工质驱动分布式推进系统多学科优化设计研究
研究背景
在能源危机与气候变化的背景下，分布式推进技术以其高推进效率及灵活的推进器布局形式，成为航空业实现节能减排目标的重要技术路径之一。现阶段在研分布式推进系统多采用涡轮电结构，其技术发展受到大功率、高功率密度、高效率电气设备的制约，推进系统在总体效率、重量等方面具有明显缺陷。工质驱动分布式推进方案通过回热后的高压空气作为工质驱动分布式风扇，不依赖电气设备，并通过回热过程提高了能量利用效率，在重量、耗油率方面具有一定优势。本文旨在通过从推进系统整体质量、流路尺寸及部件性能水平等多个角度对工质驱动分布式推进构型开展评估与优化设计，明确其相对于涡轮电分布式推进系统的特征与优势。
解决的问题及创新点
推进系统总体结构
核心机结构 推进器结构
本文从部件技术水平出发，基于推进系统气动热力学优化模型及部件几何/结构/性能耦合模型建立了推进系统多学科设计方法。以此为支撑，采用粒子群优化算法对工质驱动分布式推进系统和涡轮电分布式推进系统进行了多学科优化设计，并针对40kN级巡航推力分布式推进系统开展了优化设计，并以TeDP为基准对工质驱动分布式推进系统的优化结果进行了分析评估。
1）建立了推进系统中关键部件的结构-性能耦合模型。对于旋转部件，建立了流路尺寸评估模型，并基于部件耦合图实现了部件结构到部件效率的映射。针对换热器，开展了几何结构分析及流路建模，并建立了基于换热器结构的换热效能、总压损失评估模型，通过构建残差方程的形式实现了由性能反推换热器结构。
2）提出了分布式推进系统的多学科设计方法。根据部件性能与结构的耦合模型，将推进系统热力循环参数与结构参数作为设计输入，以结构参数评估得到的部件效率和部件气动/结构/强度约束为指导，实现了以推进系统耗油率、尺寸、重量为输出的多学科设计。
3）建立了分布式推进系统多学科优化设计模型。本文提出了以推进系统完成飞行任务所需的任务油耗为评价函数，统一评估了推进系统耗油率及尺寸重量在飞机上产生的贡献，考虑部件气动/结构/强度约束，建立了优化设计模型，并基于粒子群算法开展了优化设计。
总结与展望
本文基于部件几何结构计算模型及结构/性能耦合模型建立了多学科设计框架，结合粒子群优化算法在40步内完成了40kN级工质驱动分布式推进系统多学科优化设计，通过优化结果及针对优化目标函数的分析，得出以下结论：
1）与TeDP相比，工质驱动分布式推进系统质量减轻38%，耗油率降低4.5%，能够在当前电力系统传输效率与功重比不足的技术背景下有效实现分布式推进。
2）工质驱动分布式推进系统在安装、布局上需要更大的空间，所用燃气涡轮发动机相比于TeDP低压压气机进口直径增加63%，最大直径增加69.6%，长度增加110%；所用推进器长度增加35%。此外，推进器的布置需要考虑传输管路所占空间，所用工质传输管路直径达到0.417 m。
3）工质驱动分布式推进系统最终达到的优化目标函数比TeDP低17%，其中由于没有电力系统而带来的推进系统质量下降起到了主要作用。对于本文所研究40kN级巡航推力分布式推进系统，工质驱动分布式推进系统可接受因其尺寸较大而导致飞机结构质量增加9%或巡航飞行阻力增加13%。
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团队介绍
西北工业大学发动机总体设计团队隶属于西工大动力与能源学院，团队现有教授1人、副教授1人、博士生10人、硕士生14人。团队研究领域为深冷组合循环发动机、涡轮发动机、超燃冲压发动机、高超声速组合动力、新概念飞行器动力总体性能及综合设计。先后主持科研项目60多项，涉及多种型号的涡喷、涡扇、涡轴、涡桨发动机性能设计、控制规律设计及总体综合设计，高超声速动力方案设计及多种飞行器/发动机一体化设计。经过20多年的持续跟踪研究，形成了一批具有独创性的研究成果，包括：用于涡轮发动机过渡态控制规律设计的功率提取法、用于变循环发动机控制规律设计的逆算法、基于集总参数的超燃冲压发动机总体性能建模方法、以进发匹配为核心的飞/发一体化设计方法、基于工质驱动的分布式推进系统等。
团队以攻克国内航空发动机核心关键技术为目标，不断开拓创新，旨在打造强大“中国心”。以上研究内容并非独立，飞行器、组合动力、一体化设计等设计工作相互关联、相互制约。团队经过长期大量的科研开发、工程设计经历，达到了上述的研究内容的深度耦合设计能力，形成多领域协同优化技术，在本项目研究方面具有领先水平和独特优势。
