基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法

1.本发明属于航空发动机建模技术领域，具体涉及一种基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法。


背景技术：

2.面对飞机日益提高的飞行高度、飞行马赫数和日益复杂的飞行任务，传统的航空发动机如涡扇发动机或涡喷发动机难以满足飞机的性能需求。变循环发动机通过调节几何部件切换单/双涵工作模式从而达到高单位推力和低巡航耗油率并存的优势，并且变几何调节可以在不明显降低推力的同时提高压气机等各部件的稳定裕度，从而提高发动机运行的安全性。除此之外，变循环发动机可以在不开加力的情况下实现超声速巡航，提高了战斗机超声速巡航的经济性。由此变循环发动机以其内在的性能优势和巨大的发展潜力受到各航空发达国家的关注与研究。
3.变循环发动机数学模型是开展发动机控制系统设计的基础。国外早在上世纪60年代就开展了变循环发动机的总体结构设计以及数值仿真研究，但其相关文献缺少关键几何部件建模的相关知识；国内尽管已建立了变循环发动机模型，并验证所建模型具备一定动态、稳态仿真能力，但存在几何部件变化特性不完善导致模型不收敛等问题。基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法，可以通过迁移成熟的变几何部件特性规律基于基准特性线快速建立待设计的正负开度导叶角部件特性，提高变循环发动机部件级模型的完整性、稳定性和准确性。


技术实现要素：

4.发明目的：为了完善变几何部件特性，提高变循环发动机变几何部件导叶角度变化时模型运行的稳定性，本发明提出一种基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法。基于神经网络和最小二乘并辅以工程经验迁移成熟的变几何部件特性规律基于基准特性线快速建立待设计的正负开度导叶角部件特性，提高变循环发动机部件级模型变几何部件导叶角度变化时的运行稳定性和模型的完善、可靠性。
5.为实现上述目的，一种基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法，包括以下步骤：
6.步骤1：建立变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型；
7.步骤2：生成负开度导叶角部件特性图；
8.步骤3：外扩并依据工程经验修正正开度导叶角部件特性图；
9.步骤4：基于正负开度导叶角部件特性图进行仿真验证。
10.进一步的，所述步骤1中的具体步骤如下：
11.步骤1-1：分析已成熟设计的变循环发动机变几何部件特性，获取变几何部件特性图中导叶角负开度变化的工作点偏移系数即流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
、效率偏移系数k
η
，如式(1)所示
[0012][0013]
式中，δα为导叶角度变化量，n
cor
为换算转速，pi(i＝1,2,3)为不同工作点，w为变几何部件工作点的流量，π为变几何部件工作点的压比，η为变几何部件工作点的效率，下标0代表基准特性线对应的导叶角度，下标α代表基准特性线对应导叶角度变化δα的导叶角度，下标d为已成熟设计的变循环发动机核心驱动风扇级部件特性图；
[0014]
步骤1-2：基于神经网络建立变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型，选择换算转速n
cor
、导叶角度变化量δα和变几何部件工作点pi(i＝1,2,3)对应的标签s作为神经网络的输入，流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
作为神经网络的输出；
[0015]
步骤1-3：用已成熟设计的变循环发动机变几何部件特性验证所建立的变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型的精度，反复调试神经网络参数直至偏移系数神经网络模型精度达到要求。
[0016]
进一步的，所述步骤2中的具体步骤如下：
[0017]
步骤2-1：基于步骤1所建立的变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型，根据待设计变几何部件的换算转速n
cor
、导叶角度变化量δα和工作点pi(i＝1,2,3)得到流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
；
[0018]
步骤2-2：基于步骤2-1所得的偏移系数和基准特性线上的工作点确定导叶角负开度变化时工作点偏移后的位置，如式(2)所示
[0019][0020]
式中，下标0代表基准特性线对应的导叶角度，下标α代表基准特性线对应导叶角度变化δα的导叶角度，w为变几何部件工作点的流量，π为变几何部件工作点的压比，η为变几何部件工作点的效率；
[0021]
步骤2-3：基于变几何部件负开度导叶角时的工作点采用多项式拟合部件特性线，从而生成负开度导叶角部件特性图。
[0022]
进一步的，所述步骤3中的具体步骤如下：
[0023]
步骤3-1：依据步骤2中生成的负开度导叶角部件特性图，基于最小二乘拟合出变几何部件导叶变化时不同换算转速工作点的流量、压比、效率偏移系数曲线，从而外扩获得正开度导叶角部件工作点的流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
；
[0024]
步骤3-2：基于步骤3-1所得的偏移系数和基准特性线上的工作点确定导叶角正开度变化时工作点偏移后的位置，如式(2)所示；
[0025]
步骤3-3：依据工程经验即效率不大于0.9，修正导叶角正开度变化时部件工作点不合理的效率值，如式(3)所示
[0026]
η
αc
＝c
η
·
η
α
ꢀꢀ
(3)
[0027]
式中，c
η
为效率修正系数，η
αc
为修正后的变几何部件工作点的效率；
[0028]
步骤3-4：基于变几何部件正开度导叶角时的工作点采用多项式拟合部件特性线，从而生成正开度导叶角部件特性图。
[0029]
进一步的，所述步骤4中的具体步骤如下：
[0030]
步骤4-1：将生成的正负开度导叶角部件特性图导入变循环发动机部件级模型，给定变循环发动机控制量和状态量，仅改变燃油量模拟变循环发动机加速过程进行仿真；
[0031]
步骤4-2：获取变循环发动机加速过程中变几何部件工作点在特性图上的位置变化曲线，分析导叶角度变化带来的喘振裕度变化趋势，验证所建变几何部件特性的可行性。
[0032]
有益效果：本发明提供的一种基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0033]
(1)本发明提出的基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法基于神经网络学习了已成熟设计的变几何部件工作点偏移规律，具有一定泛化能力；并基于偏移系数生成负开度导叶角部件特性图，较现有的变几何部件特性修正方法更完善并更符合变几何部件实际情况；
[0034]
(2)本发明提出的基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法基于最小二乘外扩和工程经验修正得到正开度导叶角部件特性图，进一步扩大了变几何部件工作范围，提高了变循环发动机模型运行的稳定性。
附图说明
[0035]
图1是bp神经网络拓扑结构图。
[0036]
图2是不同工作点偏移系数变化曲面图，(a)喘振边界点压比偏移系数，(b)峰值效率点压比偏移系数，(c)堵塞边界点压比偏移系数，(d)喘振边界点流量偏移系数，(e)峰值效率点流量偏移系数，(f)堵塞边界点流量偏移系数，(g)喘振边界点效率偏移系数，(h)峰值效率点效率偏移系数，(i)堵塞边界点效率偏移系数。
[0037]
图3是负开度导叶角压比流量特性图。
[0038]
图4是负开度导叶角效率流量特性图。
[0039]
图5是正负开度导叶角压比流量特性图。
[0040]
图6是正负开度导叶角效率流量特性图。
[0041]
图7是加速过程燃油量变化曲线图。
[0042]
图8是变几何部件导叶角度变化时工作点变化图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0044]
为了完善变几何部件特性，提高变循环发动机变几何部件导叶角度变化时模型运行的稳定性，本发明提出一种基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法。基于神经网络和最小二乘并辅以工程经验迁移成熟的变几何部件特性规律基于基准特性线快速建立待设计的正负开度导叶角部件特性，提高变循环发动机部件级模型变几何部件
导叶角度变化时的运行稳定性和模型的完善、可靠性。
[0045]
本发明的具体实施方式以某型变循环发动机带有可变导叶角的核心驱动风扇级的基于基准特性线的部件特性建模方法设计为例，该基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法设计包括以下步骤：
[0046]
步骤1：建立变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型；
[0047]
步骤2：生成负开度导叶角部件特性图；
[0048]
步骤3：外扩并依据工程经验修正正开度导叶角部件特性图；
[0049]
步骤4：基于正负开度导叶角部件特性图进行仿真验证。
[0050]
以某型变循环发动机带有可变导叶角的核心驱动风扇级的部件特性建模为例，进一步的，所述步骤1中的具体步骤如下：
[0051]
步骤1-1：分析已成熟设计的变循环发动机变几何部件特性，以核心驱动风扇级为例，选取其基准特性线上的变几何部件工作点：喘振边界点、峰值效率点和堵塞边界点作为参照对象，获取变几何部件特性图中导叶角负开度变化的工作点偏移系数即流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
、效率偏移系数k
η
，如式(1)所示
[0052][0053]
式中，δα为导叶角度变化量，n
cor
为换算转速，pi(i＝1,2,3)为不同工作点，w为变几何部件工作点的流量，π为变几何部件工作点的压比，η为变几何部件工作点的效率，下标0代表基准特性线对应的导叶角度，下标α代表基准特性线对应导叶角度变化δα的导叶角度，下标d为已成熟设计的变循环发动机核心驱动风扇级部件特性图；
[0054]
步骤1-2：基于神经网络建立变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型，选择换算转速n
cor
、导叶角度变化量δα和变几何部件工作点pi(i＝1,2,3)对应的标签s作为神经网络的输入，流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
作为神经网络的输出，本发明选用bp神经网络算法建立偏移系数模型，拓扑结构如图1所示，图中li(i＝1,2,3)代表网络层，x是神经网络的输入，y是神经网络的输出，映射关系如式(2)所示
[0055][0056]
式中，f(
·
)为已建立的偏移系数神经网络模型；
[0057]
步骤1-3：用已成熟设计的变循环发动机变几何部件特性验证所建立的变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型的精度，反复调试神经网络参数直至偏移系数神经网络模型精度达到要求，最终确定网络隐层数为1，隐层节点数为25，三个工作点的流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
与换算转速n
cor
、导叶角度变化量δα的关系如图2所示，由图可知，偏移系数与换算转速和导叶角度变化量基本呈单调关系。
[0058]
进一步的，所述步骤2中的具体步骤如下：
[0059]
步骤2-1：基于步骤1所建立的变循环发动机负开度导叶角的部件工作点偏移系数模型，根据待设计变几何部件的换算转速n
cor
、导叶角度变化量δα和工作点pi(i＝1,2,3)
得到对应的流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
；
[0060]
步骤2-2：基于步骤2-1所得的偏移系数和基准特性线上的工作点确定导叶角负开度变化时工作点偏移后的位置，如式(3)所示
[0061][0062]
式中，下标0代表基准特性线对应的导叶角度，下标α代表基准特性线对应导叶角度变化δα的导叶角度，w为变几何部件工作点的流量，π为变几何部件工作点的压比，η为变几何部件工作点的效率；
[0063]
步骤2-3：基于变几何部件负开度导叶角时的工作点采用多项式拟合部件特性线，以压比流量特性图为例，设拟合多项式为
[0064][0065]
式中，a0,a1,...,ak为多项式系数。求取多项式系数使其满足
[0066][0067]
式中，w为工作点流量，π为工作点压比，n为工作点个数。由于工作点个数小于多项式阶数，多项式系数不唯一，调试所得多项式系数，平滑部件特性线，从而生成负开度导叶角部件特性图，最终获得的压比流量特性图如图3所示，效率流量特性图如图4所示。
[0068]
进一步的，所述步骤3中的具体步骤如下：
[0069]
步骤3-1：依据步骤2中生成的负开度导叶角部件特性图，基于最小二乘拟合出变几何部件导叶变化时不同换算转速工作点的流量、压比、效率偏移系数曲线，从而外扩获得正开度导叶角部件工作点的流量偏移系数kw、压比偏移系数k
π
和效率偏移系数k
η
,以某换算转速特性线上的喘振边界点p1为例，由神经网络偏移系数模型可获得该工作点对应的不同负开度导叶角下的流量、压比和效率偏移系数，设拟合多项式为
[0070][0071]
式中，为流量偏移系数拟合多项式的系数，为压比偏移系数拟合多项式的系数，为效率偏移系数拟合多项式的系数，求取多项式系数使其满足
[0072][0073]
式中，m是不同开度导叶角的个数。基于所拟合的多项式可得正开度导叶角对应的
流量、压比、效率偏移系数；
[0074]
步骤3-2：基于步骤3-1所得的偏移系数和基准特性线上的工作点确定导叶角正开度变化时工作点偏移后的位置，如式(3)所示；
[0075]
步骤3-3：依据工程经验即效率不大于0.9，修正导叶角正开度变化时部件工作点不合理的效率值，如式(8)所示
[0076]
η
αc
＝c
η
·
η
α
ꢀꢀ
(8)
[0077]
式中，c
η
为效率修正系数，η
αc
为修正后的变几何部件工作点的效率；
[0078]
步骤3-4：基于变几何部件正开度导叶角时的工作点采用多项式拟合部件特性线，从而生成正开度导叶角部件特性图，正负开度导叶角的部件压比流量特性图如图5所示，效率流量特性图如图6所示。
[0079]
进一步的，所述步骤4中的具体步骤如下：
[0080]
步骤4-1：将生成的正负开度导叶角部件特性图导入变循环发动机部件级模型，以变循环发动机单涵模式为例，给定变循环发动机控制量和状态量，仅改变燃油量模拟变循环发动机加速过程进行仿真，燃油量变化曲线如图7所示，图中燃油数值已基于变循环发动机单涵设计点燃油量进行归一化；
[0081]
步骤4-2：获取导叶角度变化时变循环发动机加速过程中部件工作点在特性图上的位置变化曲线，如图8所示。由图可知，相同换算转速下，随着变几何部件导叶角负开度变化，变几何部件的喘振裕度变大，随着变几何部件导叶角正开度变化，变几何部件的喘振裕度变小，可见基于基准特性线的变循环发动机变几何部件特性建模方法可以体现变几何部件特性，在发动机运行过程中，通过调节变几何部件导叶角度可以在保证发动机性能的情况下有效调节该部件的喘振裕度。
[0082]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。