水下涡轮发动机设计工况优化设计

李文哲, 张方方



水下涡轮发动机设计工况优化设计

李文哲, 张方方

(海军大连舰艇学院 水武与防化系, 辽宁 大连, 116018)

为提高水下涡轮发动机设计工况经济性能, 在完成涡轮发动机设计建模的基础上, 以发动机设计工况内效率最大为目标函数, 利用遗传算法对涡轮机工作背压、动叶栅平均直径、喷嘴进气倾斜角及其扩张角等4个参数进行优化匹配研究, 并重点针对各个优化参数对内效率的影响开展仿真研究。仿真结果表明, 4个优化参数中, 该型涡轮发动机设计工况内效率对其工作背压最敏感, 而对喷嘴扩张角最不敏感; 优化设计后涡轮机设计工况内效率提高6.24%, 相应工质秒耗量减小5.87%, 发动机经济性能改善明显。文中建立的数学模型及优化设计结果可为涡轮机变工况热力计算提供初始模型及数据参考。

水下航行器; 涡轮发动机; 设计工况; 内效率; 优化设计; 遗传算法

引言

涡轮发动机具有比功率大、比耗量小、输出转速高等优点, 已广泛用于航空动力、舰船推进以及水下航行器等领域[1]。赵洪雷等[2]和Haglind等[3]将现代优化设计方法与涡轮准3D设计联合对某3级航空发动机涡轮进行了多工况气动优化设计; 卢少鹏等[4]采用分层优化设计体系对某5级涡轮进行了详细的气动优化设计, 达到了设计要求; 文献[2]~[4]均采用现代优化设计方法对多级航空发动机涡轮进行了气动优化设计, 其提出的分层优化设计体系明确了涡轮机优化设计的方法与流程。李磊等[5]利用加权平均方法权衡气动、传热、强度和振动4个学科之间的矛盾, 实现了船用增压器涡轮叶片的多学科优化设计, 其属于分层优化设计体系的涡轮气动优化。钱志博等[6]针对水下燃气涡轮机多速制工作特点, 基于经验公式给出了比耗量数学模型, 并以设计工况比耗量、经济航速下的比耗量以及涡轮机比重量为目标函数对其主要结构参数进行了多目标优化设计。Zhang等[7]初步建立了水下汽轮机设计计算模型, 却忽略了优化参数对目标函数的影响分析。

为此, 论文在建立较为完整的涡轮机设计计算模型基础上, 以其设计工况内效率最大为目标函数对其4个主要参数进行优化设计, 并针对各优化参数对其设计工况内效率的影响开展仿真研究。

1 涡轮机设计计算模型

文中研究的涡轮机为部分进气、冲动式、轴流式涡轮机, 其通流部分结构简图如图1所示。

由图可知, 水下涡轮机的设计计算包含喷嘴设计和工作叶栅设计计算。图中各参数的物理意义将在数学模型建立过程中逐一讨论。

1.1 喷嘴设计计算

由喷嘴喉部及其出口处的工质参数, 根据连续性方程可得喷嘴有效排气截面积

1.2 工作叶栅设计计算

式中: 为汽轮机减速器的减速比; 和分别为推进器的转速和角速度; 为动叶栅平均直径。

1.3 涡轮机内效率计算

2 目标函数及约束条件

2.1 目标函数

2.2 约束条件

1) 涡轮机工作背压

2) 假定内效率

3) 喷嘴扩张角和进气角

4) 动叶栅平均直径

涡轮机优化过程中必须考虑喷嘴与环形动叶栅的装配问题, 即喷嘴出口椭圆长轴必须小于喷嘴装配点对应于叶栅圆的弦长, 即

3 案例

3.1 涡轮机优化设计

以建立的目标函数为适应度函数, 基于Matlab R2011b遗传算法工具箱进行全局寻优, 工具箱的输入参数有: Number of variables =5; Bounds: Lower=[0.18; 0.55; 6; 12; 0.080], Upper= [0.30; 0.60; 10; 16; 0.10]; Initial range= [0.18 0.55 6 12 0.080; 0.30 0.60 10 16 0.10]; Crossover fraction=0.7; Stopping criteria: Generation=100, Function tolerance=1050。针对该优化问题的高精度要求[12], 选用浮点数编码个体长度为20的种群, 进行多次重复优化设计, 以假定内效率最大值对应的优化结果为例给出适应度值随迭代计算代数的变化情况, 如图3所示。

表1 涡轮机优化设计前后各物理参数计算结果

3.2 涡轮机结构参数确定

至此, 工作叶片的结构参数确定完毕, 涡轮机优化设计完毕。

4 优化参数对内效率的影响分析

利用文中建立的涡轮机设计计算模型及其内效率计算模型, 采用分离变量法分别分析4个优化参数对涡轮机内效率的影响规律。

综合各优化参数对内效率的影响分析可知,涡轮机内效率对其工作背压最为敏感, 而对喷嘴扩张角最不敏感; 且优化设计得到了较为满意的各参数值。

5 结束语

论文在建立某型水下涡轮发动机设计计算模型的基础上, 利用遗传算法对该型发动机设计工况下的4个参数进行优化设计, 并针对各优化参数对涡轮机内效率的影响进行仿真分析, 可得如下结论:

1) 文中建立的涡轮机设计计算模型能够较好反映该型动力装置实际工作过程中的能量转化规律, 可作为涡轮机优化设计研究的基础模型;

2) 优化设计后该型涡轮发动机设计工况内效率提高6.24%, 相应工质秒耗量减小5.87%。对于该动力系统的水下应用的特殊环境, 其经济性能改善明显;

[1] 张方方, 张振山, 梁伟阁, 等. 水下蒸汽涡轮发动机变工况热力特性数值分析研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(9): 1466-1472.

Zhang Fang-fang, Zhang Zhen-shan, Liang Wei-ge, et al. Numerical Analysis on Thermal Characteristics of Underwater Stream Turbine in Non-Design Condition[J]. ACTA Armamentar II, 2014, 35(9): 1466-1472.

[2] 赵洪雷, 王松涛, 韩万金, 等. 多级涡轮多工况气动优化设计研究[J]. 航空动力学报, 2008, 23(1): 106-111.

Zhao Hong-lei, Wang Song-tao, Han Wan-jin, et al. Study on Aerodynamic Optimization Design of Multistage Axial Turbine Under Multiple Working Conditions[J]. Journal of Aerospace Power, 2008, 23(1): 106-111.

[3] Haglind F, Singh R. Design of Aero Gas Turbines Using Hydrogen[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2005, 128(4): 754-764.

[4] 卢少鹏, 温风波, 梁晨, 等. 多级涡轮气动设计与优化的研究[J]. 推进技术, 2012, 33(6): 888-896.

Lu Shao-peng, Wen Feng-bo, Liang Chen, et al. Investigation on Multi-Stage Turbine Aerodynamic Design and Optimization[J]. Journal of Propulsion Technology, 2012, 33(6): 888-896.

[5] 李磊, 敖良波, 李元生, 等. 船用高压比大流量增压器涡轮多学科设计优化[J]. 兵工学报, 2010, 31(5): 574-579.

Li Lei, Ao Liang-bo, Li Yuan-sheng, et al. Multidisciplinary Design Optimization for Marine Supercharge Turbine[J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(5): 574-579.

[6] 钱志博, 曹伟. 水下航行器燃气涡轮动力系统的多目标函数优化[J]. 机械科学与技术, 2006, 25(1): 91-94.

Qian Zhi-bo, Cao Wei. Multiple Optimization Design for an Underwater Vehicle’s Gas Turbine Propulsion System[J]. Mechanical Science and Technology, 2006, 25(1): 91-94.

[7] Zhang Fang-fang, Zhang Zhen-shan, Zhu Rui. Optimization Design Study on a New Type Underwater Turbine Engine[J]. Advanced Materials Research, 2014, 850-851: 292-295．

[8] 韩勇军, 杨赪石, 彭博. 涡轮机动力系统变工况过程内效率建模与仿真[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(5): 58-62.

Han Yong-jun, Yang Cheng-shi, Peng bo. Modeling and Simulation of Inner Efficiency in Non-Design Condition for Torpedo Turbine[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(5): 58-62.

[9] 罗凯, 党建军, 王育才. 水下热动力推进系统自动控制[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2005.

[10] 赵寅生. 鱼雷涡轮机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1995.

[11] 师海潮. 鱼雷涡轮机参数优化[D]. 北京: 中国舰船研究院, 1998.

[12] 雷英杰, 张善文, 李继武, 等. MATLAB遗传算法工具箱及应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2009.

(责任编辑: 陈 曦)

Optimization Design of Underwater Turbine Engine in Design Condition

LI Wen-zhe, ZHANG Fang-fang

(Department of Underwater Weapon & Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

To improve economic performance of a new type underwater turbine engine in design condition, a design model of the turbine engine is established, and maximum inner efficiency in design condition is taken as the objective function. By using the genetic algorithm, optimization match of four parameters of the turbine engine, i.e., working back pressure of turbine engine, mean diameter of turbine’s moving cascade, air-in inclination angle and divergent angle of nozzle, is analyzed with focus on their effects on inner efficiency. Results show that the inner efficiency in design condition is most sensitive to the working back pressure, but is least sensitive to the divergent angle of nozzle. After optimization, the inner efficiency is improved by 6.24%, and the working substance consumption per second is decreased by 5.87%, thus the economic performance of the engine is improved obviously. The established model and its optimization design may provide initial model and data for thermodynamic simulation of turbine engine in off-design condition.

undersea vehicle; turbine engine; design condition; inner efficiency; optimization design; genetic algorithm

李文哲, 张方方. 水下涡轮发动机设计工况优化设计[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(3): 214-220.

TJ630.32; U664.13

A

2096-3920(2018)03-0214-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.005

2018-03-06;

2018-04-16.

李文哲(1974-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为反潜武器及作战使用