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基于遗传算法的变循环航空发动机部件级建模与优化

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数学的实践与认识 2014年第14期44卷 99-106页

作者：路振民丁国振陈其盛装备学院研究生管理大队北京101416

研究了变循环发动机双涵道(涡扇)模式和单涵道(涡喷)模式的工作机理,分别建立了相应模式下的部件模型和整机气动热力学模型,利用遗传算法解决高复杂性、多变量非线性方程问题的优点,对各个模型进行求解与优化,并获得了相应结果,验证了... 详细信息

研究了变循环发动机双涵道(涡扇)模式和单涵道(涡喷)模式的工作机理,分别建立了相应模式下的部件模型和整机气动热力学模型,利用遗传算法解决高复杂性、多变量非线性方程问题的优点,对各个模型进行求解与优化,并获得了相应结果,验证了模型的有效性.

关键词：遗传算法变循环发动机部件级建模双涵模式单涵模式

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涡轴发动机部件级建模及神经网络控制研究

涡轴发动机部件级建模及神经网络控制研究

作者：王振昊电子科技大学

学位级别：硕士

航空涡轴发动机控制技术是航空发动机研发领域的关键技术之一,也一直是学术界和产业界竞相研究的热点。开展涡轴发动机控制技术的研究需要对发动机建立数学模型,在模型的基础上采用各种控制方法实现对发动机的有效控制。当前,涡轴发动... 详细信息

航空涡轴发动机控制技术是航空发动机研发领域的关键技术之一,也一直是学术界和产业界竞相研究的热点。开展涡轴发动机控制技术的研究需要对发动机建立数学模型,在模型的基础上采用各种控制方法实现对发动机的有效控制。当前,涡轴发动机非线性建模和控制方法受到广泛关注;在非线性建模领域,部件法和实验法较为常用。控制方法领域,以神经网络为代表的智能控制逐渐成为非线性控制的热点。因此本文开展涡轴发动机部件级建模和神经网络控制研究。首先,在MATLAB/Simulink平台下,针对某型号涡轴发动机运用部件法构建其部件级非线性数学模型。该方法将发动机分为6个彼此独立的子部件,各部件依照发动机工作时满足的气动热力规律对部件特性进行数学抽象。为使各部件在飞行包线内协调一致工作,本文在部件级模型的基础上建立了发动机稳态、动态共同工作方程组,并利用N-R法迭代求解从而对发动机的正常工作状态进行模拟。该部件级模型为下文开展涡轴发动机神经网络控制方法研究奠定了坚实基础。其次,将BP神经网络引入到涡轴发动机动力涡轮PID控制器中,形成BP神经网络单回路PID控制方法。利用BP网络的自学习和一致逼近能力,实现对PID参数K 、K 、K的自整定。仿真实验表明该控制方法满足了发动机在稳态和过渡态正常工作的基本要求,验证了控制方法的有效性;该方法具有良好的恒动力涡轮转速控制精度,但各变量控制曲线存在小幅抖动,部分变量出现轻微超调。最后,提出并设计了基于RBF神经网络的涡轴发动机串级PID控制方法。在动力涡轮PID控制的基础上针对燃气涡轮加入PI控制结构,增强了控制系统的抗扰动能力;为避免BP网络易陷入局部极值和收敛速度慢的缺点,选择易获得全局最优解且学习速度快的RBF神经网络,并分别引入PID和PI控制器中,进一步提高控制器参数的自整定效果。仿真实验表明,该控制方法同样实现了对发动机稳态和过渡态的有效控制;各控制曲线变化更为平顺,显著消除了小幅抖动并抑制了超调现象的产生,但对动力涡轮恒定转速的控制精度有所减弱。BP神经网络单回路PID控制方法和RBF神经网络串级PID控制方法均满足发动机稳态和过渡态控制要求,在动力涡轮转速控制精度和控制曲线平稳程度方面分别有各自的优势,是两种行之有效且具备互补性的涡轴发动机控制方法。

关键词：涡轴发动机部件级建模 BP神经网络 RBF神经网络 PID控制

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变循环发动机部件级建模技术研究

变循环发动机部件级建模技术研究

作者：王韶昌南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着飞机性能的要求越来越高,传统的航空发动机已经难以满足军用飞机的需求。近年来,对于第六代战斗机来说,需要起降距离更短、飞行包线和作战半径更大、超音速巡航能力更强。对此,变循环发动机相比传统发动机具有巨大优势。本文首先对... 详细信息

随着飞机性能的要求越来越高,传统的航空发动机已经难以满足军用飞机的需求。近年来,对于第六代战斗机来说,需要起降距离更短、飞行包线和作战半径更大、超音速巡航能力更强。对此,变循环发动机相比传统发动机具有巨大优势。本文首先对针对变循环发动机发展历史、现状及其发展趋势做了阐述。其次,基于Matlab/Simulink平台根据气动力学方程建立发动机各个部件的模型,再根据各部件的匹配关系,通过容积动力法建立完整的涡扇发动机模型,该模型能够执行稳态和动态仿真。再次,在上章建立涡扇发动机模型基础上增加了模式选择活门、第二外涵道,并且将风扇按叶根叶尖分别建模,同时考虑了导叶角对风扇和压气机部件特性的影响,获得了双外涵变循环发动机模型,该模型能够执行两种工作模式稳态和动态仿真。接下来,以所建立的变循环发动机模型为对象,通过稳态仿真分析了几何可调部件如模式选择活门角度、风扇导叶角、压气机导叶角、尾喷管喉道面积等变化对发动机性能的影响。同时针对该变循环发动机模型的两种工作方式进行了模式切换仿真。基于前文所建立变循环发动机模型,应用NARX非线性模型结构,针对模型运行数据进行了非线性模型辨识。应用相关评价准则,选择最优模型,同时针对辨识结果进行了对比分析,分析结果表明,NARX模型辨识是一种可行的非线性建模方法。

关键词：变循环发动机模式选择活门容积动力学 NARX非线性模型辨识几何可调部件部件级建模

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基于部件级建模的航空发动机性能衰退仿真

基于部件级建模的航空发动机性能衰退仿真

作者：郑岩中国民航大学

学位级别：硕士

发动机预测与健康管理（Prognostics and health management,PHM）作为一门新兴的工程学科,主要旨在检测,诊断和预测机械故障。但由于缺少实际系统故障相关数据集,学科的发展受到了阻碍。受C-MAPSS数据集的启发,本文提出对航空发动机进... 详细信息

发动机预测与健康管理（Prognostics and health management,PHM）作为一门新兴的工程学科,主要旨在检测,诊断和预测机械故障。但由于缺少实际系统故障相关数据集,学科的发展受到了阻碍。受C-MAPSS数据集的启发,本文提出对航空发动机进行数值建模,进而模拟性能衰退过程,为PHM分析提供数据材料,从而帮助航空公司发动机机队的管理科学化,明确化,提高运行管理效率,降低航空公司运营成本。依据航空发动机原理,使用MATLAB/Simulink对航空发动机进行部件级建模,其中引入变比热计算方法和特性图概念提高模型精度,再将模块连接起来,使用牛顿-拉夫逊法求得发动机共同工作条件,完成发动机整体建模。之后使用JT9D发动机数据对模型进行了验证在统计分析的基础上,使用新方法对特性图进行缩放,以获得更加准确的特性图数据,并在真实特性图的基础上对原始方法和新方法进行了比较,结果表明新方法在100%转速附近与实际情况更加接近。通过分析C-MAPSS数据集,提出了适用于该数据集的性能衰退加速模型,并与特性图缩放方法相结合,对发动机高压压气机的性能衰退进行了仿真,仿真结果与C-MAPSS数据集相符。之后使用性能衰退仿真模型分析了不同故障原因对发动机整体性能的影响,结论为高压压气机的效率衰退和流量衰退对排气温度（Exhaust Gas Temperature,EGT）影响程度类似,高压压气机的流量衰退对高压压气机的喘振裕度影响较大。

关键词：航空发动机 C-MAPSS 部件级建模虚拟仿真性能衰退

基于Matlab/Simulink的航空发动机部件级建模与分析

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航空发动机 2012年第4期38卷 31-33,52页

作者：夏超王继强商国军周淼南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

借助Matlab搭建完整的双轴涡轮风扇发动机模型,对各部件进行封装,利用Si muli nk显示模块观察仿真结果。在动态仿真时,引入容积动力效应,避免反复迭代过程,提高模型实时性。与GSP仿真软件结果进行对比,结果表明:所建立的模型具有较高精... 详细信息

借助Matlab搭建完整的双轴涡轮风扇发动机模型,对各部件进行封装,利用Si muli nk显示模块观察仿真结果。在动态仿真时,引入容积动力效应,避免反复迭代过程,提高模型实时性。与GSP仿真软件结果进行对比,结果表明:所建立的模型具有较高精度,可以准确捕捉航空发动机的动态响应和稳态响应。

关键词：部件级建模无迭代动态模型涡轮风扇发动机仿真容积动力效应

涡轮级间混合架构的变循环发动机总体性能研究

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推进技术 2023年第11期44卷 27-37页

作者：刘备聂聆聪廖增步牟春晖宋志平西安交通大学机械工程学院陕西西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710054 北京动力机械研究所北京100074

为满足军用空优战斗机的超声速巡航和亚声速巡航需求,提出了一种涡轮级间混合的变循环发动机架构,该架构包含两种工作模式和八种变循环特征。首先阐述了本架构设计理念与任务目标;然后建立了部件级实时动态变循环发动机模型;最后,在经... 详细信息

为满足军用空优战斗机的超声速巡航和亚声速巡航需求,提出了一种涡轮级间混合的变循环发动机架构,该架构包含两种工作模式和八种变循环特征。首先阐述了本架构设计理念与任务目标;然后建立了部件级实时动态变循环发动机模型;最后,在经过特有的粒子群寻优算法对变循环发动机亚声速巡航油耗寻优,对比第四代涡扇发动机油耗产生了12.75%亚声速巡航收益。此外,即使在超声速巡航点本架构也实现了一定的油耗收益和推力提升。在超声速巡航和亚声速巡航之间,可实现0.29~0.82的涵道比大范围变化。结果表明,该架构有望成为一种适用于下一代空优战斗机的变循环发动机架构。

关键词：变循环发动机涡轮级间混合部件级建模粒子群寻优总体性能

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基于试验数据的发动机部件串行协同仿真方法

航空动力学报 2023年第7期38卷 1648-1657页

作者：朱星宇张韦雅吴锋李绍斌逯雨江李志平北京航空航天大学航空发动机研究院北京102206 中国航发四川燃气涡轮研究院整机试验室四川绵阳621000 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京102206

为探究整机与部件仿真数据和测试数据的匹配性,基于MATLAB/SIMULINK、Python和通用商业CFD软件,开发了数据驱动的部件串行协同仿真技术,主要由航空发动机整机的集成仿真平台和部件串行协同仿真平台组成。其中,集成仿真平台采用模块化的... 详细信息

为探究整机与部件仿真数据和测试数据的匹配性,基于MATLAB/SIMULINK、Python和通用商业CFD软件,开发了数据驱动的部件串行协同仿真技术,主要由航空发动机整机的集成仿真平台和部件串行协同仿真平台组成。其中,集成仿真平台采用模块化的方法对发动机部件建模,结合共同工作方程及边界约束条件,实现了发动机整机和部件特性的迭代模拟;发动机部件串行协同仿真平台采用自编程序结合底层求解程序,提出了重叠区域的交界面数据传递与处理方法,实现了部件间的串行仿真和边界迭代求解,完成了零维、三维仿真的耦合求解过程。以某小型涡喷发动机为研究对象,基于已有试验数据进行案例验证,计算结果最大误差不超过5%,表明集成仿真平台与串行协同仿真平台的准确性及工程应用价值。

关键词：试验数据涡喷发动机部件级建模集成仿真平台串行协同仿真

基于部件特性图优化的民航发动机性能退化建模

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：郭庆黄启廉陈金亮中国民航大学航空工程学院山东航空股份有限公司烟台分公司

为了从单元体层级给出民航发动机气路性能退化的理论依据，以CFM56-3发动机为研究对象，首先，在使用特性图缩放法获取部件特性方程的基础之上，优化了风扇通用特性图缩放基准点的选取过程，提出了特性图的曲面拟合方法，构建出稳态工... 详细信息

为了从单元体层级给出民航发动机气路性能退化的理论依据，以CFM56-3发动机为研究对象，首先，在使用特性图缩放法获取部件特性方程的基础之上，优化了风扇通用特性图缩放基准点的选取过程，提出了特性图的曲面拟合方法，构建出稳态工况下符合特定转速条件的发动机部件级基准性能模型。然后通过引入故障因子生成故障系数矩阵，计算发动机监控参数随部件效率下降的偏离量，并与GE公司培训手册的指印图资料作对比，验证了融合风扇特性图缩放基准点优化及特性图曲面拟合方法的发动机稳态性能模型在气路性能退化分析中具有较好的精度和使用前景。

关键词：民航发动机气路分析部件级建模缩放基准点优化曲面拟合

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基于试车数据的涡扇发动机建模优化研究

基于试车数据的涡扇发动机建模优化研究

作者：王宏洋中国民航大学

学位级别：硕士

发动机建模对航空领域的研究起到了重要的作用,因此本文致力于提高发动机的模型精度并探讨相关方法。以发动机的试车数据为研究对象,在对试车数据及通过其在Gas Turb生成的特性图等相结合分析的基础上建立数学模型,由于特性图在提高模... 详细信息

发动机建模对航空领域的研究起到了重要的作用,因此本文致力于提高发动机的模型精度并探讨相关方法。以发动机的试车数据为研究对象,在对试车数据及通过其在Gas Turb生成的特性图等相结合分析的基础上建立数学模型,由于特性图在提高模型精度方面起到了尤为关键的作用,因此利用特性图对模型修正优化。通过对影响发动机性能及经济性等方面进行讨论,明确了需要重点研究的参数以及影响模型精度的参数如何修正,为此提出了一系列模型分析及优化方法。首先从航空发动机的热力、气动性能分析以及发动机原理、控制、结构等相关知识入手。研究航空发动机,势必要从其经济性、性能优化及模型优化及修正等方面研究分析,因此提出提高经济性的方法;以及优化发动机的模型需要修正的一些参数,如推力及大气条件等。还对发动机建模的分析方法及非设计点建模等内容进行了论述。其次对试车数据进行简要概括,并分析了试车数据中某些性能参数对模型的影响,如推力、温度、压力以及转速等;随之对设计点与非设计点进行了差异分析,明确参数对模型的影响效果;并以转子转速为例,探究了试车数据与特性图基线的关系,以试车数据为基础推导了转子转速线的线型走向公式,并得出了相关结论。最后利用GasTurb基于试车数据对V2500发动机进行部件级建模,首先选取了部件建模对象—高压压气机,对其进行数学模型构建、设计点计算、各参数的相互影响关系及敏感性分析,确定基础模型建立效果;通过对特性图中压比、推力、效率及流量等参数进行相关性讨论,在模型参数与试车数据误差较小、模型较为精确的基础上,利用特性图对模型进行修正优化;结果表明:在相同工况下利用特性图进行修正后,14个参数均有不同程度的优化效果,不同EPR时各参数平均误差分别由1.665%、2.385%、3.311%降至1.230%、2.385%、2.735%,有效提升所建立模型的精确度。最后分析了特性图的放缩原理,明确非设计点建模方法,并进行了优化验证,并对相关问题进行了探究。本文将航空发动机原理、部件级建模仿真等研究进行有效结合,对特性图与发动机建模优化进行相关性探索及研究,所提出特性图优化方法与其他方法对比可得:特性图修正法对设计点附近的工作点修正效果明显,偏离设计点较多的则不太适用,具有重要的理论意义和实用价值。

关键词：航空发动机部件级建模部件特性图状态监控优化