航空发动机总体方案优化技术初步研究

【类型】学位论文

【作者】董晓琳 

【关键词】 航空发动机 总体方案设计 多学科设计优化

【摘要】航空发动机设计作为一个综合性系统工程，涉及学科包括热力、气动、结构强度、燃烧传热、振动和可靠性等多个学科。设计过程中各学科之间存在复杂的耦合关系，多项指标要求相互制约。传统方案设计方法是先在部分学科内进行孤立的单一学科优化，然后再校核其他学科的要求，主要人为地凭借经验来平衡各学科的指标，不能充分考虑学科间的耦合作用。在发动机方案设计中引入多学科设计优化（MDO）来组织和管理整个系统，可以充分利用各个学科之间的相互作用影响力，得到系统最优方案。 本文借鉴MDO在航空航天领域的应用经验和传统航空发动机设计方法，进行了发动机总体方案优化技术的探索性研究。根据发动机设计所涉学科将发动机总体方案设计内容分为：性能计算模块、流道尺寸模块、总体布局及主模型建立模块、重量估算模块、强度估算模块和转子动力学分析模块等。本文主要研究总体性能计算、高压涡轮流道尺寸、高涡转子结构、高涡转子强度计算模块的设计与优化。 本文首先分析总体方案优化途径及实现方法，得到总体方案优化流程；然后建立涡扇双转子发动机的总体性能计算模块，输出结果文本文件作为数据接口，为后期优化奠定基础；接着建立高压涡轮流道尺寸计算模块，该模块是根据部件性能参数和选定的气动参数来计算高压涡轮流道尺寸，得到流道高度和部件效率；再根据流道尺寸设计高压涡轮转子，然后进行转子强度计算，得到强度和转子重量；最后以气动参数如载荷系数、流量系数、反力度和转速作为设计变量，以转子强度和部件气动效率为约束变量，以最小重量为目标函数，实现多学科优化，得到优化后的带流道的涡轮转子。 通过本论文的工作，理清了总体方案优化关键技术，提供了发动机总体方案优化的思路和大体框架，建立了航空发动机总体方案优化的主要初步模块，实现了在总体性能计算基础下的涡轮部件气动流道尺寸设计和涡轮转子结构强度的多学科优化。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】申秀丽

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