一种自适应变循环发动机的部件性能裕度设计方法

本发明涉及自适应循环发动机性能，具体涉及一种自适应变循环发动机的部件性能裕度设计方法。

背景技术：

1、自适应循环发动机应对多工作模式可以进行宽广范围的循环调节，具有复杂任务适应性的优势，大幅提高了发动机部件的数量及结构的复杂性。在设计自适应循环发动机的部件过程中由于部件的技术特征和更高的性能需求引入了更大的非确定性，体现为：预设部件达到的性能与实际部件达到的性能之间产生的偏差，称为“部件性能设计偏差”。

2、例如，自适应循环发动机的叶轮机部件自身的设计难度高于传统涡扇发动机的部件，如：核心机驱动风扇、叶尖风扇；以自适应变循环发动机的高压压气机为例，部件的性能需求更加苛刻，不仅要求其具备高压压气机自身的高通流能力、高气动负荷、高绝热效率等技术特征，还要符合其他工况下仍应具有较高的绝热效率、足够的喘振裕度以及适应核心机流通能力宽幅度变化等技术特征。这些新颖的技术特征和更高的性能需求会给设计过程引入更大的非确定性。

3、目前，发动机性能非确定性研究方面，大多考虑的是由于制造、装配等过程带来的部件性能分散性影响。然而，除了制造装配过程带来的非确定性以外，部件性能设计偏差也是非确定性的重要来源之一。部件性能设计偏差是由于预设部件性能和发动机性能需求之间的偏差造成的。

4、自适应循环发动机构型新颖、工况范围宽广、具有多种工作模式，其部件性能设计偏差影响会比传统构型发动机更复杂，凭借经验预留裕度时，一方面会对部分部件设置过于严苛的裕度要求，增加部件设计难度，部件设计无法满足；另一方面也会对部分部件设置过于宽松的裕度要求，导致总体性能裕度留取不足、无法达标。最终，需要“发动机性能-发动机部件性能”之间的多轮迭代，造成设计过程的高风险和低效率。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种自适应变循环发动机的部件性能裕度设计方法，结合了部件性能的敏感性、求解部件性能的裕度区间量化发动机部件性能偏差的影响；给部件性能偏差设置区间约束，为发动机部件设计提供更加详细的需求牵引：当发动机各部件设计无法达到设计值要求时，只要各部件的设计结果位于裕度区间内，即可保障组合后的发动机性能达标，提高发动机设计流程的效率。

2、本发明提供了一种自适应变循环发动机的部件性能裕度设计方法，包括：

3、步骤1.根据发动机性能的设计值与需求值，设计发动机性能的初始裕度，将所述发动机性能的初始裕度作为发动机性能裕度设计的输入条件；

4、优选的，步骤1所述发动机性能的初始裕度包括两类：望大类发动机性能的裕度和望小类发动机性能的裕度；

5、所述望大类发动机性能即发动机性能(如推力)越大越好，所述望小类发动机性能即发动机性能(如耗油率)越小越好；

6、所述望大类发动机性能的裕度表达式为：

7、mpb＝(pdes，b-preq，b)/preq，b

8、其中，mpb为第b个望大类发动机性能的裕度，b＝1,2,3…b，b表示望大类发动机性能的总数，pdes,b为第b个望大类发动机性能设计值，ptar,b为第b个望大类发动机性能需求值。

9、所述望小类发动机性能的裕度表达式为：

10、mpk′＝(preq，k′-pdes，k′)/preq，k′

11、其中，mpk′为第k个望小类发动机性能的裕度，k＝1,2,3…k，k表示望小类发动机性能的的总数，pdes,k′为第k个望小类发动机性能设计值，ptar,k′为第k个望小类发动机性能需求值。

12、可选地，望大类发动机性能包括单位推力，推重比，部件喘振裕度，发动机总效率；望小类发动机性能包括燃油消耗量，排气温度，涡轮前温度。

13、步骤2.设计发动机安全稳定工作条件；基于所述发动机安全稳定工作条件建立发动机性能裕度设计的约束条件；

14、将所述约束条件作为发动机部件性能偏差指数的初始边界；当部件性能偏差过大时，导致发动机安全稳定工作的约束无法满足；

15、优选的，所述发动机安全稳定工作条件包括转速不超过限制值，部件喘振裕度不低于限制值；

16、所述发动机性能为：由发动机部件组成的发动机整体发挥的性能；

17、所述发动机部件性能为：组成发动机整体的各部件的性能

18、优选的，发动机部件性能偏差指数的初始边界表达式为：

19、0<di，j，min≤|di，j|≤di，j，max

20、其中，di,j为发动机第j项性能的第i项部件性能的偏差指数，i＝1,2,3…i，表示i个发动机部件性能的总项数，j＝1,2,3…j，表示j个发动机性能的总项数；di,j,min为发动机第j项性能的第i项部件性能的偏差指数的最小值，di，j,max为发动机第j项性能的第i项部件性能的偏差指数的最大值。

21、步骤3.基于发动机部件性能偏差指数的初始边界，获得发动机性能偏差代理模型的训练样本；

22、优选的，步骤3所述获得发动机性能偏差代理模型的训练样本，具体步骤包括：

23、在发动机部件性能偏差指数的初始边界范围内，选取若干组初始部件性能偏差指数样本；

24、将所述初始部件性能偏差指数样本输入到发动机性能仿真模型中，得到初始部件性能偏差指数样本对应的发动机性能偏差指数；

25、将所述发动机性能偏差指数表征为发动机性能偏差代理模型的训练样本。

26、进一步的，所述发动机部件性能偏差指数表达式为：

27、

28、其中，di,j为发动机第j项性能的第i项部件性能的偏差指数，cpi,j,act代表发动机第j项性能的第i项部件性能的实际值，cpi,j,des代表发动机第j项性能的第i项部件性能的设计值。

29、进一步的，所述发动机性能偏差指数表达式为：

30、dj＝(epj,act-epj,des)epj,des×100％

31、其中，dj为发动机第j项性能的偏差指数，j＝1,2,3…j，j表示发动机性能总项数，epj,act为发动机第j项性能的实际值，epj,des为发动机第j项性能的设计值。

32、本发明技术方案中通过发动机部件性能偏差指数获得了部件实际性能相对于设计值的变化率，部件性能偏差指数越小，说明部件实际性能与设计值越接近，即部件设计的结果越符合总体性能的需求，但同时也意味着设计难度越高。部件性能偏差指数越大，说明部件设计的结果与总体性能的差异越大，同时也意味着设计效果越差。考虑到实际情况是部件设计可达的实际性能一般在总体需求值附近变化。

33、步骤4.基于步骤3所述发动机性能偏差代理模型的训练样本，建立发动机性能偏差的代理模型；

34、优选的，步骤4所述发动机性能偏差的代理模型包括：发动机性能偏差的非线性代理模型和发动机性能偏差的线性代理模型；

35、所述发动机性能偏差的非线性代理模型的表达式为：

36、d′＝f(d1，j，d2，j，…，di，j)

37、其中，d′为非线性代理模型发动机性能偏差指数；f(d1，j，d2，j，…，di，j)为发动机第j项性能的i项发动机部件性能的偏差指数的非线性函数。

38、所述发动机性能偏差的线性代理模型的表达式为：

39、d＝xj，1·d1，j+xj，2·d2，j+…+xj，i·di，j+cj

40、其中，d为线性代理模型的发动机性能偏差指数；xj,i为发动机第j项性能的第i项部件性能偏差指数对发动机第j项性能偏差指数的影响系数，cj为第j项发动机性能偏差代理模型的常数项。

41、本发明技术方案建立了发动机性能偏差的非线性代理模型，能准确的考虑部件性能偏差的影响，用于降低优化计算过程的计算量；建立了发动机性能偏差的线性代理模型，反应了总体性能对部件性能偏差影响的敏感性，用于量化对比不同部件性能偏差影响的相对大小。

42、步骤5.基于发动机工况和步骤4所述的发动机性能偏差的代理模型，获得发动机性能集合的综合敏感性系数；

43、优选的，步骤5所述获得发动机性能集合的综合敏感性系数，具体步骤包括：

44、基于步骤4所述的发动机性能偏差的代理模型获得多个发动机性能敏感系数；

45、所述发动机性能敏感系数为发动机第j项性能的第i项部件性能偏差指数对发动机第j项性能偏差指数的影响系数xj,i；依据发动机工况，将多个发动机性能敏感性系数对应的发动机性能进行分类；

46、将不同工况下的同类发动机性能归为一组，建立发动机性能集合，获得多组发动机性能集合；所述每组发动机性能集合中包括多个同类的发动机性能，所述每个发动机性能包括多个部件性能；

47、将每组发动机性能集合中多个同类的发动机性能对应的发动机性能敏感性系数的绝对值相加，获得每组发动机性能集合的综合敏感性系数。

48、进一步的，所述将不同工况下的同类发动机性能归为一组，例如：亚音巡航工况下的发动机推力、超音巡航工况下的发动机推力即可归为一组。

49、进一步的，所述每组发动机性能集合的综合敏感性系数表达式为：

50、ah＝|ae1，f|+|ae2，f|+…+|aeg，f|

51、其中，ah为第h组发动机性能集合的综合敏感性系数，h＝1,2,3…h,h表示发动机性能集合的总组数；aeg，f为在第g个工况的第e项同类的发动机性能偏差指数对于第f项部件性能偏差指数的敏感性系数，g＝1,2,3…g,g表示发动机工况总数，e＝1,2,3…e，e表示同类的发动机性能总项数，f＝1,2,3…f，f表示同类的发动机性能对应的部件性能总项数。

52、本发明的方法获取了发动机各项部件性能偏差的综合敏感性系数，将不同工况下的同类总体性能参数归为一组(例如：亚音巡航工况下的发动机推力、超音巡航工况下的发动机推力即可归为一组)，计算同组中各项总体性能指标对应的敏感性系数，其绝对值之和作为综合敏感性系数，作为后续裕度设计中，实现部件性能裕度区间严苛程度与部件性能重要性匹配的关键。

53、步骤6.设置发动机部件性能偏差区间宽度的初估值，基于步骤1所述发动机性能的初始裕度、步骤5所述发动机性能集合的综合敏感性系数和发动机性能偏差的代理模型获得发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间宽度；

54、设置发动机部件性能偏差区间宽度的初估值，基于步骤5所述发动机性能集合的综合敏感性系数和发动机性能偏差的代理模型获得发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间宽度；

55、优选的，步骤6具体步骤包括：

56、设置发动机部件性能偏差区间宽度的初估值，基于步骤1所述发动机性能的初始裕度以及发动机部件性能偏差区间宽度的初估值获得发动机部件性能偏差区间；

57、基于所述发动机部件性能偏差区间和步骤5所述发动机性能集合的综合敏感性系数，获得发动机部件性能偏差区间宽度；

58、利用发动机性能偏差的代理模型对所述发动机部件性能偏差区间宽度进行优化求解，获得发动机性能的偏差区间；

59、基于所述发动机性能的偏差区间构建发动机部件性能偏差区间宽度函数；

60、对所述发动机部件性能偏差区间宽度函数进行迭代求解，获得发动机部件性能偏差区间宽度设计值；

61、将所述发动机部件性能偏差区间宽度设计值代入发动机部件性能偏差区间进行计算，获得发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间宽度；

62、所述发动机部件性能偏差区间表达式为：

63、

64、其中，dii，j为发动机第j项性能的i项部件性能的偏差区间参考宽度，dij，ref为发动机第j项性能的i项部件性能偏差区间参考宽度的初估值，ah为为第h组发动机性能集合的综合敏感性系数。

65、优选的，步骤6所述发动机性能的偏差区间包括发动机性能的偏差区间上边界和下边界；

66、所述发动机性能的偏差区间上边界，表达式为：

67、find di，j(i＝1，2，…，i)

68、to minimize f(di，j)

69、s.t.di，j∈[-0.5×dii，j，0.5×dii，j]

70、

71、发动机性能的偏差区间下边界，表达式为：

72、find di，j(i＝1，2，…，i)

73、to minimize-f(di，j)

74、s.t.di，j∈[-0.5×dii，j，0.5×dii，j]

75、

76、其中，dij，ref为发动机第j项性能的i项部件性能偏差区间宽度的初估值，f(di，j)发动机第j项性能的第i项发动机部件性能的偏差指数，dii，j为发动机第j项性能的第i项发动机部件性能偏差区间宽度。

77、所述发动机部件性能偏差区间宽度函数表达式为：

78、

79、其中，dimin代表发动机性能偏差的最小值；dimax代表发动机性能偏差的最大值；fmin(diref)代表dimin关于部件性能偏差区间宽度函数；fmax(diref)代表dimax关于部件性能偏差区间宽度的函数。

80、步骤7.基于步骤6所述多个部件性能偏差区间宽度，得到多个步骤2所述约束条件下的部件性能偏差区间的有效边界；

81、对各个部件性能偏差区间的有效边界进行组合求解，获得发动机部件性能部件性能裕度区间；对所述发动机部件性能裕度区间进行检验并修正，获得最终发动机部件性能裕度区间。

82、优选的，步骤7所述获得最终发动机部件性能的裕度区间的具体步骤包括：

83、基于步骤6所述发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间宽度获得发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间，将所述发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间按照步骤5所述发动机性能集合进行分类；

84、将属于同类发动机性能裕度对应的多个部件性能偏差区间划分为一组，获得多组分类后的部件性能偏差区间；

85、取每组分类后的部件性能偏差区间中最小值作为步骤2所述约束条件下的部件性能偏差区间，得到多个发动机性能约束下的部件性能偏差区间；获取各个发动机性能约束下的部件性能偏差区间的有效边界；所述有效边界是指对发动机性能有影响的裕度区间边界；

86、所述发动机性能约束下的部件性能偏差区间的有效边界表达式：

87、

88、di，m，eff为由第m组发动机性能指标约束下的第i项部件性能偏差的有效边界，dii，m为由第m组发动机性能指标约束下的第i项部件性能偏差区间，di，m，ext为由第m组发动机性能取极值时对应的第i项部件性能偏差。

89、基于步骤2所述发动机性能裕度设计的约束条件对各个发动机性能约束下的部件性能偏差区间的有效边界进行检验以及修正，获得多个修正后的部件性能偏差区间；

90、所述修正对应的表达式为：

91、

92、将所述多个修正后的部件性能偏差区间进行组合求解，获得发动机部件性能部件性能裕度区间；

93、所述发动机部件性能部件性能裕度区间表达式为：

94、mci，m＝[min(di，1，eff，…，di，m，eff)，max(di，1，eff，…，di，m，eff)]

95、其中，mci，m为第m组发动机性能指标约束下的第i项部件发动机部件性能部件性能裕度区间。

96、对所述发动机部件性能裕度区间进行检验并修正，获得最终发动机部件性能裕度区间。

97、进一步的，对所述发动机部件性能裕度区间进行检验并修正具体包括：

98、检验所获得的发动机部件性能裕度区间的上下边界是否位于原点(0)同侧；若位于同侧，修正发动机部件性能裕度区间，使其包含原点(0)；若没有位于同一侧，则直接输出发动机部件性能裕度区间。

99、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

100、(1)本发明技术方案根据发动机性能的裕度来设计部件性能裕度区间，将发动机性能对部件性能的需求从单一值拓展至裕度区间，为发动机的部件设计提供了更加详细的需求牵引，减少发动机整体-部件之间反复迭代的次数，进一步提高设计流程的效率；

101、(2)本发明引入的综合敏感性系数将部件性能的影响差异考虑进来，针对影响显著的部件性能制定严苛的裕度区间，保障发动机整体性能达标；针对影响不显著的部件性能制定宽松的裕度区间，降低设计难度；

102、(3)本发明技术方案弥补了对新构型发动机部件性能偏差影响认知的不足，实现了对发动机部件性能设计偏差这类非概率不确定性影响的量化。