航空发动机不确定性设计体系探讨

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27099

综述

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

航空发动机不确定性设计体系探讨

郑新前¹^,², 王钧莹²(), 黄维娜³^,⁴, 伏宇¹^,³, 程荣辉⁵, 熊洪洋¹^,⁶

^1.清华大学航空发动机研究院，北京　100084
^2.清华大学车辆与运载学院，北京　100084
^3.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都　610500
^4.中国航发贵阳发动机设计研究所，贵阳　550081
^5.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳　110015
^6.空军装备部，北京　100843

收稿日期:2022-03-02 修回日期:2022-03-16 接受日期:2022-05-26 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-06-08
通讯作者: 王钧莹 E-mail:wang_jy17@163.com
基金资助:
国家科技重大专项(2017-II-0004-0016)

Uncertainty⁃based design system for aeroengines

Xinqian ZHENG¹^,², Junying WANG²(), Weina HUANG³^,⁴, Yu FU¹^,³, Ronghui CHENG⁵, Hongyang XIONG¹^,⁶

^1.Institute for Aero Engine，Tsinghua University，Beijing 　100084，China
^2.School of Vehicle and Mobility，Tsinghua University，Beijing 　100084，China
^3.AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 　610500，China
^4.AECC Guiyang Engine Design Research Institute，Guiyang 　550081，China
^5.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 　110015，China
^6.Department of Air Force Equipment，Beijing 　100843，China

Received:2022-03-02 Revised:2022-03-16 Accepted:2022-05-26 Online:2023-04-15 Published:2022-06-08
Contact: Junying WANG E-mail:wang_jy17@163.com
Supported by:
National Science and Technology Major Project(2017-II-0004-0016)

摘要/Abstract

摘要：

航空发动机全生命周期过程中存在着大量的随机和认知不确定性因素，往往带来研发迭代周期长、制造合格率低、使用维护困难等一系列问题。近年来国内外针对不确定性分析已经开展了一系列研究，但尚未从理论层面系统地提出航空发动机不确定性设计体系。在当前航空发动机确定性设计体系的基础上，结合不确定性分析取得的研究成果，对如何构建航空发动机不确定性设计体系、实现航空发动机设计体系的变革进行了探讨。首先归纳了航空发动机中的不确定性因素及其影响，进而对不确定性设计体系的内涵和必要性进行了探讨。不确定性设计体系以实现研发一次成功为最终目标，在设计的各个阶段对性能分散度进行定量化评估与控制，产生全生命周期内性能、可靠性、鲁棒性和成本等方面综合最优的设计方案。基于这一内涵界定，对不确定性设计体系的流程、方法、平台、规范和组织等各项基本要素逐项进行了分析，提出了不确定性设计体系建设的阶段性展望、预期收益以及各项挑战。

关键词: 航空发动机, 不确定性分析, 鲁棒性设计, 可靠性设计, 设计体系

Abstract:

A significant number of random and epistemic uncertainties exist in the whole life cycle of an aeroengine， causing problems such as a long design iteration cycle， low manufacturing qualification rate， and difficulties in maintenance. Recent years have witnessed a series of research on uncertainty analysis at home and abroad； however， the uncertainty design system of aeroengines has not been proposed systematically at the theoretical level. Based on the current deterministic design system and the results of uncertainty research， this paper discusses the construction of the uncertainty-based design system and realization of the design system reform for aeroengines. The uncertainty factors and their influence on aeroengines are first summarized， followed by discussion of the definition and necessity of the uncertainty-based design system. The ultimate goal of the uncertainty-based design system is to achieve successful research and development with a single iteration. The performance distribution is quantitatively evaluated and controlled at each design stage to produce a comprehensive optimal design scheme in terms of performance， reliability， robustness， and costs in the whole life cycle. Based on this definition， the basic elements of the uncertainty-based design system are analyzed， including the process， method， platform， specification， and organization. Finally， the periodic prospects， expected benefits， and challenges of the uncertainty-based design system are presented.

Key words: aeroengine, uncertainty analysis, robust design, reliability-based design, design system

中图分类号:

V235.1

郑新前, 王钧莹, 黄维娜, 伏宇, 程荣辉, 熊洪洋. 航空发动机不确定性设计体系探讨[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 27099-027099.

Xinqian ZHENG, Junying WANG, Weina HUANG, Yu FU, Ronghui CHENG, Hongyang XIONG. Uncertainty⁃based design system for aeroengines[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 27099-027099.

图/表 13

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

参考文献 69

1	BALLAL D R， ZELINA J. Progress in aeroengine technology （1939-2003）［J］. Journal of Aircraft， 2004， 41（1）： 43-50.
2	WANG J Y， ZHENG X Q. Review of geometric uncertainty quantification in gas turbines［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2020， 142（7）： 070801.
3	ZANG T A， HEMSCH M J， HILBURGER M W， et al. Needs and opportunities for uncertainty-based multidisciplinary design methods for aerospace vehicle： NASA TM 2002-211462［R］. Hampton： NASA Langley Research Center， 2002.
4	ALONSO J J， ELDRED M S， CONSTANTINE P， et al. Scalable environment for quantification of uncertainty and optimization in industrial applications （SEQUOIA）［C］∥ 19th AIAA Non-Deterministic Approaches Conference. Reston： AIAA， 2017.
5	HIRSCH C， WUNSCH D， SZUMBARSKI J， et al. Uncertainty management for robust industrial design in aeronautics［M］. Cham： Springer， 2019：1-50.
6	KARL A， MAY G， BARCOCK C， et al. Robust design： methods and application to real world examples［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2006： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2008： 145-151.
7	BUNKER R S. The effects of manufacturing tolerances on gas turbine cooling［J］. Journal of Turbomachinery， 2009， 131（4）： 041018.
8	ZHANG J Y， TANG H L， CHEN M. Linear substitute model-based uncertainty analysis of complicated non-linear energy system performance （case study of an adaptive cycle engine）［J］. Applied Energy， 2019， 249： 87-108.
9	ZHANG J Y， TANG H L， CHEN M. Robust design methodologies to the adaptive cycle engine system performance： Preliminary analysis［J］. Energy Procedia， 2019， 158： 1521-1529.
10	WANG J Y， HE X， WANG B T， et al. Shapley additive explanations of multigeometrical variable coupling effect in transonic compressor［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2022， 144（4）： 041015.
11	LUO J Q， XIA Z H， LIU F. Robust design optimization considering inlet flow angle variations of a turbine cascade［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 116： 106893.
12	TAN Y Q， ZANG C P， PETROV E P. Mistuning sensitivity and optimization for bladed disks using high-fidelity models［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2019， 124： 502-523.
13	许本胜，臧朝平，缪辉，等. 结构动力鲁棒优化设计方法综述［J］. 工程力学， 2019， 36（4）： 24-36.
	XU B S， ZANG C P， MIAO H， et al. Robust optimization design methods of structural dynamics： a review［J］. Engineering Mechanics， 2019， 36（4）： 24-36 （in Chinese）.
14	KLIR G J， FOLGER T A. Fuzzy sets， uncertainty and information［M］. Upper Saddle River： Prentice Hall， 1987： 1-50.
15	KNIGHT F H. Risk， uncertainty and profit［M］. Boston： Houghton Mifflin Company， 1921：1-50.
16	LI D Y， DU Y. Artificial intelligence with uncertainty［M］. 2nd ed. Boca Raton： CRC Press， 2017：1-50.
17	WALTERS R W， HUYSE L. Uncertainty analysis for fluid mechanics with applications： NASA/CR-2002-211449 ［R］. Hampton： NASA Langley Research Center， 2002.
18	ABERNETHY R B， BENEDICT R P， DOWDELL R B. ASME measurement uncertainty［J］. Journal of Fluids Engineering， 1985， 107（2）： 161-164.
19	YAO W， CHEN X Q， LUO W C， et al. Review of uncertainty-based multidisciplinary design optimization methods for aerospace vehicles［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2011， 47（6）： 450-479.
20	陈小前，姚雯，欧阳琦. 飞行器不确定性多学科设计优化理论与应用［M］. 北京：科学出版社， 2013： 39-157.
	CHEN X Q， YAO W， OUYANG Q. Theory and application of uncertainty-based multidisciplinary design optimization for flight vehicles［M］. Beijing： Science Press， 2013： 39-157 （in Chinese）.
21	AIAA. Guide for the verification and validation of computational fluid dynamics simulations： AIAA G-077-1998 （R2002）［S］. Reston： AIAA， 1998.
22	MONTOMOLI F， CARNEVALE M， D'AMMARO A， et al. Uncertainty quantification in computational fluid dynamics and aircraft engines［M］. Cham： Springer， 2019：1-66.
23	MEHER-HOMJI C B， CHAKER M A， MOTIWALA H M. Gas turbine performance deterioration［C］//Proceedings of the 30th Turbomachinery Symposium. College Station： Turbomachinery Laboratories， Texas A&M University， 2001.
24	SALLEE G. Performance deterioration based on existing （historical） data： NASA-CR-135448［R］. Cleveland： NASA Lewis Research Center， 1978.
25	SCHNELL R， LENGYEL-KAMPMANN T， NICKE E. On the impact of geometric variability on fan aerodynamic performance， unsteady blade row interaction， and its mechanical characteristics［J］. Journal of Turbomachinery， 2014， 136（9）： 091005.
26	ZHENG X Q， YANG H L. Influence of tip clearance on the performance and matching of multistage axial compressors： GT2016-56232［R］. New York： ASME， 2016.
27	DENTON J D. Loss mechanisms in turbomachines［J］. Journal of Turbomachinery， 1993， 115（4）： 621-656.
28	VO H D. Role of tip clearance flow on axial compressor stability［D］. Cambridge： Massachusetts Institute of Technology， 2001.
29	GHENAIET A， TAN S C， ELDER R L. Prediction of an axial turbomachine performance degradation due to sand ingestion［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part A： Journal of Power and Energy， 2005， 219（4）： 273-287.
30	HERGT A， KLINNER J， STEINERT W， et al. The effect of an eroded leading edge on the aerodynamic performance of a transonic fan blade cascade［J］. Journal of Turbomachinery， 2015， 137（2）： 021006.
31	ZAMBONI G， XU L P. Fan root aerodynamics for large bypass gas turbine engines： Influence on the engine performance and 3D design［J］. Journal of Turbomachinery， 2012， 134（6）： 061017.
32	李其汉，王延荣. 航空发动机结构强度设计问题［M］. 上海：上海交通大学出版社， 2014： 401-430.
	LI Q H， WANG Y R. The design problem of aero-engine structure strength［M］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University Press， 2014： 401-430 （in Chinese）.
33	BONS J P. A review of surface roughness effects in gas turbines［J］. Journal of Turbomachinery， 2010， 132（2）： 021004.
34	DEBRUGE L L. The aerodynamic significance of fillet geometry in turbocompressor blade rows［J］. Journal of Engineering for Power， 1980， 102（4）： 984-993.
35	MARSON E. Effect of manufacturing deviations on performance of axial flow compressor blading： 92-GT-326［R］. New Yrok： ASME， 1992.
36	ROBERTS W B. Axial compressor performance restoration by blade profile control： 84-GT-232 ［R］. New York： ASME， 1984.
37	HAMED A， TABAKOFF W C， WENGLARZ R V. Erosion and deposition in turbomachinery［J］. Journal of Propulsion and Power， 2006， 22（2）： 350-360.
38	CASARI N， PINELLI M， SUMAN A， et al. EBFOG： Deposition， erosion， and detachment on high-pressure turbine vanes［J］. Journal of Turbomachinery， 2018， 140（6）： 061001.
39	MONTOMOLI F， MASSINI M， SALVADORI S. Geometrical uncertainty in turbomachinery： Tip gap and fillet radius［J］. Computers & Fluids， 2011， 46（1）： 362-368.
40	BOYNTON J L， TABIBZADEH R， HUDSON S T. Investigation of rotor blade roughness effects on turbine performance［J］. Journal of Turbomachinery， 1993， 115（3）： 614-620.
41	JOVANOVIĆ M B， DE LANGE H C， VAN STEENHOVEN A A. Effect of hole imperfection on adiabatic film cooling effectiveness［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2008， 29（2）： 377-386.
42	SCHROEDER R P， THOLE K A. Effect of in-hole roughness on film cooling from a shaped hole［J］. Journal of Turbomachinery， 2017， 139（3）： 031004.
43	BOGARD D G， THOLE K A. Gas turbine film cooling［J］. Journal of Propulsion and Power， 2006， 22（2）： 249-270.
44	STIMPSON C K， SNYDER J C， THOLE K A， et al. Scaling roughness effects on pressure loss and heat transfer of additively manufactured channels［J］. Journal of Turbomachinery， 2017， 139（2）： 021003.
45	WHITEHEAD D S. Effect of mistuning on the vibration of turbo-machine blades induced by wakes［J］. Journal of Mechanical Engineering Science， 1966， 8（1）： 15-21.
46	GAMANNOSSI A， AMERINI A， POGGIALI M， et al. Uncertainty quantification of an aeronautical combustor using a 1-D approach［J］. AIP Conference Proceedings， 2019， 2191（1）： 020083.
47	RUDEY R A， ANTL R J. The Effect of inlet tempera-ture distortion on the performance of a turbo-fan en-gine compressor system［C］∥ 6th Propulsion Joint Specialist Conference. Reston： AIAA， 1970.
48	HAH C， RABE D C， SULLIVAN T J， et al. Effects of inlet distortion on the flow field in a transonic compressor rotor［J］. Journal of Turbomachinery， 1998， 120（2）： 233-246.
49	BOWDITCH D， COLTRIN R. A survey of inlet/engine distortion compatibility［C］// 19th Joint Propulsion Conference. Reston： AIAA， 1983.
50	BEARD P F， SMITH A， POVEY T. Impact of severe temperature distortion on turbine efficiency［J］. Journal of Turbomachinery， 2013， 135（1）： 011018.
51	MEHENDALE A B， EKKAD S V， HAN J C. Mainstream turbulence effect on film effectiveness and heat transfer coefficient of a gas turbine blade with air and CO₂ film injection［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 1994， 37（17）： 2707-2714.
52	WUNSCH D， HIRSCH C， NIGRO R， et al. Quantification of combined operational and geometrical uncertainties in turbo-machinery design： GT2015-43399 ［R］. New York： ASME， 2015.
53	CHU J， LUCKRING J. Experimental surface pressure data obtained on 65 deg delta wing across Reynolds number and Mach number ranges： NASA-TM-4645［R］. Hampton： NASA Langley Research Center， 1996.
54	刘永泉，梁彩云，施磊，等. 航空燃气轮机总体设计［M］. 北京：科学出版社， 2021： 22-30.
	LIU Y Q， LIANG C Y， SHI L， et al. Overall design of aircraft gas turbine engines ［M］. Beijing： Science Press， 2021： 22-30 （in Chinese）.
55	SMITH C F， LAPP B， GLAVICIC M. Uncertainty quantification of material mechanical properties using surrogate models［C］∥ 17th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference. Reston： AIAA， 2016.
56	程荣辉. 轴流压气机设计技术的发展［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2004， 17（2）： 1-8.
	CHENG R H. Development of design technology for axial compressor［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2004， 17（2）： 1-8 （in Chinese）.
57	KOCH C C， SMITH L H. Loss sources and magnitudes in axial-flow compressors［J］. Journal of Engineering for Power， 1976， 98（3）： 411-424.
58	ÇETIN M， UECER A S， HIRSCH C. Application of modified loss and deviation correlations to transonic axial compressors： AGARD R-745［R］. Paris： AGARD， 1987.
59	WEI N. Significance of loss models in aerothermodynamic simulation for axial turbines［D］. Stockholm： Royal Institute of Technology， 2000.
60	POTI N D， RABE D C. Verification of compressor data accuracy by uncertainty analysis and testing methods［J］. Journal of Turbomachinery， 1988， 110（2）： 265-269.
61	AUTE V， MARTIN C. A comprehensive evaluation of regression uncertainty and the effect of sample size on the AHRI-540 method of compressor performance representation［C］∥Proceedings of the Twenty-Third International Compressor Engineering Conference at Purdue， 2016：1-9.
62	STILES R J. An example of uncertainty analysis in compressor testing： USAFA-TR-83-2［R］. Colorado Springs： Air Force Academy， 1983.
63	REAGAN M T， NAJM H N， GHANEM R G， et al. Uncertainty quantification in reacting-flow simulations through non-intrusive spectral projection［J］. Combustion and Flame， 2003， 132（3）： 545-555.
64	DENTON J D. Some limitations of turbomachinery CFD： GT2010-22540［R］. New York： ASME， 2010.
65	王永明，卫刚，兰发祥，等. 航空发动机设计体系的建设与发展［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2007， 20（3）： 1-7.
	WANG Y M， WEI G， LAN F X， et al. Constructing and developing of aeroengine design system［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2007， 20（3）： 1-7 （in Chinese）.
66	罗佳奇，陈泽帅，曾先. 考虑几何设计参数不确定性影响的涡轮叶栅稳健性气动设计优化［J］. 航空学报， 2020， 41（10）： 123826.
	LUO J Q， CHEN Z S， ZENG X. Robust aerodynamic design optimization of turbine cascades considering uncertainty of geometric design parameters［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（10）： 123826.
67	GABREL V， MURAT C， THIELE A. Recent advances in robust optimization： An overview［J］. European Journal of Operational Research， 2014， 235（3）：471-483.
68	ZHU D， ZHOU J， LIU C， et al. A short review of reliability-based design optimization［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2021， 1043（3）：032041.
69	刘永泉，黎旭，任文成，等. 数字孪生助力航空发动机跨越发展［J］. 航空动力， 2021（2）：24-29.
	LIU Y Q， LI X， REN W C， et al. Digital twin boosting leap-forward development of aero engine［J］. Aerospace Power， 2021（2）： 24-29 （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

[1]	万能, 庄其鑫, 郭彦亨, 常智勇, 王道. 拟合精度约束下航发叶片在机测量采样策略[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 427151-427151.
[2]	李智豪, 张彪, 李健, 许传龙, 宋兆龙. 预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126480-126480.
[3]	刘佳奇, 冯蕴雯, 路成, 薛小锋, 潘维煌. 基于智能神经网络的航空发动机运行安全分析[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625375-625375.
[4]	张烁, 刘治汶. 航空发动机轴承故障结构化贝叶斯稀疏表示[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625056-625056.
[5]	牛广越, 段发阶, 周琦, 刘志博. 基于微波相位差测距的叶尖间隙动态测量方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625396-625396.
[6]	张忠强, 张新, 王家序, 刘治汶. 基于重加权谱峭度方法的航空发动机故障诊断[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625445-625445.
[7]	杨晓伟, 葛曜文, 邓文翔, 姚建勇, 周宁. 航空发动机导叶控制机构作动筒主动容错控制[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625464-625464.
[8]	韩淞宇, 邵海东, 姜洪开, 张笑阳. 基于提升卷积神经网络的航空发动机高速轴承智能故障诊断[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625479-625479.
[9]	杜建建, 潘贤德, 刘天一. 航空发动机角接触球轴承轴向力间接测量方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625457-625457.
[10]	曹明, 王鹏, 左洪福, 曾海军, 孙见忠, 杨卫东, 魏芳, 陈雪峰. 民用航空发动机故障诊断与健康管理现状、挑战与机遇Ⅱ: 地面综合诊断、寿命管理和智能维护维修决策[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625574-625574.
[11]	段发阶, 牛广越, 周琦, 傅骁, 蒋佳佳. 航空发动机叶尖间隙在线测量技术研究综述[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 626014-626014.
[12]	郑覃, 杨小贺, 叶俊, 冯锦璋. 内涵工况对风扇增压级双涵匹配的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 125477-125477.
[13]	李定骏, 杨镠育, 孙帆, 江鹏, 陈艺文, 王铁军. 预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526184-526184.
[14]	汪博, 高培鑫, 马辉, 孙伟, 林君哲, 李晖, 韩清凯, 刘中华. 航空发动机管路系统动力学特性综述[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 25332-025332.
[15]	靳玉林, 刘治汶, 陈予恕. 航空发动机双转子系统叶片-机匣碰摩故障模拟[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 425072-425072.

航空发动机不确定性设计体系探讨

Uncertainty⁃based design system for aeroengines

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 69

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价