基于改进粒子群算法的直升机动力涡轮转子系统优化方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28608

固体力学与飞行器总体设计

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基于改进粒子群算法的直升机动力涡轮转子系统优化方法

王四季¹, 张羽薇¹, 黄开明²(), 吕彪², 赵海凤², 王虎¹, 廖明夫¹

^1.西北工业大学动力与能源学院，西安　710072
^2.中国航发湖南动力机械研究所，株洲　412002

收稿日期:2023-02-24 修回日期:2023-03-27 接受日期:2023-05-10 出版日期:2024-01-15 发布日期:2023-05-15
通讯作者: 黄开明 E-mail:hkmxuan@126.com

An optimization method for helicopter power turbine rotor system based on improved particle swarm optimization algorithm

Siji WANG¹, Yuwei ZHANG¹, Kaiming HUANG²(), Biao LYU², Haifeng ZHAO², Hu WANG¹, Mingfu LIAO¹

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China
^2.AECC Hunan Power Machinery Research Institute，Zhuzhou 　412002，China

Received:2023-02-24 Revised:2023-03-27 Accepted:2023-05-10 Online:2024-01-15 Published:2023-05-15
Contact: Kaiming HUANG E-mail:hkmxuan@126.com

摘要/Abstract

摘要：

针对直升机动力涡轮转子变转速工作范围增大、临界转速难布局、转子弯曲模态振动控制困难的问题，提出一种基于改进粒子群算法的动力涡轮转子系统优化方法。采用有限元法，建立变转速涡轴发动机转子系统动力学模型，分析动力涡轮转子的动力学特性。基于改进粒子群优化算法，提出直升机动力涡轮转子系统的动力学优化设计目标，系统性地建立变转速动力涡轮转子系统优化设计流程。搭建了模拟转子实验系统，完成优化前后的对比测试实验。实验结果表明，优化方案下转子振动幅值相比原方案下降73.5%，能够实现的稳定变转速工作范围由77.5%~100%最高工作转速扩大为55%~100%最高工作转速，验证了所建立的动力学优化设计方法的有效性，为发动机动力涡轮转子系统设计提供了参考。

关键词: 直升机, 变转速动力涡轮, 改进粒子群优化算法, 有限元法, 动力学优化设计

Abstract:

Targeting the problems of increasing variable speed working range， complex critical speed layout and difficult rotor vibration control of helicopter power turbine rotors， a rotor system optimization method of variable speed turboshaft engine based on Improved Particle Swarm Optimization （IPSO） algorithm is proposed. Firstly， by using the finite element method， the dynamic model for the rotor system of the variable speed turboshaft engine is established and the dynamic characteristics of the power turbine rotor are analyzed. Secondly， based on the IPSO， the dynamic optimization design objective of helicopter rotor system is proposed and the optimization design process of variable speed power turbine rotor system is systematically established. Finally， the simulation rotor experiment system is built to conduct the comparison test before and after optimization. The experimental results show that the rotor vibration amplitude decreases by 73.5% under the optimized scheme compared with the original scheme， and the working range of stable variable speed is increased from 77.5%-100% to 55%-100%， which verifies the effectiveness of the established dynamic optimization design method and provides a reference for the design of helicopter rotor systems.

Key words: helicopter, variable speed power turbine, improved particle swarm optimization algorithm, finite element method, dynamic optimization design

中图分类号:

V235.11

王四季, 张羽薇, 黄开明, 吕彪, 赵海凤, 王虎, 廖明夫. 基于改进粒子群算法的直升机动力涡轮转子系统优化方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 228608-228608.

Siji WANG, Yuwei ZHANG, Kaiming HUANG, Biao LYU, Haifeng ZHAO, Hu WANG, Mingfu LIAO. An optimization method for helicopter power turbine rotor system based on improved particle swarm optimization algorithm[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(1): 228608-228608.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

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表 1

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图 18

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表 8

图 20

图 21

图 22

参考文献 24

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计算结果	一阶临界转速/（r·min^-1）	二阶临界转速/（r·min^-1）	计算时间/s
差别/%	1.02	1.59	相差悬殊
本文模型	4 260	10 710	0.5
ANSYS	4 304	10 539	约120

测试函数	算法	均值	标准差	最小值	最大值
Sphere	PSO	2.66	0.394	1.56	3.34
Sphere	IPSO	1.71	0.235	1.05	2.11

Rosenbrock	PSO	315.09	50.02	183.39	447.21
Rosenbrock	IPSO	209.96	32.26	125.80	295.35

Rastrigin	PSO	94.5	6.94	67.87	108.12
Rastrigin	IPSO	68.2	5.97	47.67	79.86

Griewank	PSO	0.183	0.020 7	0.113	0.226
Griewank	IPSO	0.120	0.013 1	0.086	0.154

编号	优化目标	要求
1	变转速范围	越大越好
2	临界转速处振幅	越小越好
3	临界转速	避开最高工作转速20%
4	应变能分布	轴系的比例越低越好
5	转子稳定性	不会失稳
6	慢车附近振动	越小越好
7	支承外传力	越小越好
8	变转速范围内振动	越小越好

设计方案	二阶模态位置	评价
方案1：5支点弹支、6支点刚支	慢车以上	原方案
方案2：5支点刚支、6支点弹支	慢车以上	较差
方案3：两处弹支	慢车以下	存在承受轴向力问题
方案4：保留5支点（弹支）	慢车以下	存在承受轴向力问题
方案5：保留6支点（刚支）	慢车以上	无法设置阻尼器

动力学特性参数	原方案	6支点刚支		6支点弹支
动力学特性参数	原方案	取值	优化效果/%	取值	优化效果/%
一阶临界转速/（r·min^-1）	6 810	5 907	-4	5 891	-13
二阶临界转速/（r·min^-1）	12 420	11 467	-9	9 200	-26
一阶临界最大位移/μm	110.58	100.60	-9	81.65	-26
一阶临界最大位移/μm	6 810	5 907	-4	5 891	-13
变转速工作裕度/%	12 420	11 467	-9	9 200	-26
一阶最大外传力/N	110.58	100.60	-9	81.65	-26
一阶最大外传力/N	6 810	5 907	-4	5 891	-13
一阶轴系应变能分布/%	12 420	11 467	-9	9 200	-26
二阶轴系应变能分布%	110.58	100.60	-9	81.65	-26

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动力学特性参数	原SFD方案	优化后SFD方案
一阶临界峰值/μm	140	122
二阶临界峰值/μm	155	131
偏心比0.8下油膜刚度/（10⁶ N·m^-1）	1.5	0.2
对二阶临界转速影响/%	15	3
不发生双稳态跳跃的不平衡量阈值/（g·cm）	44	49

传感器参数	位移传感器	速度传感器
型号	In085	VS080
灵敏度	8 mV/μm	75 mV/（mm·s^-1）
灵敏度误差/%	±5	±5
频响范围/Hz	0~4 400	30~2 000

计算结果	原始方案		优化后方案
计算结果	一阶临界转速	二阶临界转速	一阶临界转速	二阶临界转速
误差/%	2.1	<0.1	1.7	<0.1
理论值/（r·min^-1）	2 834	5 105	2 699	4 048
实测值/（r·min^-1）	2 774	5 100	2 650	4 045

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