一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法

1.本发明涉及航空发动机燃滑油系统热管理及燃油控制策略领域，尤其涉及一种多(全)电航空发动机电动燃油泵的供油策略寻优方法。


背景技术：

2.在航空发动机热管理系统中，燃油作为热沉给航空发动机滑油散热是一种重要的手段，随着发动机性能的提升，燃油面临的散热压力逐步增大，为解决这一问题往往需要增大燃油流量，大量的热燃油换热后回到发动机油箱又增加了发动机的热负荷，影响发动机性能。因此寻找到最优的燃油供油量使换热后的燃油回油量最少可有效提升发动机性能，提升燃油系统经济性。
3.从燃油经济性角度看，目前航空发动机燃滑油热管理中认为的，发动机在各工况下喷嘴前温度不超过结焦限制值且回油功率低于限制值时，即满足燃滑油热管理要求，并不是一个最优方案。对于燃滑油系统的热管理效能评价方法还有待进一步研究，需要建立基于热管理效能的燃油经济性评价体系。降低燃油消耗率是未来航空发动机燃油系统及控制规律研究的首要因素，除燃烧室耗油量外，热管理能力对燃油消耗率也有着巨大的影响，高效的热管理体系能够有效降低滑油温度、减少燃油热回油流量，提升发动机燃油系统效率，从而减轻发动机重量，提升发动机性能。
4.齿轮泵作为一种定量泵，其排量与转速有关，在传统航空发动机燃油系统中，齿轮泵通过附件机匣从发动机转子上提取轴功率，转速与发动机转速直接关联，燃油系统的油量调节需要通过燃油计量活门的开度进行调节。在对燃油泵进行设计时，要按照发动机较低转速下的燃油供油量进行设计，才能保证发动机在启动或地面怠速状态下有足够的燃油供应能力，这就导致了在高海拔高转速的情况下，燃油泵排出的燃油流量会远高于发动机燃烧所需流量，当燃油泵提供的燃油流量远大于发动机所需流量时必须通过增加回油流路使多余燃油重新回到油箱，这就导致了大量的高压热油回到油箱，进而带来的后果是消耗大量功率以及燃油和燃油计量装置温度升高，是一种极大的资源浪费。
5.随着多(全)电发动机的出现，电力驱动装置取代了传统的纯机械装置驱动的次级功率系统，燃油系统中的电动燃油泵由独立电机及控制器驱动，燃油供油量不再受到发动机转速的制约，可以根据实际需要的燃油流量实时调节驱动电机转速，不仅可以简化燃油系统中的附件，也可以做到减少回油甚至无需回油，增强了可靠性。全权限数字电子控制(fadec)计算出燃油系统需要的供油流量反馈给电机控制器，电机控制器要求控制泵的转速，以排出精确的燃油流量。这种新形式的多电发动机燃油系统与传统发动机燃油系统相比，在等效工况的条件下，发动机消耗的能量显著减少。


技术实现要素：

6.鉴于此，拟发明一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，本发明的目的在于提供一种用于航空发动机燃油系统电动燃油泵的最优供油量计算方法，通
过对燃油系统热管理效能的评价计算出发动机每一工况点最优的供油量反馈至发动机电子控制器进行燃油量的调控。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，所述方法由燃滑油系统热管理效能评价指标和供油量寻优过程组成，此外还包含待优化的发动机相应试车数据。
8.优选的，燃滑油系统热管理效能评价指标以发动机燃油系统各功能为基准，综合考虑燃油作为热沉的热管理要求；
9.优选的，供油量寻优过程包括对发动机数据的处理、优化算法的实现以及优化目标的输出。
10.所述燃滑油系统热管理指在航空发动机运行时滑油系统产生的热量全部由燃油经过燃滑油散热器换热带走，换热后的滑油满足正常工作要求重新在发动机内部循环，燃油一部分进入燃烧室燃烧，剩余的燃油重新回到燃油箱。
11.所述燃滑油系统热管理效能评价指标包括燃烧室燃油消耗量、进入燃烧室燃油温度、燃油作为热沉的散热量以及燃油的回油量。
12.所述热管理评价效能指标由发动机现有试车数据分析所得，不同任务工况下燃油系统正常工作要求不同，燃油系统应满足燃烧室耗油需求、温度限制需求、给滑油的散热需求且使燃油系统的回油量最小。
13.所述供油量寻优过程接收各工况点的燃油系统工作限制要求，将其作为优化边界，采用人工蜂群优化算法计算出每个工况点的最优燃油供油量反馈给发动机控制器，发动机控制器根据得到的最优燃油流量指令控制电动燃油泵流量，从而使燃油系统的回油量最小。
14.一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，包括以下几个步骤：
15.步骤一、待优化发动机试车数据处理
16.根据待优化发动机的不同任务工况将发动机状态分为最大、中间、巡航及慢车四个状态，通过对试车数据的拟合得出发动机不同状态下燃烧室耗油量及滑油生热量与发动机高度、马赫数、转速等状态的关系，为优化算法提供基础。
17.步骤二、采用人工蜂群算法进行寻优
18.确定优化问题的目标、约束条件进行寻优。优化目标是最小燃油供油量，约束条件为确立的燃油系统热管理效能评价指标，进行人工蜂群算法进行寻优，需确定人工蜂群算法中的各参数，并进行蜜源的适应度值计算，然后一次进行引领蜂搜索、跟随蜂搜索、侦查蜂搜索等步骤，直至判断满足算法终止条件输出最优解。
19.步骤三、各工况点最优燃油量反馈至发动机控制器
20.分别采用人工蜂群算法计算每一个工况点的最优燃油量，在不同的任务工况下寻优策略寻找的最优燃油供油量，整合成某一飞行包线任务下的燃油系统供油量反馈至发动机控制器，由发动机控制器根据控制策略对燃油流量进行调整，从而使发动机燃油系统在某一任务全包线下的燃油供油量最优，从而减少发动机回油。
21.与现有技术相比，本发明一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，所带来的有益效果为：以发动机燃油系统综合效能评价指标为基础，建立了发动机燃
油系统效能评价模型，考虑了燃油作为热沉的能力，以此为基础实现了发动机燃油系统最小供油流量的寻找，在保证发动机燃油系统各项功能正常运行的情况下减少发动机回油，提升发动机性能，提升燃油经济性。
附图说明
22.图1是根据本发明的一个实施例的基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法示意图。
23.图2是根据本发明的一个实施例的燃滑油热管理结构示意图。
24.图3是根据本发明的一个实施例的人工蜂群寻优过程流程图。
具体实施方式
25.以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
26.如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，所述方法由燃滑油系统热管理效能评价指标和供油量寻优过程组成，此外还包含待优化的发动机相应试车数据。
27.如图2所示是本发明的一个实施例的燃油系统热管理方案简化示意图，将航空发动机燃油系统中对热管理不产生影响的部件进行省略，简化为燃油箱、燃油泵、增压泵、溢流阀、燃滑油换热器、热回油模块以及燃油喷嘴，航空发动机燃油由油箱流出，依次经过增压泵、主燃油泵达到发动机运行需要的流量、压力，然后流经燃滑油换热器与滑油换热，换热后的燃油一部分进入燃烧室燃烧为发动机飞行提供动力，一部分经回油装置返回油箱。
28.所述燃滑油系统热管理效能评价指标包括燃烧室燃油消耗量、进入燃烧室燃油温度、燃油作为热沉的散热量以及燃油的回油量。本发明的具体实施例中燃油进入燃烧室的耗油量及滑油生热量由发动机试车数据得到，燃油进入燃烧室的温度限制值为150℃。
29.所述热管理评价效能指标由待优化的发动机现有试车数据分析所得，不同任务工况下燃油系统正常工作要求不同，燃油系统应满足燃烧室耗油需求、温度限制需求、给滑油的散热需求且使燃油系统的回油量最小。通过试车数据拟合出发动机燃烧室耗油量及滑油系统生热量与发动机不同状态下的发动机转速、高度、马赫数等之间的关系，从而确定优化算法的目标函数式。
30.所述供油量寻优过程以热管理效能评价指标为基础进行寻优，寻优目标为最小燃油供油量，即换热后的热回油量最小。
31.如图2所示是人工蜂群算法对电动燃油泵供油策略寻优的流程图，人工蜂群算法(abc)是一种模拟蜜蜂寻找优良蜜源行为的新兴仿生智能优化算法，具有控制参数少、全局优化性能好、易于实现等优点，该算法直观背景来源于蜂群的采蜜行为，蜜蜂根据各自的分工进行不同的活动，并实现蜂群信息的共享和交流，从而找到问题的最优解，属于群智能算法的一种。在人工蜂群算法中，每次迭代过程都包含三个步骤：(1)引领蜂和蜜源一一对应进行采蜜，并在蜜源附近搜索新蜜源，更新蜜源信息；(2)跟随蜂通过观察引领蜂传递的蜜源信息，选择性的跟随前往收益度更高的蜜源，并在蜜源附近搜索新蜜源，保留较优蜜源；
(3)侦查蜂在蜂巢附近随机搜索新蜜源。使用人工蜂群算法对燃油系统供油量进行寻优，首先确定优化目标为最小燃油供油量，约束条件为燃烧室燃油消耗量、燃油换热量满足滑油生热、换热后燃油温度不超过燃油结焦温度。对寻优过程进行参数进行设置，按照人工蜂群算法流程对每个工况点的燃油供油量进行寻优，并输出计算结果。将各个工况点的最优供油量进行整合输出，可得到发动机该任务包线下的全工况点最优供油量，反馈至发动机控制器，为发动机控制器控制策略设计提供依据。

技术特征：
1.一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，其特征在于，所述方法由燃滑油系统热管理效能评价指标和供油量寻优过程组成，此外还包含待优化的发动机相应试车数据。所述燃滑油系统热管理效能评价指标以发动机燃油系统各功能为基准，综合考虑燃油作为热沉的热管理要求；所述供油量寻优过程包括对发动机数据的处理、优化算法的实现以及优化目标的输出。2.如权利要求1所述的一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，其特征在于，所述燃滑油系统热管理指在航空发动机运行时滑油系统产生的热量全部由燃油经过燃滑油散热器换热带走，换热后的滑油满足正常工作要求重新在发动机内部循环，燃油一部分进入燃烧室燃烧，剩余的燃油重新回到燃油箱。3.如权利要求1所述的一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，其特征在于，所述燃滑油系统热管理效能评价指标包括燃烧室燃油消耗量、进入燃烧室燃油温度、燃油作为热沉的散热量以及燃油的回油量。4.如权利要求2所述的一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，其特征在于，所述热管理评价效能指标由发动机现有试车数据分析所得，不同任务工况下燃油系统正常工作要求不同，燃油系统应满足燃烧室耗油需求、温度限制需求、给滑油的散热需求且使燃油系统的回油量最小。5.如权利要求1所述的一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，其特征在于，所述供油量寻优过程接收各工况点的燃油系统工作限制要求，将其作为优化边界，采用人工蜂群优化算法计算出每个工况点的最优燃油供油量反馈给发动机控制器，发动机控制器根据得到的最优燃油流量指令控制电动燃油泵流量，从而使燃油系统的回油量最小。

技术总结
本发明公开了一种基于燃滑油系统热管理的电动燃油泵供油策略寻优方法，所述方法能够实现多(全)电发动机燃油系统中电动燃油泵供油流量的寻优，进而为发动机控制器燃油流量控制方法设计提供依据；通过该寻优策略能够实现不同工况点的电动燃油泵最优流量输出，进而输出整个飞行任务包线的最优供油流量；该方法充分利用燃油作为热沉并保证燃油系统各功能正常工作，建立燃油系统热管理综合效能评价指标，以效能评价指标为依据通过人工蜂群优化策略计算燃油系统的最优供油量，从而减少发动机内部产生的回油，为发动机燃油系统控制器设计提供依据，进一步提升燃油系统经济性，提高发动机性能。通过本发明能够实现燃油系统最优供油量的寻找。油量的寻找。油量的寻找。


技术研发人员：王淳 张煜华
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/6/28