博客分享｜使用一维设计工具优化涡轴发动机的循环参数、油耗和重量
新发动机的开发是一项耗资巨大的工作，因此在发动机设计的早期阶段做出正确的决策是至关重要的。这就要求对发动机热力循环与关键发动机部件的初步气动设计相结合，进行多学科的综合考量。这包括尺寸、重量和成本参数的评估，并受到气动、结构、几何、制造和材料要求等方面的约束。
一维设计工具，如Concepts NREC的敏捷工程设计系统®软件工具，有助于解决这一困难的挑战。
让我们以一项设计任务为例，该任务是为轴功率输出为956kW(类似于2轴MTR390™)的最高效涡轮轴发动机寻找燃气发生器的规格。该发动机的燃气发生器采用了一个2级径向压气机和一个单级轴流涡轮。发动机布局示意图如下图所示:
问题表述如下
为具有指定轴功率的发动机找到燃气发生器(2轴直升机发动机)的几何形状，并针对SFC和重量进行优化。所要求的结果是循环参数、阀芯1速度以及压缩机和涡轮机的1D几何形状，其中阀芯2速度是确定的。
根据常见的设计实践和材料选择设置约束条件。在这个过程中，将优化压缩机和涡轮的部件，考虑到所有流道部件(叶轮、扩散器、喷嘴等)、级压比分裂(在压气机级中，在HPT和LPT之间)和反作用力。轴1功率需要满足压气机和高压涡轮之间的轴功率平衡。
复制发动机循环平衡(流量，能量)与轴功率平衡；
使用Compal构建两级离心式压缩机及扩压器和消旋组件 (轴系1)模型；
使用axial(spool 1)为1级HP涡轮建模；
使用简单的燃烧室、涡轮间过渡管道模型(根据需要计算这些部件的燃油喷射、燃烧压力损失)。燃烧室模型计算循环所需的热量(即燃料)，用于评估SFC；
使用用户指定效率的低压动力涡轮(轴系2)的简单绝热模型；
使用重量和尺寸估计(用户相关性，取决于COMPAL和axial的结果；
使用常见设计实践中的约束条件（而不是针对特定发动机设计！——尽管这也是可能的），这些约束条件施加在AN2、Zweifel系数、圆盘轮缘最大速度(圆盘应力)、允许的气体温度(受材料选择和叶片冷却设置的影响)、允许的最小叶片高度、涡轮流道张角、叶尖速度、叶轮和扩压器部件进口的马赫数以及允许的流动扩压水平限制(以保证失速运行裕度)等方面。
在COMPAL的初步设计模式中设置两级压气机模型，以允许优化器控制压气机各级的压比、叶轮和扩压器系统的几何形状。
高压涡轮采用Axial的Redesign模式设计，允许改变流道轮廓、径向尺寸、各种叶片参数、涡轮反作用力和压比。
在类似级别涡轴发动机的典型水平或从已发表的研究论文中推导出的假设下，对管道和燃烧室的损失、轴的机械损失、冷却量进行了假设。
IOSO PM Optimizer®用于建立模型之间的交互，并驱动优化，执行用户模型和对COMPAL和AXIAL的调用，使用TurboOpt ll™促进优化运行期间的数据通信和设计工具调用。
建模流程图示意图如下所示：
优化问题包括29个输入变量、4个目标和42个约束条件。
目标是:最小化SFC，最小化重量，最小化轴系1轴功率不平衡，最小化低压涡轮功率到特定目标值。
在8台计算机上进行并行优化，从开始到完成的时间约为24小时，产生6000个解。
一旦优化停止，得到的结果表示为帕累托线SFC vs权重，这样用户就可以在权重和SFC之间选择一个优化的解决方案。
下表比较了从获得的Pareto front中选择的优化解决方案的结果，以接近MTR30的重量，与从各种公共来源积累的现有发动机的报告数据：
在表中以粗体显示的是不优化的结果，未以粗体显示的参数是优化的结果。考虑到问题的唯一实际规格是提供所需的轴功率，优化结果与现有发动机的数据相比结果是相当好的。
这一问题的结果不仅是循环和发动机整体数据，还包括压缩机和涡轮的一维设计，为3D几何设计做好准备。
类似的方法也可用于发动机涡轮增压器、制冷涡轮膨胀机和火箭涡轮泵系统。
Oleg Dubitsky｜供稿
Oleg Dubitsky，Concepts NREC技术专家，敏捷工程设计系统®软件初步设计模块Axial开发者
王鹏｜译
何道贵｜校
王娜欣｜编辑
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