水下渦輪發動機設計工況優化設計

李文哲, 張方方

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水下渦輪發動機設計工況優化設計

李文哲, 張方方

(海軍大連艦艇學院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018)

為提高水下渦輪發動機設計工況經濟性能, 在完成渦輪發動機設計建模的基礎上, 以發動機設計工況內效率最大為目標函數, 利用遺傳算法對渦輪機工作背壓、動葉柵平均直徑、噴嘴進氣傾斜角及其擴張角等4個參數進行優化匹配研究, 并重點針對各個優化參數對內效率的影響開展仿真研究。仿真結果表明, 4個優化參數中, 該型渦輪發動機設計工況內效率對其工作背壓最敏感, 而對噴嘴擴張角最不敏感; 優化設計后渦輪機設計工況內效率提高6.24%, 相應工質秒耗量減小5.87%, 發動機經濟性能改善明顯。文中建立的數學模型及優化設計結果可為渦輪機變工況熱力計算提供初始模型及數據參考。

水下航行器; 渦輪發動機; 設計工況; 內效率; 優化設計; 遺傳算法

引言

渦輪發動機具有比功率大、比耗量小、輸出轉速高等優點, 已廣泛用于航空動力、艦船推進以及水下航行器等領域[1]。趙洪雷等[2]和Haglind等[3]將現代優化設計方法與渦輪準3D設計聯合對某3級航空發動機渦輪進行了多工況氣動優化設計; 盧少鵬等[4]采用分層優化設計體系對某5級渦輪進行了詳細的氣動優化設計, 達到了設計要求; 文獻[2]~[4]均采用現代優化設計方法對多級航空發動機渦輪進行了氣動優化設計, 其提出的分層優化設計體系明確了渦輪機優化設計的方法與流程。李磊等[5]利用加權平均方法權衡氣動、傳熱、強度和振動4個學科之間的矛盾, 實現了船用增壓器渦輪葉片的多學科優化設計, 其屬于分層優化設計體系的渦輪氣動優化。錢志博等[6]針對水下燃氣渦輪機多速制工作特點, 基于經驗公式給出了比耗量數學模型, 并以設計工況比耗量、經濟航速下的比耗量以及渦輪機比重量為目標函數對其主要結構參數進行了多目標優化設計。Zhang等[7]初步建立了水下汽輪機設計計算模型, 卻忽略了優化參數對目標函數的影響分析。

為此, 論文在建立較為完整的渦輪機設計計算模型基礎上, 以其設計工況內效率最大為目標函數對其4個主要參數進行優化設計, 并針對各優化參數對其設計工況內效率的影響開展仿真研究。

1 渦輪機設計計算模型

文中研究的渦輪機為部分進氣、沖動式、軸流式渦輪機, 其通流部分結構簡圖如圖1所示。

由圖可知, 水下渦輪機的設計計算包含噴嘴設計和工作葉柵設計計算。圖中各參數的物理意義將在數學模型建立過程中逐一討論。

1.1 噴嘴設計計算

由噴嘴喉部及其出口處的工質參數, 根據連續性方程可得噴嘴有效排氣截面積

1.2 工作葉柵設計計算

式中: 為汽輪機減速器的減速比; 和分別為推進器的轉速和角速度; 為動葉柵平均直徑。

1.3 渦輪機內效率計算

2 目標函數及約束條件

2.1 目標函數

2.2 約束條件

1) 渦輪機工作背壓

2) 假定內效率

3) 噴嘴擴張角和進氣角

4) 動葉柵平均直徑

渦輪機優化過程中必須考慮噴嘴與環形動葉柵的裝配問題, 即噴嘴出口橢圓長軸必須小于噴嘴裝配點對應于葉柵圓的弦長, 即

3 案例

3.1 渦輪機優化設計

以建立的目標函數為適應度函數, 基于Matlab R2011b遺傳算法工具箱進行全局尋優, 工具箱的輸入參數有: 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。針對該優化問題的高精度要求[12], 選用浮點數編碼個體長度為20的種群, 進行多次重復優化設計, 以假定內效率最大值對應的優化結果為例給出適應度值隨迭代計算代數的變化情況, 如圖3所示。

表1 渦輪機優化設計前后各物理參數計算結果

3.2 渦輪機結構參數確定

至此, 工作葉片的結構參數確定完畢, 渦輪機優化設計完畢。

4 優化參數對內效率的影響分析

利用文中建立的渦輪機設計計算模型及其內效率計算模型, 采用分離變量法分別分析4個優化參數對渦輪機內效率的影響規律。

綜合各優化參數對內效率的影響分析可知,渦輪機內效率對其工作背壓最為敏感, 而對噴嘴擴張角最不敏感; 且優化設計得到了較為滿意的各參數值。

5 結束語

論文在建立某型水下渦輪發動機設計計算模型的基礎上, 利用遺傳算法對該型發動機設計工況下的4個參數進行優化設計, 并針對各優化參數對渦輪機內效率的影響進行仿真分析, 可得如下結論:

1) 文中建立的渦輪機設計計算模型能夠較好反映該型動力裝置實際工作過程中的能量轉化規律, 可作為渦輪機優化設計研究的基礎模型;

2) 優化設計后該型渦輪發動機設計工況內效率提高6.24%, 相應工質秒耗量減小5.87%。對于該動力系統的水下應用的特殊環境, 其經濟性能改善明顯;

[1] 張方方, 張振山, 梁偉閣, 等. 水下蒸汽渦輪發動機變工況熱力特性數值分析研究[J]. 兵工學報, 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] 趙洪雷, 王松濤, 韓萬金, 等. 多級渦輪多工況氣動優化設計研究[J]. 航空動力學報, 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] 盧少鵬, 溫風波, 梁晨, 等. 多級渦輪氣動設計與優化的研究[J]. 推進技術, 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. 船用高壓比大流量增壓器渦輪多學科設計優化[J]. 兵工學報, 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] 錢志博, 曹偉. 水下航行器燃氣渦輪動力系統的多目標函數優化[J]. 機械科學與技術, 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] 韓勇軍, 楊赪石, 彭博. 渦輪機動力系統變工況過程內效率建模與仿真[J]. 魚雷技術, 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] 羅凱, 黨建軍, 王育才. 水下熱動力推進系統自動控制[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2005.

[10] 趙寅生. 魚雷渦輪機原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1995.

[11] 師海潮. 魚雷渦輪機參數優化[D]. 北京: 中國艦船研究院, 1998.

[12] 雷英杰, 張善文, 李繼武, 等. MATLAB遺傳算法工具箱及應用[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2009.

(責任編輯: 陳 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, 張方方. 水下渦輪發動機設計工況優化設計[J]. 水下無人系統學報, 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, 主要研究方向為反潛武器及作戰使用