Под силовой системой ГТД понимается система силовых деталей,
предназначенных для восприятия нагрузок, действующих на элементы
двигателя к самолету.
Конструктивно-силовая схема – это условное упрощенное графическое
изображение двигателя с сохранением его геометрического облика и формы
проточной части, содержащее ротор и статор со связывающими их опорами.
В работе были рассмотрены СС нескольких двигателей компании PW и
CFM. При рассмотрении схем даже в рамках одного производителя очевидно
что конструкции имеют большое разнообразие конструктивных решений.
Множество силовых схем авиационных двигателей составляет около 50000
компоновок.
Нам необходим оптимальный вариант, однако огромное количество
конструктивных решений и их комбинаций затрудняет этот выбор.
Первый этап проектирования – геометрические параметры проточной
части, количество ступеней и тд
Второй этап – определяется месторасположение опор, осевые и
радиальные связи ротора и статора. Этот этап не автоматизирован. Основан на
эвристическом подходе (традиции, личный опыт) Такое проектирование
лишает нас возможности увидеть другие варианты и решения, которые могут
быть более эффективными.
Задача – найти комплекс параметров, характеризующих расположение
опор в турбокомпрессоре, констр и геом параметры и их соотношения.
Параметры должны удовлетворять требования к двигателю и обеспечивать его
макс эффективность.
Обобщенная СС.
Формализация формирования СС. – Обобщенная СС. – графичесоке
отображение БД анализа авиационных двигателей. – Отражает возможные
варианты схем.
Анализ конструкций отечественных ГТД [1, 2] позволяет выделить
конструктивно-силовые схемы по типу и расположению опор для
компрессоров и турбин, а также схемы силового замыкания корпусов
турбокомпрессоров отечественных ГТД для представления их в
информационное поле ГТД. С использованием условно-стилизованных
элементов конструкции представлены в обобщенном виде КССТРО.
Полученная обобщенная КССТРО может применяться на стадии эскизного
проекта для выбора оптимальной схемы проектируемого ГТД на основе
заданных критериев ТЗ и алгоритмов их использования системы поддержки
принятия решений.
Выделяется схема базового ГГ - определяется область возможных
схемных решений – критерии и ограничения выбора СС К и Т – выбор СС К и
Т по заданным критериям – Формирование СС
Графы
Формализация процесса выбора:
- список конструктивных решение – с помощью теории графов – на его
основе формируется список всех возможных решений. Представление
процесса поиска возможных решений в виде ориентированного графа дает
возможность последовательно объединять в различных сочетаниях
перечисленные множества. Полученный граф описывает множество
вариантов схем с двумя опорами. Можно на примере выбора ротора
двухопорного ротора.
Анализ конструкций ГТД, позволяет классифицировать схемы по типу
и расположению опор, а также схемы замыкания корпусов турбокомпрессора.
Вершина графа – узел или схема силового замыкания
Схема каждого газогенератора имеет свое обозначение Аi
- таблица применяемости – на список всех решений накладываем
ограничения. (Данные из ТЗ, данные газодинамического расчета)
- выбор критериев и параметров оценки найденных решений –
необходима зависимость связывающая параметры, характеризующие
расположение опор с основными тех данными
– Расположение опор влияет на жесткость – от нее зависят прогибы – от
которых зависят зазоры – от которых зависит КПД . Прогиб вала и радиальные
зазоры прямо пропорциональны расст между опорами. Зазоры влияют на КПД
и след на Суд и тягу. Удельные параметры ГТД, такие как Сѵ
л. улв, можно использовать при
выборе двигателя-прототипа.
Расположение опоры на Т, расход газа, кол-во деталей.
При расположении опоры в горячей зоне: треб охлаждение (ув отбор воздуха),
ограничение по температуре, увеличивается кол-во деталей.
- расчет целевой функции – обобщенный вид с учетом приоритета всех
параметров. Коэффициенты приоритета определяются на основе парных
сравнений, для этого нужны эксперты.
- выбор двигателя прототипа - минимальное значение F
- расчет геом параметров.
Генетический алгоритм
базовый ГГ в свою очередь представляет собой агрегированную
структуру, отражающую схему силового корпуса, схему КВД и ТВД.
Как и в методе графов, здесь имеется возможность использовать три
множества объектов:
1)
𝐺𝐺 = {𝑔𝑔𝑖 }, 𝑖 = 1, 𝑁𝐺𝐺 – множество схем турбокомпрессора ГГ;
2)
𝐾 = {𝑘𝑗 }, 𝑗 = 1, 𝑁𝐾 – множество схем компрессора;
3)
𝑇 = {𝑡𝑘 }, 𝑘 = 1, 𝑁𝑇 – множество схем турбин.
Если все множество связей силовых корпусов определить как: 𝑆𝐾внут ,
𝑆𝐾внешн , 𝑆𝐾драз , 𝑆𝐾дзамкн . Тогда множество силовых корпусов: 𝑆𝐾 = 𝑆𝐾внут ∪
𝑆𝐾внешн ∪ 𝑆𝐾драз ∪ 𝑆𝐾дзамкн .
требуется найти такой вариант силовой схемы (k,t), который обеспечит
минимальное значение аддитивного критерия потерь «качества» схемы и
удовлетворит перечисленным требованиям и ограничениям:
𝑁
𝑃 = 𝑓(𝑘, 𝑡) = ∑ 𝑤𝑖 (𝑘, 𝑡).
𝑖=1
Особь состоит из одной хромосомы, объединяющей признаки
компрессора и турбины, а каждый номер гена хромосомы – номер сечения
двигателя, где возможно расположение опоры (см. рисунок 15). Есть опора –
значение 1, нет опоры – значение 0.
этап. Формирование исходной популяции из заданного числа М особей,
где каждая особь представляет собой отдельный вариант силовой схемы
двухроторного ТРДД и дальнейшее создание популяции, но основе
следующих логических ограничений:
- роторы КНД и КВД должны иметь не менее одного СП;
- в ТВД нет СП, если ротор ТВД имеет межроторную опору;
- СП располагается в компрессоре (двойная разомкнутая связь) или за
ТВД, если ротор ТВД не имеет межроторных опор;
2 этап. Отбор наиболее приспособленных особей, имеющих более
предпочтительные значения функции пригодности. Оператор отбора является
важнейшим фактором, влияющим на эффективность ГА. Для предотвращения
потери лучших особей для отбора предлагается использовать метод элитного
отбора. Суть метода состоит в том, что из предыдущей популяции выбирается
L отдельных особей с наибольшей приспособленностью (имеющих
наименьшее значение критерия P). Выявленные таким образом «элитные»
особи без изменений переходят в следующее поколение, что способствует
накоплению более качественных вариантов силовых схем при многократном
выполнении алгоритма. Оставшееся количество «свободных мест» в новой
популяции заполняется особями, полученными в результате скрещивания и
мутации.
Скрещивание особей: случайным образом из числа наиболее
приспособленных выбираются две особи. Для них случайным образом
разыгрывается позиция гена (локус) L1 и проводится обмен участками
генетического кода.
4 этап. Мутация. Оператор мутации изменяет значения генов в
хромосомах «новой» особи на другие значения.
5 этап. Останов алгоритма. При выборе силовой схемы двухроторного
ГТД с помощью ГА в качестве условия останова работы алгоритма можно
использовать один из двух возможных критериев:
ГА завершает свою работу, когда 60–80 % особей принимают
одинаковые значения функции приспособленности.
Если в течение нескольких поколений особей приращение
функции приспособленности «лучшего» индивидуума оказывается
незначительным, то работу алгоритма можно завершить.
