适应性循环发动机系统性能稳健性设计方法研究

As the strategic technology highlands, new concept of Adaptive Cycle Engines(ACE) attracts wide attention in the Aero-engine developed countries. However, the introduction of new technical characteristics and design requirements of ultra wide adaptability in the concept of ACE engines will bring more uncertainty to the ACE engine system performance. If one ignores these uncertainties or only reserves system performance and safety margin based on the previous design experience or rules, negative effects such as low efficiency, unreliability, high cost and high risk will eventually occur during the ACE engine development. To avoid these negative effects, an innovative research direction has been expanded on the robust design methodologies to the ACE engine system performance. Consequently, some key scientific problems arise and deserve research, which include: wheel-shaped system performance design architecture with evolutionary and recursive characteristics, Integration through flow design method of adaptive cycle compression system and critical variable geometries, modeling of ACE engine system performance under the non-deterministic theory framework, which can reflect engine components matching mechanism; searching methodology to ACE engine system performance robust solutions with the characteristics of layered multidisciplinary collaborative optimization. The expected research results can provide effective approaches to robust system performance design on complex aero engines with wide adaptability, which have the potential of important academic values and wide engineering application prospects.

作为当今航空发动机强国竞相追逐的战略技术高地，适应性循环发动机(简称ACE)概念受到广泛关注。然而，新技术特征的引入以及对部件超宽适应性的设计需求将给其系统性能设计带来更多的不确定性。若对这些不确定性视而不见，或仅依赖以往的设计经验或规则预留系统性能和安全裕度，最终将导致整个研制过程的低效率、不可靠、高成本和高风险！为了破解上述难题，我们拓展出ACE发动机系统性能稳健性设计方法这一研究方向，凝练出关键问题并加以研究，内容包括：具有递归和演化特征的轮盘状系统性能设计体系架构，压缩系统及关键可调机构一体化通流仿真与设计方法，基于不确定性理论框架、反映部件物理匹配本质的的ACE发动机系统性能建模方法以及具有分层多学科协同优化特征的ACE发动机系统性能稳健解求解方法。预期成果可为宽适应性复杂航空发动机的系统性能稳健设计提供有效途径，具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。

适应性循环发动机是航空发动机强国竞相追逐的战略技术高地，然而，新技术特征的引入以及对部件超宽适应性的需求给其系统性能设计带来更多的不确定性，影响了性能优势的发挥。为破解上述难题，本团队开展了发动机系统性能稳健性设计方法研究。将影响系统性能稳健性的因素纳入到统一的设计理论框架下，并提出了具有递归和演化特征的轮盘状设计体系架构。在此架构下，首先从部件和总体层面开展仿真分析方法研究。在部件层面，开展了压缩系统及关键可调机构通流建模，实现了考虑复杂涵道和专用调节机构影响的压缩系统一体化通流计算分析，明确了造成模式选择阀回流现象的流动机理并找到了规避回流流动的方法，发展了复杂压缩系统的多部件/涵道/调节机构耦合可用工作范围，明确其各边界的工作限制因素，为压缩系统的稳健性设计提供了理论和方法支持。在总体层面，开展了不确定性理论框架下的系统性能建模研究。将随机抽样、区间分析、泰勒级数理论与基于机理的系统性能模型融合，实现不确定性影响的快速准确评估：系统性能偏差区间预测计算量降低98%，误差不超过0.1%；系统性能达标概率预测计算量降低99.5%，误差不超过0.5%。基于仿真分析方法研究成果进一步开展了系统性能稳健性优化研究。从提高控制方案稳健性和降低部件性能不确定性影响两个方面开展研究：提出了基于临界点优化求解的模式转换控制规律设计方法，兼顾性能优势的条件下简化了控制规律，提高了控制方案的实现性。提出了部件性能容差区间设计方法，可显著提高总体-部件迭代设计效率；提出基于目标性能的概率优化设计方法，在提高性能达标概率的条件下限制了方案的设计难度。最终，以某型发动机改型方案为平台，对基于变维度仿真的部件性能快速评估方法的有效性进行了验证。研究成果为宽适应性复杂航空发动机的系统性能稳健设计提供了坚实的理论基础，发表学术论文30余篇，设计方法及仿真模型已在多个研究所得到推广应用，具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。