文章編號 :100026893 (2008) 0320554208
多用途戰斗機 /渦扇發動機一體化
循環參數優化
陳玉春 ,王曉鋒 ,屠秋野 ,張宏 ,蔡元虎 (西北工業大學動力與能源學院 ,陜西西安 710072)
Integrated Design Optimization of Turbofan Engines Cycle for Multi
2role Fighters
Chen Yuchun , Wang Xiaofeng , Tu Qiuye , Zhang Hong , Cai Yuanhu (School of Power and Energy , Northwestern Polytechnical University , Xi
’
摘 要 :針對多用途戰斗機的特點 ,發展了基于飛 /發一體化的渦扇發動機循環參數優化設計模型和相應的計算程序 ,優化設計模型中包括雙變量控制渦扇發動機特性計算模型、進排氣系統安裝特性計算模型、飛機氣動特性分析模型、任務剖面分析模型、約束分析與任務分析模型和優化計算模型等。重點研究了多用途戰斗機約束邊界的獲得方法 ,利用多島遺傳算法和自適應模擬退火優化算法 ,分別對現役多用途戰斗機、不加力超聲速巡航多用途戰斗機以及下一代先進多用途戰斗機用渦扇發動機循環參數進行了優化計算 ,對計算結果進行了分析 ,獲得了對多用途戰斗機用渦扇發動機循環參數選擇有指導意義的結論。關鍵詞 :多用途戰斗機 ;渦扇發動機 ;循環參數 ;約束分析 ;任務分析 ;一體化優化設計中圖分類號 : V235. 113 文獻標識碼 :A Abstract : For studying the method of cycle parameters design optimization of turbofan engine , an integrated optimization design model of multi2role fighters and turbofan engines is presented , and the computer program based on the model is developed. The model includes a bivariate controlled turbofan engine performance com2 puting model , installed performance computing model , fighter dynamic analysis model , weight composing a2 nalysis model , mission profile analysis model , constraint and mission analysis model , and optimization compu2 ting model , etc. The study emphasis is to find the way of getting the constraint limitations of multi2role fight2 ers. The multi2island genetic algorithm and adaptive simulated annealing are used to implement the cycle pa2 rameters design optimization for multi2role fighters in service , supercruising multi2role fighters without after2 burning , and next generation advanced multi2role fighters. Some valuable conclusions for cycle parameters choice of turbofan engine are gained by analyzing the computation results.
Key words : multi2role fighter; turbofan engine; cycle parameter; constraint analysis; mission analysis; inte2 grated design optimization
飛 /發一體化優化設計技術在發動機設計中合控制仿真 ,文獻 [7]研究了飛行器多學科綜合設具有重要的意義。在現代戰斗機用的渦扇發動機計新算法 ,這些研究獲得了有意義的結論。但是 ,設計中 ,有許多型號的設計成功使用了飛 /發一體渦扇發動機循環參數優化問題會因為研究者面對化設計技術 ,并取得了很好的效果。文獻 [1]發展的發動機的用途不同而大相徑庭 ,在諸多使用情了基于飛 /發一體化設計的航空發動機設計基本況不同的渦扇發動機中 ,多用途戰斗機用的先進理論 ,文獻 [223]在此理論基礎上進行了基于飛 /渦扇發動機的循環參數選擇是最具挑戰性的 [8] ,發一體化的發動機循環參數優化和飛行性能評估因為多用途戰斗機在執行不同任務時對推進系統研究 ,文獻 [425]研究了高度非線性、多目標、多約特性的要求是相互矛盾的。束的渦扇發動機循環參數優化問題的求解方法 ,本文在對現役多用途戰斗機 /渦扇發動機一文獻 [6]研究了飛行 /推進系統自適應神經網絡綜體化優化設計進行了較為系統的研究后 ,建立
了基于一體化設計技術的多用途戰斗機用渦扇收稿日期 :2007206211 ;修訂日期 :2007212210發動機循環參數優化設計模型并開發了相應的基金項目 :國家 “863”計劃項目 (2006AA705403)計算程序。模型中對現有的一體化設計模型進 通訊作者 :陳玉春 E2mail : chych888 @nwpu. edu. cn
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行了適當的改進 ,重點研究了多用途戰斗機 /渦扇發動機一體化優化問題的約束邊界問題 ,采用多島遺傳算法和自適應模擬退火算法實現了優化計算 ,針對不同要求的多用途戰斗機進行了計算 ,得到了有意義的結論 ,這些結論對現役渦扇發動機改進和未來型號的設計具有重要的參考意義。
1 飛 /發一體化模型簡介
11 1 推進系統特性計算模型
低
模型是在文獻 [9]的計算模型的基礎上加以改進而得到的 ,實現了雙變量控制的渦扇發動機特性計算。由于混合排氣渦扇發動機循環參數中的涵道比 BPR ,渦輪前總溫 Tt4 ,高壓壓氣機壓比 πC以及風扇壓比 πF之間存在一定的關系 ,模型中先在較寬的發動機工作范圍內人工計算得到 BPR ,
Tt4 ,πC以及 πF在離散點上的關系 ,通過三元插值方法 ,能夠根據已知的任意 Tt4 ,πC以及 πF,獲得對應的 BPR。在一體化計算中 ,常常會碰到計算完最大狀態后緊接著計算慢車狀態的情況 ,此時 ,特性計算常常會出現不收斂問題 ,為解決此問題 ,采用了發動機獨立變量初值的數值擬合的技術 :先利用人工逐一工況進行全包線范圍內的發動機全工況計算 ,獲得發動機獨立變量隨油門桿、飛行高度、飛行馬赫數的多元函數 ,以此來預測獨立變量的初值 ,使得飛行包線內任意條件下發動機特性計算收斂。
(2)進、排氣系統安裝特性計算模型進、排氣系統安裝阻力的計算模型均以文獻
[1]的方法為基礎 ,為了提高計算精度 ,在影響任務分析最為嚴重的一些飛行狀態下 (巡航航段 ),結合已知的試驗數據 ,采用 CFD分析的方法 ,獲得較為精確的進、排氣系統阻力系數。 CFD分析方法同時也為一些極限飛行狀態 (最大平飛馬赫數、起飛狀態等 )提供了更為精確的進、排氣系統阻力系數的計算結果。
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