一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，具体步骤包括：

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法


[0001]本专利技术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
。

技术介绍

[0002]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
。

技术实现思路

[0003]本专利技术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
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术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：
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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
。
[0011]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：
[0012]T
h1_in
‑
T
c1_in
＝
Q1R1(1)
[0013][0014][0015]其中：
[0016][0017]其中，
KA
为换热器热导；
m
为工质的质量流量；
c
p
为工质的定压比热容；
Q
为换热器的换热量；
R
为换热器的热阻；
K
为换热器的传热系数；
A
为换热器的换热面积；
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
。
[0018]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：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]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
i
、d
i
、H
si
均为已知变量
。
[0027]优选的，构建非线性整体设计优化求解数学模型：
[0028][0029]式中
P
t
为系统总能耗；
P1，
P2，
P3，
P4，
P5分别对应系统中变频泵
P1
‑
P5
对应需要的能耗；
α
、
β
、
γ
为拉格朗日乘子法中的乘子；
[0030]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
KA1、KA2、KA3、KA4、
ω1、
ω
10
、
ω2、
ω3、
ω4、m1、m
11
、m
12
、m2、m3、m4、m
10
、m
30
、m
40
、
α
、
β1、
β2、
β3、
β4、
β5、
β6、
β7、
γ1、
γ2、
γ3。
[0031]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
。
[0032]因此，本专利技术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：
[0033](1)
本专利技术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
。
[0034](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
。
[0035](3)
本专利技术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
。
[0036]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述
。
附图说明
[0037]图1为本专利技术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；
[0038]图2为一种航空发动机热控制系统实验原理图；
[0039]图3为一种航空发动机热控制系统的整体能量流模型；
[0040]图4为一种航空发动机热控制系统的整体流动模型；
[0041]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
[0042]以下通过附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明
。
[0043]除非另外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，其特征在于，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
。2.
根据权利要求1所述的一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，其特征在于，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
h1_in
‑
T
c1_in
＝
Q1R1(1)(1)
其中：其中，
KA
为换热器热导；
m
为工质的质量流量；
c
p
为工质的定压比热容；
Q
为换热器的换热量；
R
为换热器的热阻；
K
为换热器的传热系数；
A
为换热器的换热面积；
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
。3.
根据权利要求1所述的一种航空发动机热控制系统整体设计优化方法，其特征在于，建立以描述工质压力分布规律...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵卫，刘君玲，陈群，贺克伦，李默雯，
申请(专利权)人：清华大学北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：