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

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

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

图 4

表 1

图 5

图 6

图 7

表 2

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表 3

图 13

表 4

图 14

图 15

图 16

表 5

图 17

表 6

图 18

图 19

表 7

表 8

图 20

图 21

图 22

参考文献 24

1	银越千，金海良，陈璇. 涡轴/涡桨发动机压气机流动特点与发展趋势［J］. 航空学报， 2017， 38（9）： 521011.
	YIN Y Q， JIN H L， CHEN X. Flow features and developing trends of compressor in turboshaft/turboprop engine［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（9）： 521011 （in Chinese）.
2	李概奇，马东阳，李杜. 等 . 新研民用涡轴发动机起飞状态喘振试验［J］. 航空学报， 2023， 44（14）： 628190.
	LI G Q， MA D Y， LI D， et al. Surge test on newly developing civil turboshaft engine under take⁃off condition［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（14）： 628190 （in Chinese）.
3	HOWARD S， SERVER N. Rotordynamic feasibility of a conceptual variable-speed power turbine propulsion system for large civil tilt-rotor applications［C］∥The 68th Annual Forum and Technology Display. Washington， D. C.： NASA， 2012.
4	王瑞，廖明夫，程荣辉，等. 带中介轴承双转子系统的“可容模态”优化设计方法［J/OL］. 航空动力学报，（2022-11-07）［2023-02-01］. .
	WANG R， LIAO M F， CHENG R H， et al. Workable mode optimization design method for dual-rotor system with inter-shaft bearing ［J/OL］. Journal of Aerospace Power，（2022-11-07）［2023-02-01］. （in Chinese）.
5	王四季，廖明夫，刘永泉，等. 航空发动机轴承外环装配工艺引起的转子系统非线性振动［J］. 航空动力学报， 2015， 30（1）： 82-89.
	WANG S J， LIAO M F， LIU Y Q， et al. Nonlinear vibration of rotor systems caused by assembly process of a bearing outer ring of an aero-engine［J］. Journal of Aerospace Power， 2015， 30（1）： 82-89 （in Chinese）.
6	ZHANG F L， ZHANG Y W， GUAN J Y， et al. Fault dynamic modeling and characteristic parameter simulation of rolling bearing with inner ring local defects［J］. Shock and Vibration， 2021， 2021： 1-11.
7	WANG N F， JIANG D X， XU H Z. Dynamic characteristics analysis of a dual-rotor system with inter-shaft bearing［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2019， 233（3）： 1147-1158.
8	RUHL R L， BOOKER J F. A finite element model for distributed parameter turborotor systems［J］. Journal of Engineering for Industry， 1972， 94（1）： 126-132.
9	NELSON H D. A finite rotating shaft element using Timoshenko beam theory［J］. ASME Journal of Mechanical Design， 1980， 102（4）： 793-803.
10	GREENHILL L M， BICKFORD W B， NELSON H D. A conical beam finite element for rotor dynamics analysis［J］. Journal of Vibration and Acoustics， 1985， 107（4）： 421-430.
11	KIM B O， LEE A S. A transient response analysis in the state-space applying the average velocity concept［J］. Journal of Sound and Vibration， 2005， 281（3-5）： 1023-1035.
12	DAKEL M， BAGUET S， DUFOUR R. Nonlinear dynamics of a support-excited flexible rotor with hydrodynamic journal bearings［J］. Journal of Sound and Vibration， 2014， 333（10）： 2774-2799.
13	PAN W J， LI X M， LING L Y， et al. Dynamic modeling and response analysis of rub-impact rotor system with squeeze film damper under maneuvering load［J］. Applied Mathematical Modelling， 2023， 114： 544-582.
14	隋永枫，潘慧斌，隋艺，等. 陀螺转子动力学系统的时间有限元内点法［J］. 振动与冲击， 2020， 39（14）： 75-79.
	SUI Y F， PAN H B， SUI Y， et al. Interval combination method of time domain finite element analysis for gyroscopic systems［J］. Journal of Vibration and Shock， 2020， 39（14）： 75-79 （in Chinese）.
15	BARRETT L E， GUNTER E J， ALLAIRE P E. Optimum bearing and support damping for unbalance response and stability of rotating machinery［J］. Journal of Engineering for Power， 1978， 100（1）： 89-94.
16	RAJAN M， RAJAN S D， NELSON H D， et al. Optimal placement of critical speeds in rotor-bearing systems［J］. Journal of Vibration and Acoustics， 1987， 109（2）： 152-157.
17	CROSSLEY W， WELLS V， LAANANEN D. The potential of genetic algorithms for conceptual design of rotor systems［J］. Engineering Optimization， 1995， 24（3）： 221-238.
18	黄太平，罗贵火. 转子动力学优化设计［J］. 航空动力学报， 1994， 9（2）： 113-116.
	HUANG T P， LUO G H. Optimization of rotor dynamics［J］. Journal of Aerospace Power， 1994， 9（2）： 113-116. （in Chinese）
19	LIN Y， CHENG L， HUANG T P. Optimal design of complex flexible rotor-support systems using minimum strain energy under multi-constraint conditions［J］. Journal of Sound and Vibration， 1998， 215（5）： 1121-1134.
20	金路. 航空发动机转子系统动力学设计优化方法研究［D］. 西安：西北工业大学， 2013.
	JIN L. Research on optimization method for dynamic design of aeroengine rotor system［D］. Xi’an： Northwest University of Technology， 2013 （in Chinese）.
21	AHMAD B， KHALIL D， ABDELKHALAK E H. Robust method for the identification of dynamical anisotropic flexible bearing parameters using multi-objective optimization and structural modification technique［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2023， 187： 109899.
22	姜磊. 柔性转子-支承系统有限元仿真及多目标优化设计［J］. 原子能科学技术， 2021， 55（）： 327-334.
	JIANG L. Finite element analysis and multi-objective optimization of flexible rotor-bearing system［J］. Atomic Energy Science and Technology， 2021， 55（Sup 2）： 327-334 （in Chinese）.
23	KENNEDY J， EBERHART R. Particle swarm optimization［C］∥Proceedings of ICNN'95 - International Conference on Neural Networks. Piscataway： IEEE Press， 2002： 1942-1948.
24	杨璇，白宇杰，吴庭苇. 基于粒子群方法的转子-支承系统临界转速振动性能优化［J］. 科技视界， 2020（31）： 94-96.
	YANG X， BAI Y J， WU T W. Optimization of critical speed vibration performance of rotor-support system based on particle swarm optimization［J］. Science & Technology Vision， 2020（31）： 94-96 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

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

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

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

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 30

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

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

[1]	李博, 王潇. 共轴双旋翼/尾推桨/传动耦合系统动力学建模与固有特性分析[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528945-528945.
[2]	刘琦, 史勇杰, 胡志远, 徐国华. 共轴刚性旋翼气动及噪声特性的参数影响分析[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528856-528856.
[3]	郑峰婴, 沈志敏, 李雅琴, 徐楷钊, 王新华. 共轴高速直升机增益自适应多模式切换控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529088-529088.
[4]	崔壮壮, 原昕, 赵国庆, 井思梦, 招启军. 共轴刚性旋翼高速直升机前飞性能操纵策略影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529256-529256.
[5]	孙大智, 陈希, 鲍为成, 卞威, 招启军. 高速直升机机身干扰对推力桨气动与噪声源特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529142-529142.
[6]	刘昌昊, 曹义华, 梅晓萌, 汪茂胜, 张广林. 高速直升机运输效能评估[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 530182-530182.
[7]	仇钰清, 李俨, 郎金溪, 刘育衔, 王重. 高速直升机过渡模态鲁棒自适应姿态控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529927-529927.
[8]	曾怡兰, 韩东, 刘壮壮, 周鑫. 高速飞行复合式直升机旋翼受上洗时的驱转特性[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529061-529061.
[9]	韩少强, 宋文萍, 韩忠华, 许建华. 高速共轴刚性旋翼非定常流动高精度数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529064-529064.
[10]	王梓旭, 李攀, 鲁可, 朱振华, 陈仁良. 共轴刚性旋翼高速直升机配平策略优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529069-529069.
[11]	邓景辉. 高速直升机关键技术与发展[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529085-529085.
[12]	聂博文, 王亮权, 黄志银, 何龙, 杨仕鹏, 颜鸿涛, 章贵川. 复合式高速无人直升机飞行动力学建模与控制策略设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529848-529848.
[13]	王雪鹤, 柴春硕, 邢世龙, 樊枫, 黄水林. 共轴高速直升机反流区翼型设计及减阻机理[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529960-529960.
[14]	王晓乐, 孙萍, 顾鑫, 赵春宇, 黄震宇. 直升机声学超材料舱壁的低频多带隙降噪特性[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 428901-428901.
[15]	杨梓霄, 李世尧, 魏晨, 李湛, 朱波. 基于低阶干扰估计器的欠驱动三自由度直升机鲁棒控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 629056-629056.