一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其是涉及一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法。

背景技术

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。在不影响机组散热效率的前提下优化设计发动机热控制系统换热设备热导，是减轻机组重量，改善其经济性和性能的重要技术手段之一。因此，对发动机在不同模态下进行热控制系统整体设计优化是极为重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，该系统基于中间循环热管理方案，即建立中间回路实现发动机内部燃油和润滑油之间的换热，在保证航空发动机系统热量排散的同时，实现系统的最小热导匹配。优化时需保证系统总能耗和系统各处换热量不变，通过计算系统中各个油泵与热导在协同作用下所匹配的运行频率，减小系统总换热设备热导，实现在相同边界条件下系统总热导最小。

为实现上述目的，本发明提供了一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，包括以下步骤：

S1、依据基尔霍夫定律构建描述热量传递与转换整体性规律的等效能量流模型作为系统的传热约束方程；

S2、分析系统中动力设备的压力变化特性，联立工质流经管网和阀门后压力变化与质量流量的函数关系，建立描述工质压力分布规律的动力平衡和阻力平衡的流动约束方程；

S3、将步骤S1和步骤S2得到的约束方程进行耦合，构建以系统最小热导为目标的非线性热力系统整体设计优化求解数学模型；

S4、预设非线性热力系统整体设计优化求解数学模型中的未知变量的初值；

S5、通过运算求解热力系统非线性整体优化求解数学模型中其余未知变量的数值；

S6、基于计算数值对步骤S4中所预设的非线性热力系统整体设计优化求解数学模型中的未知变量进行更新，重复执行步骤S4～S5直到换热器热阻计算式中的未知变量在更新过程中收敛。

优选的，步骤S1中，描述热量传递与转换整体性规律的控制方程组为：

T

其中：

其中，KA为换热器热导；m为工质的质量流量；c

优选的，建立以描述工质压力分布规律的流动动力平衡和阻力平衡方程组：

其中，ω为泵的频率；ρ为密度；g为重力加速度；泵和管网的特性参数a

优选的，构建非线性整体设计优化求解数学模型：

式中P

根据已建立的非线性整体设计优化求解数学模型，整体设计优化问题共包含29个约束方程，29个未知变量，即KA

优选的，所述步骤S4中，非线性热力系统整体设计优化求解数学模型中的未知变量包括：换热器冷、热流体各自的质量流量、油泵的运行频率和换热器热导。

因此，本发明采用上述一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，其技术效果如下：

(1)本发明的求解流程中采用拉格朗日乘子法进行多目标优化，保留了系统中各参量之间的耦合关系，系统传热约束构建时热阻的引入剥离了热量传递过程中变量间原本的非线性隐式耦合关系，降低了求解模型的复杂程度难度，提高了求解效率。

(2)该算法求解的所有约束方程均为系统固有约束，这与对系统非线性模型进行线性简化有本质上的区别，从而进一步保证了计算的精确性。

(3)本发明通过求解可得到在系统在工作范围内满足系统散热条件下的换热器最小热导，可以减轻系统重量提高机组性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种航空发动机热控制系统整体设计优化求解模型的分层分治求解方法流程示意图；

图2为一种航空发动机热控制系统实验原理图；

图3为一种航空发动机热控制系统的整体能量流模型；

图4为一种航空发动机热控制系统的整体流动模型；

图5为一种航空发动机热控制系统的设计优化数学模型求解流程图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

搭建航空发动机热控制系统实验平台，实验原理图如图2所示，其中步骤S1，基于热力系统流程结构建立热力系统的整体能量流模型如图3所示，依据基尔霍夫定律推导得到描述热量传递与转换整体性规律的控制方程组：

T

其中：

其中，各变量代表的含义如下：

KA为换热器热导，W/K；

m为工质的质量流量，kg/s；

c

Q为换热器的换热量，W；

R为换热器的热阻，K/W；

K为换热器的传热系数，W/K/m

A为换热器的换热面积，m

T为温度，℃；

下标h，c分别表示换热器的热侧和冷侧，下标in表示换热器入口；换热器入口温度均为已知量。

由于能量流模型中热阻的引入，热量传递过程中变量间原本复杂的隐式非线性关系被拆解为了热阻、换热量和流体进口温差间的线性关系以及热阻、工质流量与比热容和换热器换热面积与传热系数间的显式非线性关系。进一步，正因热量传递过程中的非线性因素均被转移至热阻的显式计算式中，结合电路原理推导获得的能量流模型的控制方程呈现出规律的线性形式。数学上，线性方程与显式非线性方程均易于求解，因此能量流模型辅助改善了系统控制方程的非线性性质，为后续设计更加稳定与快速的数学模型求解算法提供了新思路。

步骤S2，建立系统的整体流动模型如图4所示，分析工质流经各部件的压力变化特性，联立工质流经各部件后压力变化与质量流量的函数关系，建立描述工质压力分布规律的动力平衡和阻力平衡的流动约束方程组：

其中，各变量代表的含义如下：

ω为泵的频率，Hz；

ρ为密度，kg·m

g为重力加速度，m·s

P

泵和管网的特性参数a

步骤S3，构建热力系统以系统最小热导为目标的整体优化求解数学模型，由工质流动、热量传递以及热量转换的耦合影响关系进行约束，得到优化方程：

根据已建立的系统整体优化数学模型，该设计优化问题共包含29个约束方程，29个未知变量，即KA

步骤S4，预设换热器热阻计算式中的未知变量的初值。

步骤S5，通过运算求解所述非线性热力系统整体优化求解数学模型中其余未知变量的数值。

步骤S6，基于计算数值对S4中所预设的换热器热阻计算式中的未知变量进行更新，重复执行S4～S5直到所述换热器热阻计算式中的未知变量在更新过程中收敛。

表1中对比了一组系统优化前后的实验数据，从表中可以看出系统经过优化，燃滑油换热器1的热导降低了18.7％，燃滑油换热器2的热导降低了7.7％，1#换热器的热导降低了63.6％，2#换热器的热导降低了49.7％，系统总热导降低了32.3％。实验结果验证了优化方法的可靠性。

表1优化前后结果

因此，本发明采用上述一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，求解流程中采用拉格朗日乘子法进行多目标优化，保留了系统中各参量之间的耦合关系，系统传热约束构建时热阻的引入剥离了热量传递过程中变量间原本的非线性隐式耦合关系，降低了求解模型的复杂程度难度，提高了求解效率。该算法求解的所有约束方程均为系统固有约束，这与对系统非线性模型进行线性简化有本质上的区别，从而进一步保证了计算的精确性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。