文章編號 :100026893 (2008) 0320554208

多用途戰(zhàn)斗機 /渦扇發(fā)動機一體化
循環(huán)參數(shù)優(yōu)化

陳玉春 ,王曉鋒 ,屠秋野 ,張宏 ,蔡元虎 (西北工業(yè)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(zhàn)斗機的特點 ,發(fā)展了基于飛 /發(fā)一體化的渦扇發(fā)動機循環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計模型和相應的計算程序 ,優(yōu)化設(shè)計模型中包括雙變量控制渦扇發(fā)動機特性計算模型、進排氣系統(tǒng)安裝特性計算模型、飛機氣動特性分析模型、任務(wù)剖面分析模型、約束分析與任務(wù)分析模型和優(yōu)化計算模型等。重點研究了多用途戰(zhàn)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(yōu)化算法 ,分別對現(xiàn)役多用途戰(zhàn)斗機、不加力超聲速巡航多用途戰(zhàn)斗機以及下一代先進多用途戰(zhàn)斗機用渦扇發(fā)動機循環(huán)參數(shù)進行了優(yōu)化計算 ,對計算結(jié)果進行了分析 ,獲得了對多用途戰(zhàn)斗機用渦扇發(fā)動機循環(huán)參數(shù)選擇有指導意義的結(jié)論。關(guān)鍵詞 :多用途戰(zhàn)斗機 ;渦扇發(fā)動機 ;循環(huán)參數(shù) ;約束分析 ;任務(wù)分析 ;一體化優(yōu)化設(shè)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(fā)一體化優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在發(fā)動機設(shè)計中合控制仿真 ,文獻 [7]研究了飛行器多學科綜合設(shè)具有重要的意義。在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機用的渦扇發(fā)動機計新算法 ,這些研究獲得了有意義的結(jié)論。但是 ,設(shè)計中 ,有許多型號的設(shè)計成功使用了飛 /發(fā)一體渦扇發(fā)動機循環(huán)參數(shù)優(yōu)化問題會因為研究者面對化設(shè)計技術(shù) ,并取得了很好的效果。文獻 [1]發(fā)展的發(fā)動機的用途不同而大相徑庭 ,在諸多使用情了基于飛 /發(fā)一體化設(shè)計的航空發(fā)動機設(shè)計基本況不同的渦扇發(fā)動機中 ,多用途戰(zhàn)斗機用的先進理論 ,文獻 [223]在此理論基礎(chǔ)上進行了基于飛 /渦扇發(fā)動機的循環(huán)參數(shù)選擇是最具挑戰(zhàn)性的 [8] ,發(fā)一體化的發(fā)動機循環(huán)參數(shù)優(yōu)化和飛行性能評估因為多用途戰(zhàn)斗機在執(zhí)行不同任務(wù)時對推進系統(tǒng)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(fā)動機循環(huán)參數(shù)優(yōu)化問題的求解方法 ,本文在對現(xiàn)役多用途戰(zhàn)斗機 /渦扇發(fā)動機一文獻 [6]研究了飛行 /推進系統(tǒng)自適應神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜體化優(yōu)化設(shè)計進行了較為系統(tǒng)的研究后 ,建立
了基于一體化設(shè)計技術(shù)的多用途戰(zhàn)斗機用渦扇收稿日期 :2007206211 ;修訂日期 :2007212210發(fā)動機循環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計模型并開發(fā)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(xiàn)有的一體化設(shè)計模型進 通訊作者 :陳玉春 E2mail : chych888 @nwpu. edu. cn

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行了適當?shù)母倪M ,重點研究了多用途戰(zhàn)斗機 /渦扇發(fā)動機一體化優(yōu)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(xiàn)了優(yōu)化計算 ,針對不同要求的多用途戰(zhàn)斗機進行了計算 ,得到了有意義的結(jié)論 ,這些結(jié)論對現(xiàn)役渦扇發(fā)動機改進和未來型號的設(shè)計具有重要的參考意義。
1　飛 /發(fā)一體化模型簡介
11 1　推進系統(tǒng)特性計算模型

低
模型是在文獻 [9]的計算模型的基礎(chǔ)上加以改進而得到的 ,實現(xiàn)了雙變量控制的渦扇發(fā)動機特性計算。由于混合排氣渦扇發(fā)動機循環(huán)參數(shù)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(guān)系 ,模型中先在較寬的發(fā)動機工作范圍內(nèi)人工計算得到 BPR ,
Tt4 ,πC以及 πF在離散點上的關(guān)系 ,通過三元插值方法 ,能夠根據(jù)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(tài)后緊接著計算慢車狀態(tài)的情況 ,此時 ,特性計算常常會出現(xiàn)不收斂問題 ,為解決此問題 ,采用了發(fā)動機獨立變量初值的數(shù)值擬合的技術(shù) :先利用人工逐一工況進行全包線范圍內(nèi)的發(fā)動機全工況計算 ,獲得發(fā)動機獨立變量隨油門桿、飛行高度、飛行馬赫數(shù)的多元函數(shù) ,以此來預測獨立變量的初值 ,使得飛行包線內(nèi)任意條件下發(fā)動機特性計算收斂。
(2)進、排氣系統(tǒng)安裝特性計算模型進、排氣系統(tǒng)安裝阻力的計算模型均以文獻
[1]的方法為基礎(chǔ) ,為了提高計算精度 ,在影響任務(wù)分析最為嚴重的一些飛行狀態(tài)下 (巡航航段 ),結(jié)合已知的試驗數(shù)據(jù) ,采用 CFD分析的方法 ,獲得較為精確的進、排氣系統(tǒng)阻力系數(shù)。 CFD分析方法同時也為一些極限飛行狀態(tài) (最大平飛馬赫數(shù)、起飛狀態(tài)等 )提供了更為精確的進、排氣系統(tǒng)阻力系數(shù)的計算結(jié)果。
　
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