Details

Данная работа посвящена комплексному исследованию и многокритериальной параметрической оптимизации систем гибридной силовой установки ГСУ-500. Предметом исследования выступает влияние геометрических параметров каналов охлаждения статора и ротора, а также гидродинамических характеристик контура на температурные режимы элементов ГСУ в условиях выполнения полного полетного цикла. Целью работы является повышение термодинамической эффективности и снижение массогабаритных характеристик системы охлаждения ГСУ путем многокритериальной параметрической оптимизации топологии каналов по критериям минимизации геометрических размеров и температурных пиков при строгом соблюдении эксплуатационных ограничений. В рамках работы разработана универсальная компьютерная модель установки в мультифизической среде MATLAB Simulink (Simscape). Созданная имитационная модель объединяет в едином вычислительном контуре нелинейную газодинамику маршевого двигателя ВК-650В с адаптивной системой управления, алгоритмы векторного управления высокоскоростным генератором и совмещенный контур охлаждения на базе авиационного керосина. Методологической основой исследования послужило сквозное имитационное моделирование с применением инструмента Response Optimizer и высокоэффективных градиентных методов (последовательное квадратичное программирование и метод внутренней точки) для решения задач условной нелинейной оптимизации. В результате оптимизации удалось успешно разрешить внутреннее противоречие между критериями минимизации общих габаритов геометрии охлаждающих каналов и максимизации толщины несущей стенки. Найденные параметры для четырех конфигураций (статоров и роторов электродвигателя и генератора) гарантируют стабильное функционирование на установленных режимах полетного цикла, не нарушая тепловых ограничений изоляции и исключая гидравлическую перегрузку контура. Разработанная методика сквозного проектирования может быть эффективно интегрирована в конструкторские циклы для прецизионной тепловой отстройки перспективных гибридных силовых установок на самых ранних этапах разработки в условиях ограниченного объема исходных данных. Полученные результаты подтверждают адекватность созданной модели и формируют обоснованную базу для дальнейшей разработки эскизных проектов высокооборотных электрических машин.

This graduation project is dedicated to a comprehensive study and multi-criteria parametric optimization of the systems within the HPT-500 hybrid powertrain. The subject of the research is the influence of the geometric parameters of the stator and rotor cooling channels, as well as the hydrodynamic characteristics of the cooling loop, on the thermal behavior of the powertrain elements throughout a complete flight cycle. The aim of the work is to enhance thermodynamic efficiency and reduce the overall dimensions and weight of the powertrains cooling system. This is achieved through multi-criteria parametric optimization of the channel topology, targeting the minimization of geometric sizes and peak temperatures while strictly adhering to operational constraints. As part of the project, a universal computer-aided model of the powertrain was developed in the MATLAB Simulink (Simscape) multiphysics environment. The resulting simulation model integrates the non-linear gas dynamics of the VK-650V core engine featuring an adaptive control system, vector control algorithms for a high-speed generator, and a combined cooling loop utilizing aviation kerosene into a single computational framework. The methodological framework of the research relies on end-to-end simulation using the Response Optimizer tool alongside highly efficient gradient-based methods (Sequential Quadratic Programming and the Interior Point Method) to solve constrained non-linear optimization problems. Through the optimization process, the inherent trade-off between minimizing the overall dimensions of the cooling channel geometry and maximizing the structural wall thickness was successfully resolved. The optimized parameters obtained for the four main configurations (stators and rotors of both the electric motor and the generator) guarantee stable operation across all designated flight cycle modes, ensuring that the thermal constraints of the insulation are never violated and preventing hydraulic overloading of the cooling loop. The developed end-to-end design methodology can be effectively integrated into engineering workflows for the high-precision thermal tuning of next-generation hybrid powertrains during the earliest stages of development when baseline data is limited. The findings confirm the validity of the developed model and establish a solid foundation for the subsequent engineering and detailing of high-speed electrical machines.

• ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
  • 1.1. Основные конструктивные особенности ГСУ и ограничения
  • 1.2. Применяемые электротехнологии
  • 1.3. Выбор АКБ
  • 1.4. Активное охлаждение элементов системы
  • 1.5. Эксплуатация существующих образцов
  • 1.6. Система требований к модели объекта
  • 1.3. Анализ существующих методов оптимизации и подходы к обеспечению выполнения заданных режимов
  • 1.4. Выводы по главе 1
• ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ БАЗОВОЙ СТРУКТУРЫ ГТУ
  • 2.1. Выбор программного обеспечения для моделирования
  • 2.2. Газовая часть системы
  • 2.3. Механическая часть системы
  • 2.4. Тепловая часть системы
  • 2.5. Контроллер
  • 2.6. Настройка параметров модели
  • 2.7. Выводы по главе 2
• ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
  • 3.1. Параметризация электрических машин
  • 3.2. Моделирование систем генератора и аккумулятора
  • 3.3. Моделирование систем приводов воздушных винтов
  • 3.4. Конфигурации схемы и проверка функционирования​
  • 3.5. Выводы по главе 3
• ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
  • 4.1 Параметризация элементов системы
  • 4.3. Выводы по главе 4
• ГЛАВА 5. ЗАДАЧА ОПТИМИЗАЦИИ
  • 5.1 Параметризация топологии каналов
  • 5.3 Выбор метода оптимизации и настройка параметров решателя
  • 5.4 Анализ результатов
  • 5.5. Выводы по главе 5
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ 1
• ПРИЛОЖЕНИЕ 2
• ПРИЛОЖЕНИЕ 3
• ПРИЛОЖЕНИЕ 4
• ПРИЛОЖЕНИЕ 5