转速即为该径向基函数被分配到的转速特性线的转速，而同一条转速特性线上的径向基函数中心位置向量中的Beta值则按照取值范围为0至1的等差数列赋值。

子步骤四，计算当前近似模型误差。根据子步骤二中得到的特性数据，以及子步骤三中初始化的径向基函数近似模型，建立径向基函数近似模型。并根据近似模型计算子步骤一中被去除的转速线特性数据，并与被去除的特性数据进行对比并计算均方根误差。

子步骤五，计算近似模型总误差。子步骤一中的n值加1，将子步骤四中得到的均方根误差累加至子步骤一中的近似模型总误差。若n值小于已有特性线数据总条数，则转至子子步骤二，否则转至步骤七。

步骤七，计算进化种群中第i个个体的适应度。设置步骤五中选取的第i个个体的适应度为步骤六中计算得到的近似模型总误差。

步骤八，判断是否所有个体适应度计算完毕。i值加一，若i值大于2*m，则转至步骤九，否则转至步骤五。

步骤九，对进化种群进行筛选。根据步骤七中计算得到的适应度，对进化种群中 m个父代个体和m个子代个体进行从小至大排序，选取前m个个体替换步骤二中的父代个体，并舍弃其余个体。

步骤十，判断优化是否结束。若优化进程达到结束条件，则转至步骤十，否则转至步骤三。优化结束条件一般可选取为总优化步数。

步骤十一，计算拓展结果，包括以下子步骤：

子步骤一，得到优化后的零转速线参考点参数。选定步骤九中排序第一的个体，并得到其参考点参数(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})；

子步骤二，得到近似建模所用的数据。向已有特性数据中加入以子步骤一中得到的参考点参数(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})参数化表达的零转速线特性数据。

子步骤三，建立径向基函数近似模型，根据子步骤二中得到的特性数据建立径向基函数近似模型。

子步骤四，得到待拓展结果。根据子步骤三中得到的径向基函数近似模型计算待拓展转速线的特性结果，此结果即是最终拓展结果。

发明效果

本发明的技术效果在于：应用本发明技术方案的发动机部件特性拓展方法，通过零转速特性线的引入，以向已有特性数据中加入隐含的低转速区域特性物理规律，并利用径向基函数近似建模技术挖掘这一规律以形成能够较好地拟合部件特性的近似模型。从而将基于数学拟合的特性拓展方法和基于物理规律的特性拓展方法有机结合。从而使利用本发明技术方案的发动机部件特性拓展方法可以综合部件物理规律和全部已有特性的数学规律，克服利用传统部件特性拓展方法时参数选取没有理论指导、拓展结果受人为因素影响大且不能正确反映部件在低转速下的物理性质的缺陷。特别地，对于压缩部件低转速特性拓展而言，应用本方法可以获取压缩部件在低转速下的“压气机模式”、“搅拌器模式”、“涡轮模式”下的部件特性，同时拓展特性结果光顺且无物理意义不明确的点。且近似模型的精度，即拓展特性的误差估计可降低至流量均方根误差在1.0*10^-3以下，压比和换算能量参数的均方根误差在1.5*10^-3以下。

附图说明

图1是根据本发明实施例可选的一种发动机特性拓展方法流程示意图；

图2是根据本发明实施例可选的一种发动机特性拓展方法中近似模型总误差计算方法；

图3是根据本发明实施例可选的一种发动机特性拓展方法中近似建模径向基函数中心参数选取方法；

其中，在上述附图中包括以下参数；

n：当前转速线序号；N：转速线总条数；m：每条转速线上径向基函数序号；M：每条转速线上径向基函数总数；O：包含零转速线、待拓展转速线以及已有转速线的条数；BetaRbf(n,m)：第n条转速线上第m个径向基函数的beta值即该径向基函数中心参数向量的第一个参数；ZXNRbf(n,m)：第n条转速线上第m个径向基函数的转速值即该径向基函数中心参数向量的第二个参数；ZXN(n)：当前转速线的转速值。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1—图3，一种发动机部件特性拓展方法，给定参数化表达的零转速线，将此零转速特性线数据加入已有部件特性数据中，并将部件特性数据中的效率转化为换算能量参数以使特性数据连续，再根据特性数据建立径向基函数近似模型，并计算得到近似模型总误差，再采用差分进化算法以近似模型总误差最小为目标对零转速线参数进行优化，最终通过向已有特性数据中加入优化后的零转速线特性数据，进行近似建模并计算得出待拓展区域的特性结果。

所述的零转速线参数化表达为：

其中，P_r为压比，W_c为换算流量，T_c为换算能量参数，K_p和K_T为待定系数。即压比与换算流量为二次关系，换算能量参数与换算流量为一次关系，二者均随换算流量的增大而减小。同时零转速线通过(换算流量，压比，换算能量参数)为(0,1,0)的点以及(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})的点。则待定系数可用下列公式表达：

其中，P_{r_p}为参考点压比，W_{c_p}为参考点换算流量，T_{c_p}为参考点换算能量参数。

则发明专利所采用的零转速特性线的可通过参考点的(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})三个参数表达。

在建立径向基函数近似模型时，初始化O·M个径向基函数。其中O为包括零转速特性线、待拓展转速特性线以及已有特性线的特性线总条数，M则为一条转速特性线上放置的径向基函数个数，O·M需要小于用于近似建模的特性数据点数。径向基函数的中心位置向量由转速和Beta值确定。其中转速即为该径向基函数被分配到的转速特性线的转速，而同一条转速特性线上的径向基函数中心位置向量中的Beta值则按照取值范围为0至1的等差数列赋值。

在计算近似模型总误差时，去掉次低转速特性线的特性数据，利用剩余数据建立近似模型。通过近似模型计算被去除的次低转速特性线上的拓展特性结果，并计算其与实际特性数据的误差。在全部特性数据中依次去掉除最高转速特性线与零转速特性线以外的其他转速特性线的特性数据并重复上述建模、计算误差的过程，将全部误差的绝对值求和即可得到近似模型总误差。根据本发明，提供了一种发动机部件特性拓展方法，包括：给定参数化表达的零转速线，将此零转速特性线数据加入已有部件特性数据中，并将部件特性数据中的效率转化为换算能量参数以使特性数据连续，再根据特性数据建立径向基函数近似模型，并计算得到近似模型总误差，再采用差分进化算法以近似模型总误差最小为目标对零转速线参数进行优化，最终通过向已有特性数据中加入优化后的零转速线特性数据，进行近似建模并计算得出待拓展区域的特性结果。

进一步地，将零转速线特性参数化表达为通过(换算流量，压比，换算能量参数)为(0,1,0)的点以及(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})的点的函数，其中压比与换算流量呈二次关系，换算能量参数与换算流量呈一次关系。

进一步地，在建立径向基函数近似模型时，初始化O·M个径向基函数。其中O为包括零转速特性线、待拓展转速特性线以及已有特性线的特性线总条数，M则为一条转速特性线上放置的径向基函数个数，O·M需要小于用于近似建模的特性数据点数。径向基函数的中心位置向量由转速和Beta值确定。其中转速即为该径向基函数被分配到的转速特性线的转速，而同一条转速特性线上的径向基函数中心位置向量中的Beta 值则按照取值范围为0至1的等差数列赋值。

进一步地，在计算近似模型总误差时，去掉次低转速特性线的特性数据，利用剩余数据建立近似模型。通过近似模型计算被去除的次低转速特性线上的拓展特性结果，并计算其与实际特性数据的误差。在全部特性数据中依次去掉除最高转速特性线与零转速特性线以外的其他转速特性线的特性数据并重复上述建模、计算误差的过程，将全部误差的绝对值求和即可得到近似模型总误差。

本发明实施例的发动机部件特性拓展方法基本流程如图1所示。

步骤一，将已有特性数据中的效率转换为换算能量参数。转换方式如下式所示：

T_c＝(π^k-1/k-1)/η

其中，T_c为换算能量参数，k为绝热指数，η为效率。

步骤二，针对零转速线参考点(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})建立进化种群。其中，P_{r_p}为参考点压比，W_{c_p}为参考点换算流量，T_{c_p}为参考点换算能量参数。初始化m个父代个体，每个父代个体均包含(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})三个参数。其中m代表种群大小，可由用户自定义，一般取值为[50,200]。初始化的参数取值可根据已有特性数据的量级进行选取，但需要保证W_{c_p}＞0,0＜P_{r_p}＜1,T_{c_p}＞0。这一值仅做迭代初值使用，具体选取数值不影响最终结果。

步骤三，对当前父代种群采取进化操作。根据当前的零转速线参考点进化种群中的m个父代个体，采用差分进化算法的变异、交叉算子，得到m个子代个体。

步骤四，初始化进化种群适应度计算进程。取i＝1，其中i代表当前计算适应度的个体序号，需要注意此时进化种群中包含父代个体及步骤三中产生的子代个体，因此种群大小为2*m。

步骤五，向已有特性数据中加入以进化种群中第i个个体的参考点数值参数化表达的零转速线特性数据。

子步骤一，给定参数化表达的零转速线。根据进化种群中第i个个体的参考点(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})的三个参数，得到当前零转速线表达式。零转速线可参数化表达为：

其中，P_r为压比，W_c为换算流量，T_c为换算能量参数，K_p和K_T为待定系数。待定系数可用下列公式表达：

子步骤二，将参数化的零转速线特性数据加入已有特性数据中。根据已有特性数据中各个转速线上的特性点数，利用参数化的零转速线计算等量的特性数据点，并将这些特性数据点加入已有特性数据中。

步骤六，根据步骤五得到的特性数据建立近似模型，并计算近似模型总误差，计算流程如图2所示。

子步骤一，初始化近似模型总误差计算过程。设置n为2，近似模型总误差为0。

子步骤二，获得当前近似模型建立数据。在步骤五中获得的特性数据中，从低至高选取第n条转速线特性数据并将其去除。

子步骤三，初始化径向基函数近似模型。如图3所示，建立O·M个径向基函数，其中O为包括零转速特性线、待拓展转速特性线以及已有特性线的特性线总条数，M 则为一条转速特性线上放置的径向基函数个数，O·M需要小于用于近似建模的特性数据点数。径向基函数的中心位置向量由转速和Beta值确定。其中转速即为该径向基函数被分配到的转速特性线的转速，而同一条转速特性线上的径向基函数中心位置向量中的Beta值则按照取值范围为0至1的等差数列赋值。

子步骤四，计算当前近似模型误差。根据子步骤二中得到的特性数据，以及子步骤三中初始化的径向基函数近似模型，建立径向基函数近似模型。并根据近似模型计算子步骤一中被去除的转速线特性数据，并与被去除的特性数据进行对比并计算均方根误差。

子步骤五，计算近似模型总误差。子步骤一中的n值加一，将子步骤四中得到的均方根误差累加至子步骤一中的近似模型总误差。若n值小于已有特性线数据总条数，则转至子子步骤二，否则转至步骤七。

步骤七，计算进化种群中第i个个体的适应度。设置步骤五中选取的第i个个体的适应度为步骤六中计算得到的近似模型总误差。

步骤八，判断是否所有个体适应度计算完毕。i值加一，若i值大于2*m，则转至步骤九，否则转至步骤五。

步骤九，对进化种群进行筛选。根据步骤七中计算得到的适应度，对进化种群中 m个父代个体和m个子代个体进行从小至大排序，选取前m个个体替换步骤二中的父代个体，并舍弃其余个体。

步骤十，判断优化是否结束。若优化进程达到结束条件，则转至步骤十，否则转至步骤三。优化结束条件一般可选取为总优化步数。

步骤十一，计算拓展结果。其中需要说明的是，前十个步骤的目的是通过迭代的方式得到能使近似模型误差最小的零转速线参数，即得到能使特性拓展结果误差估计最小的零转速线参数。本步骤为通过这一最优零转速线参数获得最终特性拓展结果。且步骤中的子步骤二，即获取参数化表达的零转速线特性数据并将其加入已有特性数据中，所采用的方法与步骤五相同；步骤中的子步骤三和子步骤四，即建立径向基函数近似模型并得到拓展结果，所采用的方法和以上步骤六中的子步骤三及子步骤四相同。

子步骤一，得到优化后的零转速线参考点参数。选定步骤九中排序第一的个体，并得到其参考点参数(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})。

子步骤二，得到近似建模所用的数据。向已有特性数据中加入以子步骤一中得到的参考点参数(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})参数化表达的零转速线特性数据。

子步骤三，建立径向基函数近似模型。根据子步骤二中得到的特性数据建立径向基函数近似模型。

子步骤四，得到待拓展结果。根据子步骤三中得到的径向基函数近似模型计算待拓展转速线的特性结果，此结果即是最终拓展结果。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种发动机部件特性拓展方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，发动机部件已有特性数据为压比、换算流量和效率，将已有特性数据中的效率转换为换算能量参数；得到新的特性数据参数，即零转速线参考点，表示为(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})；P_{r_p}为参考点压比，W_{c_p}为参考点换算流量，T_{c_p}为参考点换算能量参数；其中转换方式如下式所示：

T_c＝(π^k-1/k-1)/η

T_c为换算能量参数，k为绝热指数，η为效率；

步骤二，建立进化种群，种群大小为m；即进化种群中含有m个父代个体，且每个父代个体均包含(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})三个特性参数；初始化m个父代个体，初始化的参数取值需要保证W_{c_p}＞0,0＜P_{r_p}＜1,T_{c_p}＞0；

步骤三，对步骤二中的m个父代个体采取进化操作；根据当前的零转速线参考点进化种群中的m个父代个体，采用差分进化算法的变异、交叉算子，得到m个子代个体；

步骤四，初始化进化种群适应度计算进程；取i＝1，其中i代表当前计算适应度的个体序号，此时进化种群中包含父代个体及步骤三中产生的子代个体，因此种群大小为2*m；

步骤五，向已有特性数据中加入以进化种群中第i个个体的参考点数值参数化表达的零转速线特性数据，包括以下子步骤：

子步骤一，给定参数化表达的零转速线；根据进化种群中第i个个体的参考点(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})的三个参数，得到当前零转速线表达式；零转速线可参数化表达为：

其中，P_r为压比，W_c为换算流量，T_c为换算能量参数，K_p和K_T为待定系数；待定系数可用下列公式表达：

子步骤二，将参数化的零转速线特性数据加入已有特性数据中；根据已有特性数据中各个转速线上的特性点数，利用参数化的零转速线计算等量的特性数据点，并将这些特性数据点加入已有特性数据中；

步骤六，根据步骤五得到的特性数据建立近似模型，并计算近似模型总误差，包括以下子步骤：

子步骤一，初始化近似模型总误差计算过程；设置n为2，近似模型总误差为0；子步骤二，获得当前近似模型建立数据；在步骤五中获得的特性数据中，从低至高选取第n条转速线特性数据并将其去除；

子步骤三，初始化径向基函数近似模型；建立O·M个径向基函数，其中O为包括零转速特性线、待拓展转速特性线以及已有特性线的特性线总条数，M则为一条转速特性线上放置的径向基函数个数，O·M需要小于用于近似建模的特性数据点数；径向基函数的中心位置向量由转速和Beta值确定；其中转速即为该径向基函数被分配到的转速特性线的转速，而同一条转速特性线上的径向基函数中心位置向量中的Beta值则按照取值范围为0至1的等差数列赋值；

子步骤四，计算当前近似模型误差；根据子步骤二中得到的特性数据，以及子步骤三中初始化的径向基函数近似模型，建立径向基函数近似模型；并根据近似模型计算子步骤一中被去除的转速线特性数据，并与被去除的特性数据进行对比并计算均方根误差；

子步骤五，计算近似模型总误差；子步骤一中的n值加1，将子步骤四中得到的均方根误差累加至子步骤一中的近似模型总误差；若n值小于已有特性线数据总条数，则转至子步骤二，否则转至步骤七；

步骤七，计算进化种群中第i个个体的适应度；设置步骤五中选取的第i个个体的适应度为步骤六中计算得到的近似模型总误差；

步骤八，判断是否所有个体适应度计算完毕；i值加一，若i值大于2*m，则转至步骤九，否则转至步骤五；

步骤九，对进化种群进行筛选；根据步骤七中计算得到的适应度，对进化种群中m个父代个体和m个子代个体进行从小至大排序，选取前m个个体替换步骤二中的父代个体，并舍弃其余个体；

步骤十，判断优化是否结束；若优化进程达到结束条件，则转至步骤十，否则转至步骤三；优化结束条件一般可选取为总优化步数；

步骤十一，计算拓展结果，包括以下子步骤：

子步骤一，得到优化后的零转速线参考点参数；选定步骤九中排序第一的个体，并得到其参考点参数(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})；

子步骤二，得到近似建模所用的数据；向已有特性数据中加入以子步骤一中得到的参考点参数(W_{c_p},P_{r_p},T_{c_p})参数化表达的零转速线特性数据；

子步骤三，建立径向基函数近似模型，根据子步骤二中得到的特性数据建立径向基函数近似模型；

子步骤四，得到待拓展结果；根据子步骤三中得到的径向基函数近似模型计算待拓展转速线的特性结果，此结果即是最终拓展结果。

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