Ushbu tadqiqot gaz turbinali dvigatellarning arxitekturasi, termodinamik ish sharoitlari va umumiy og‘irligini bitta matematik masala doirasida birgalikda optimallashtiradi. Tadqiqotchilar oraliq sovitgich, issiqlikni qayta tiklash tizimi, aylanuvchi detonatsiyali qayta qizdirish bo‘limi va uchinchi oqim kanali kabi ixtiyoriy komponentlarni ikkilik qaror o‘zgaruvchilari bilan ifodalovchi aralash butun sonli nochiziqli dasturlash modelini ishlab chiqqan. Model 10, 30 va 50 kN kruiz tortish kuchi sinflarida global samaradorlik bilan quvvat tizimi og‘irligi o‘rtasidagi muvozanatni Pareto frontlari orqali o‘rgangan. Taklif etilgan yangi dvigatel arxitekturalari 30 va 50 kN sinflarida optimallashtirilgan an’anaviy dvigatellarga nisbatan taxminan %15 yuqoriroq global samaradorlik va %18-22 pastroq og‘irlik bergan. Biroq topilmalar peer-reviewdan o‘tmagan, kruiz dizayn nuqtasiga qaratilgan va haqiqiy dvigatel yoki parvoz tajribasini o‘z ichiga olmaydigan dastlabki dizayn modeliga asoslangan.

Tadqiqotning ikkinchi hissasi fizik jihatdan imkonsiz yoki samarasiz arxitektura tarmoqlarini erta bosqichda chiqarib tashlaydigan Ko‘p Boshlang‘ichli Fizikadan Xabardor Tarmoq va Chegara algoritmidir (Multi-Start Physics-Acquainted Branch and Bound, MS-PABnB). To‘liq faktorial namunalash, AdaBoost fizibilitet klassifikatori, LSBoost harorat bashorati va yoqilg‘i-havo nisbatini aniqlash bosqichlaridan birgalikda foydalanish yaroqli boshlang‘ich nuqtalar ulushini %5,83 dan %88,6 gacha oshirgan. MS-PABnB ayni yechim muhitidagi an’anaviy Branch and Bound yondashuviga qaraganda umuman kamroq tugunni ko‘rib chiqqan, kamroq boshlang‘ich nuqtaga ehtiyoj sezgan va yaxshiroq masshtablangan maqsad funksiyasi qiymatlarini bergan.

Tanlangan kruiz missiyalarida model 30 va 50 kN sinflari uchun referens dvigatellarga nisbatan yoqilg‘i sarfi va karbonat angidrid emissiyasida taxminan %28 gacha kamayishni hisoblagan. Ammo bu natijalar bevosita o‘lchangan parvoz natijalari emas. Missiya hisobi referens dvigatellarning tortish profillari, hisoblangan maxsus yoqilg‘i sarflari va empirik emissiya munosabatlari yordamida bajarilgan. Ayniqsa 10 kN dizaynida yoqilg‘i sarfi kamayganiga qaramay, azot oksidi emissiyasi referens dvigatelga nisbatan %86,86 yuqoriroq hisoblangan.

Tadqiqotning asosiy savoli nima?

Tadqiqotning asosiy savoli samolyot gaz turbinali dvigatelida faqat bosim nisbati, havo oqimi yoki yonish harorati kabi uzluksiz ish o‘zgaruvchilarini emas, balki dvigatel qaysi komponentlardan tashkil topishini ham bir vaqtning o‘zida optimallashtirish mumkinmi, degan masaladir. An’anaviy dizayn yondashuvida dvigatel arxitekturasi odatda oldindan belgilanadi; keyin shu sobit arxitektura ichidagi termodinamik o‘zgaruvchilar sozlanadi. Bunday ketma-ketlik boshidanoq tanlanmagan komponent kombinatsiyalarining baholashdan tashqarida qolishiga olib keladi.

Tadqiqot bu cheklovni komponent o‘rnatishlarini nol yoki bir qiymatini oladigan ikkilik o‘zgaruvchilar bilan ta’riflash orqali yengishni maqsad qiladi. Shunday qilib optimallashtirish faqat “Bu dvigatel qaysi bosim nisbatida ishlashi kerak?” savolini emas, “Oraliq sovitgich o‘rnatilsinmi?”, “Issiqlik qayta tiklash ishlatilsinmi?”, “Yadro oqimining bir qismi aylanuvchi detonatsiya kamerasida qayta qizdirilsinmi?” va “Uchinchi havo oqimi bo‘lsinmi?” savollarini ham hal qiladi.

Tadqiqot nega muhim?

Dvigatel samaradorligini oshiradigan har bir komponent parvoz paytida sof foyda bermaydi. Issiqlik almashtirgich chiqindi gaz energiyasining bir qismini qayta tiklashi mumkin; biroq almashtirgichning og‘irligi va yuzaga keltiradigan bosim yo‘qotishi bu foydani kamaytirishi mumkin. Kattaroq fan tortish samaradorligini oshirishi mumkin; ammo fan diametri dvigatel qoplamasi, uzatma tizimi, og‘irlik va havo kemasi integratsiyasi bo‘yicha yangi cheklovlar tug‘diradi. Shu sabab faqat termodinamik samaradorligi eng yuqori sikl samolyot nuqtai nazaridan eng maqbul dvigatel bo‘lishi shart emas.

Tadqiqotchilar bu ziddiyatni ikki maqsadni bir vaqtning o‘zida baholash orqali ko‘rib chiqadi:

• Global dvigatel samaradorligini imkon qadar oshirish,
• Fan, kompressorlar, yonish kamerasi, turbinalar, issiqlik almashtirgichlar, aralashtirish kamerasi, konstruktiv elementlar va yordamchi tizimlarni o‘z ichiga olgan jami quvvat tizimi og‘irligini imkon qadar kamaytirish.

Bu yondashuv bitta “eng yaxshi dvigatel” o‘rniga samaradorlik oshishi evaziga qancha og‘irlik qabul qilinishini ko‘rsatadigan Pareto frontini hosil qiladi. Pareto frontidagi har bir nuqta bir maqsadni yanada yaxshilash ikkinchi maqsadda yo‘qotish keltirib chiqaradigan dizaynni ifodalaydi.

Taklif etilgan dvigatel arxitekturasi qanday ishlaydi?

Tadqiqotdagi dvigatel oqim sxemasi klassik ikki valli turbofan tuzilmasini to‘rtta ixtiyoriy element bilan kengaytiradi:

• Oraliq sovitgich: Past bosim va yuqori bosim kompressorlari orasidagi havoni sovitib, keyingi siqish ishiga ta’sir qiladi.
• Issiqlikni qayta tiklash tizimi: Yadro chiqindisidagi issiqlikning bir qismini sovuqroq oqimga uzatishni ta’minlaydi.
• Aylanuvchi detonatsiyali yonish bo‘limi: Yuqori bosim turbinasidan keyingi yadro oqimining ma’lum qismini qayta qizdirib, bosim orttiruvchi yonishni taxminiy ifodalaydi.
• Uchinchi oqim kanali: Fandan keyin ajratilgan havoning bir qismini issiqlik almashtirgichlardan o‘tkazib, ikkilamchi oqim bilan qayta birlashtiradi.

Dvigatel sxemasida asosiy yadro oqimi, fan oqimi va uchinchi oqim alohida yo‘llar bilan ko‘rsatilgan. Past bosim kompressori va yuqori bosim kompressori sonli jihatdan to‘rtta virtual bo‘limga ajratilgan. Bu virtual bo‘limlar haqiqiy kompressor bosqichlari emas; gaz xususiyatlarini bosqichma-bosqich yangilash va turbina sovitish havosining qaysi kompressor nuqtasidan olinishini tanlash uchun ishlatiladigan hisoblash tugunlaridir.

Aylanuvchi detonatsiya bo‘limi faol bo‘lganda yadro oqimining hammasi emas, optimallashtirish aniqlagan bir qismi qayta qizdiriladi. Qayta qizdirilgan oqim bosim tebranishlarini tartibga solish maqsadida aralashtirish kamerasidan o‘tkaziladi va past bosim turbina bo‘limlariga yo‘naltiriladi. Model ayni paytda turbina sovitishi zarurmi-yo‘qmi va sovitish havosi yuqori bosim kompressorining qaysi virtual bosqichidan olinishi kerakligini ham aniqlaydi.

Matematik modelning asosiy tuzilishi qanday?

Model o‘zaro qattiq bog‘langan ikki quyi tizimdan iborat. Termodinamik modul har bir stansiyadagi massa, energiya va impuls balanslarini yechib, tortish kuchi, haroratlar, bosimlar, oqim tezliklari va samaradorliklarni hisoblaydi. Og‘irlik moduli esa hosil bo‘lgan oqim, diametr, bosqichlar soni, sirt maydoni va material parametrlaridan komponent og‘irliklarini baholaydi. Ikki modul ketma-ket emas, ayni optimallashtirish masalasi ichida bir vaqtda yechiladi.

Dvigatel stansiyasidagi massa oqimining umumiy ko‘rinishi quyidagi munosabat bilan beriladi:

\[ \dot{m}_s = \dot{m}_{\pi}\left(FM_s-\sum_{i\in\mathcal{I}}\sum_{s'\in\mathcal{X}_s}SB_{s',i}+\sum_{i\in\mathcal{I}_s}GB_i+\sum_{c\in\mathcal{Z}_s}FAR_c\right)RF_s \]

Bu yerda \(\dot{m}_s\) tegishli dvigatel stansiyasidagi massa oqimini; \(\dot{m}_{\pi}\) yadro havo oqimini; \(FM_s\) yadro, bypass yoki uchinchi oqimga bog‘liq oqim ko‘paytirgichini; \(SB_{s',i}\) kompressordan olinadigan sovitish havosini; \(GB_i\) turbinaga qayta beriladigan sovitish havosini; \(FAR_c\) yoqilg‘i-havo nisbatini va \(RF_s\) qayta qizdirilgan oqim nisbatini ifodalaydi. Tenglama dvigatel bo‘ylab havo olinishi, yoqilg‘i qo‘shilishi va sovitish oqimining qayta qo‘shilishi sabab oqim doimiy qolmasligini bildiradi.

Ketma-ket dvigatel stansiyalari orasidagi umumiy harorat va umumiy bosim o‘zgarishlari ikki umumiy nisbat bilan ta’riflanadi:

\[ T_{0s}=T_{0s'}TR_{c,s'} \]

\[ P_{0s}=P_{0s'}PR_{c,s'} \]

\(TR\) komponentning harorat nisbatini; \(PR\) bosim nisbatini ko‘rsatadi. Kompressor, turbina, yonish kamerasi, issiqlik almashtirgich, kanal yoki aralashish jarayoni uchun mos fizik tenglama shu ikki nisbatga bog‘lanadi. Shu tariqa butun dvigatel stansiyadan stansiyaga kuzatiladigan yagona tuzilishda modellashtiriladi.

Aylanuvchi detonatsiyali qayta qizdirish qanday modellashtirilgan?

Aylanuvchi detonatsiya kamerasining bosim ortishi ideallashtirilgan doimiy hajmli issiqlik qo‘shish jarayoniga o‘xshatilgan. Ishlatilgan asosiy bosim nisbati quyidagicha:

\[ PR_{RDC,\pi42}=\frac{T^{CV}_{0\pi43}}{T_{0\pi42}}\left(\frac{T_{0\pi43}}{T^{CV}_{0\pi43}}\right)^{\frac{\gamma_{\pi43}}{\gamma_{\pi43}-1}} \]

\(PR_{RDC,\pi42}\) aylanuvchi detonatsiya kamerasining taxminiy bosim nisbatini; \(T_{0\pi42}\) kamera kirishidagi umumiy haroratni; \(T_{0\pi43}\) haqiqiy chiqish umumiy haroratini; \(T^{CV}_{0\pi43}\) ekvivalent doimiy hajmli jarayon haroratini va \(\gamma\) maxsus issiqlik nisbatini ifodalaydi. Model haqiqiy detonatsiya to‘lqinlarini vaqtga bog‘liq uch o‘lchamli oqim yechimi bilan hisoblamaydi. Buning o‘rniga detonatsiyali yonishning sikl darajasidagi ehtimoliy bosim va harorat ta’sirini taxminiy termodinamik munosabat bilan ifodalaydi.

Sof tortish kuchi va dvigatel samaradorligi qanday hisoblangan?

Sof tortish kuchi yadro va ikkilamchi soplolardagi impuls o‘zgarishlari hamda soplo chiqish bosimlarining atrof-muhit bosimidan farqi hosil qiladigan bosim tortishining yig‘indisidir:

\[ F_{Net}=\dot{m}_{\pi}\left[V_{\pi9}\left(1+\sum_{c\in\mathcal{Z}}FAR_c\right)-V_{\infty}\right]+A_{\pi9}(P_{\pi9}-P_{\infty})+\dot{m}_{\pi}(\beta+\sigma)(V_{\beta9}-V_{\infty})+A_{\beta9}(P_{\beta9}-P_{\infty}) \]

\(V_{\pi9}\) va \(V_{\beta9}\) yadro va ikkilamchi soplo chiqish tezliklarini; \(V_{\infty}\) parvoz tezligini; \(\beta\) bypass nisbatini; \(\sigma\) uchinchi oqim nisbatini; \(A\) soplo chiqish maydonini va \(P\) bosimlarni ko‘rsatadi. Optimallashtirishda sof tortish kuchi maqsad qilingan 10, 30 yoki 50 kN qiymatiga taxminan \(10^{-12}\) tartibidagi tolerantlik bilan tenglashtiriladi.

Global samaradorlik samolyotga uzatiladigan foydali tortish quvvatining yoqilg‘i orqali berilgan energiyaga nisbatidir:

\[ \eta_{glob}=\frac{F_{Net}V_{\infty}}{HV\dot{m}_{\pi}\sum_{c\in\mathcal{Z}}FAR_c}=\eta_{th}\eta_{prop} \]

\(\eta_{glob}\) global samaradorlikni; \(HV\) yoqilg‘ining quyi issiqlik qiymatini; \(\eta_{th}\) issiqlik samaradorligini va \(\eta_{prop}\) tortish samaradorligini ifodalaydi. Tadqiqotda Jet-A1 ga o‘xshash yoqilg‘i uchun issiqlik qiymati \(44\times10^6\) J/kg deb olingan. Tenglik yoqilg‘i energiyasi avval termodinamik siklda mexanik va reaktiv oqim energiyasiga, keyin esa shu oqim energiyasi foydali tortishga aylantirilishini bildiradi.

Og‘irlik modeli nimalarni qamrab oladi?

Jami quvvat tizimi og‘irligi quyidagicha birlashtirilgan:

\[ W_{PwP}=W_{add}+W_{struct}+\sum_{c\in\mathcal{C}}W_c \]

\(W_c\) alohida dvigatel komponentlarining og‘irligini; \(W_{struct}\) konstruktiv og‘irlikni; \(W_{add}\) kabellar, biriktiruvchi elementlar va bevosita modellashtirilmagan yordamchi tizimlarni ifodalaydi. Fan, kompressor, yonish kamerasi va turbina og‘irliklari diametr, oqim, o‘q bo‘ylab tezlik, bosqichlar soni va dvigatel quvvati kabi o‘zgaruvchilardan keltirib chiqarilgan.

Issiqlik almashtirgich og‘irligi sirt maydoniga bog‘liq holda hisoblangan:

\[ W_c=2K_{hex}S_c\lambda_c \]

\(K_{hex}=3,6\) kg/m² issiqlik almashtirgich yadrosining yuza zichligini; \(S_c\) issiqlik almashtirgich maydonini; \(\lambda_c\) issiqlik almashtirgich o‘rnatilgan-o‘rnatilmaganini ko‘rsatuvchi ikkilik o‘zgaruvchini ifodalaydi. Ikki koeffitsiyenti qopqoq, kanal va ulash quvurlari issiqlik almashtirgich yadrosiga taxminan teng qo‘shimcha massa hosil qiladi degan farazdan keladi.

Aylanuvchi detonatsiya kamerasining og‘irligi esa qayta qizdirilgan oqim nisbati orqali asosiy yonish kamerasi og‘irligini chiziqli masshtablash asosida baholangan:

\[ W_{RDC}=\chi W_{CC} \]

\(\chi\) qayta qizdirilgan yadro oqimi nisbatini; \(W_{CC}\) asosiy yonish kamerasining taxminiy og‘irligini ko‘rsatadi. Bu sodda munosabat yetuk aylanuvchi detonatsiya dvigateli og‘irlik ma’lumotlar bazasi mavjud bo‘lmagani uchun ishlatilgan dastlabki dizayn farazidir va natijalarning muhim noaniqliklaridan biridir.

Samaradorlik bilan og‘irlik o‘rtasidagi muvozanat qanday o‘rnatilgan?

Samaradorlik va og‘irlik turli birliklar va sonli masshtablarga ega bo‘lgani uchun avval bir maqsadli optimallashtirishlar bilan ikki referens qiymat aniqlangan: erishish mumkin bo‘lgan eng yuqori global samaradorlik va erishish mumkin bo‘lgan eng past quvvat tizimi og‘irligi. Keyin ikki maqsad normallashtirilgan:

\[ \Theta_{Eff}=\frac{\eta^{Anch}_{glob}-\eta_{glob}}{\eta^{Anch}_{glob}} \]

\[ \Theta_{We}=\frac{W_{PwP}-W^{Anch}_{PwP}}{W^{Anch}_{PwP}} \]

Birlashtirilgan maqsad funksiyasi quyidagicha:

\[ \Theta_{Opt}=\alpha_{We}\Theta_{We}+\alpha_{Eff}\Theta_{Eff} \]

\[ \alpha_{We}+\alpha_{Eff}=1 \]

\(\alpha_{Eff}\) kattalashgani sari optimallashtirish samaradorlikka, \(\alpha_{We}\) kattalashgani sari past og‘irlikka ko‘proq ustuvorlik beradi. Tadqiqotchilar koeffitsiyentlarni 0 dan 1 gacha 0,025 oraliqlar bilan o‘zgartirib, Pareto frontini taxminan hosil qilgan. Og‘irlangan yig‘indi usuli nochiziqli va qavariq bo‘lmagan masalada faqat qo‘llab-quvvatlanadigan Pareto yechimlarini ushlay olgani sabab hosil bo‘lgan front barcha mumkin bo‘lgan dominant bo‘lmagan yechimlarning to‘liq to‘plami emas.

Nega MS-PABnB algoritmi fizikadan xabardor deb ta’riflanadi?

Standart Branch and Bound algoritmi barcha ikkilik o‘zgaruvchilarni umumiy matematik qarorlar sifatida ko‘radi. MS-PABnB esa gaz turbinasining fizik bog‘liqliklaridan foydalanib, ayrim tarmoqlarni sinashni keraksiz qiladi. Tadqiqotda to‘rtta asosiy chiqarib tashlash qoidasi qo‘llangan:

1. Agar issiqlik almashtirgich o‘rnatilmagan bo‘lsa, uning issiqlik sig‘imi nisbatini belgilaydigan quyi qarorlar ko‘rib chiqilmaydi.
2. Agar ikki issiqlik almashtirgichning issiqlik sig‘imi nisbati selektorlarining turli qiymatlari fizik jihatdan amalga oshmaydigan yechim bersa, ikkinchi o‘zgaruvchi birinchisiga bog‘lanadi.
3. Agar turbina sovitishi faol bo‘lmasa, barcha sovitish havosi olish nuqtalari nolga tenglanadi. Bitta olish nuqtasi tanlansa, ayni turbina uchun boshqa nuqtalar ko‘rib chiqilmaydi.
4. Agar bir tarmoqda yaroqli va yaxshiroq mavjud yechim erta topilsa, keraksiz quyi tarmoqlarni qidirish to‘xtatiladi.

Modelda 16 ta ikkilik o‘zgaruvchi mavjud. Agar hech qanday bog‘lanishdan foydalanmasdan barcha kombinatsiyalar tekshirilganida, faqat ikkilik tuzilmaning o‘zi uchun \(2^{16}=65.536\) ta ehtimol paydo bo‘lardi. Fizik qoidalar real bo‘lmagan yoki takroriy kombinatsiyalarni yechim daraxtining erta bosqichlarida olib tashlaydi.

Boshlang‘ich nuqtalar qanday hosil qilingan?

Nochiziqli optimallashtirishlar boshlang‘ich qiymatlarga sezgir bo‘lgani uchun tadqiqotchilar uch bosqichli boshlang‘ich nuqta hosil qilish tizimini ishlab chiqqan:

1. To‘liq faktorial tajriba dizayni: Umumiy havo oqimi, uchinchi oqim nisbati, qayta qizdirilgan oqim nisbati, umumiy bosim nisbati va issiqlik almashtirgich maydonlari belgilangan chegaralar ichida namunalangan.
2. Surrogat model bilan saralash: AdaBoost klassifikatori nomzod sikl maqsad tortish kuchini bera oladimi-yo‘qmi, shuni bashorat qilgan. Yaroqli ko‘ringan nomzodlarning turbina kirish harorati LSBoost regressiya modeli bilan baholangan.
3. Yoqilg‘i-havo nisbatini aniqlash: Saralashdan o‘tgan nomzodlarda maqsad tortish kuchini qondiradigan yoqilg‘i-havo nisbati hisoblangan; termodinamik cheklovlarni qondira olmaydigan nuqtalar chiqarib tashlangan.

Faqat tajriba dizayni ishlatilganda 360 nomzodning 21 tasi yaroqli bo‘lib, fizibilitet nisbati %5,83 darajada qolgan. Surrogat model bilan saralash orqali 160 nomzod yaroqli deb topilib, nisbat %44,4 gacha ko‘tarilgan. Yoqilg‘i-havo nisbatini aniqlash bosqichidan keyin 319 nomzod yaroqli holga kelib, nisbat %88,6 ga yetgan.

Model qanday tekshirilgan?

Termodinamik model uchta referens dvigatel sinfida GASTURB dasturi bilan taqqoslangan. Ishlatilgan referenslar taxminan 10 kN sinfida ALF502L, 30 kN sinfida PW2040 va 50 kN sinfida CFM56-2C1 dvigatellaridir. Sof tortish kuchi va maxsus yoqilg‘i sarfidagi farqlar barcha sinflarda %0,1 dan past qolgan.

Biroq ichki dvigatel o‘zgaruvchilaridagi farqlar kattaroq. Masalan, 50 kN sinfida past bosim turbina chiqish bosimi GASTURB modelida 70,69 kPa, ishlab chiqilgan modelda 65,75 kPa; yadro soplosi chiqish tezligi mos ravishda 478,04 va 469,48 m/s hisoblangan. Shu sabab tekshiruv umumiy tortish kuchi va yoqilg‘i sarfi bo‘yicha kuchli moslikni ko‘rsatsa-da, barcha ichki stansiya qiymatlari ayni aniqlikda mos tushgan deb talqin qilinmasligi kerak.

Og‘irlik modeli uchta dvigatel kattaligida tijoriy dvigatel ma’lumotlar bazalari bilan taqqoslangan. O‘rtacha mutlaq foiz xatosi taxminan 10 kN sinfida %10,8, 30 kN sinfida %5,6 va 50 kN sinfida %6,3 deb bildirilgan. Ayni sinflardagi xato standart og‘ishlari mos ravishda %6,0, %4,9 va %4,6. Ayrim alohida dvigatellarda xato %15-16 darajasigacha chiqadi.

Algoritm taqqoslash nimani ko‘rsatgan?

Model GAMS 50.4.1 va LINDO API 14.0 muhitida Generalized Reduced Gradient usuli yordamida yechilgan. Hisoblarda taxminan 50 ta ko‘p boshlang‘ich nuqta, \(10^{-12}\) fizibilitet tolerantligi va har bir yechim uchun 3.600 soniyalik yuqori vaqt chegarasi ishlatilgan.

Model statistikasi jadvali 483 ta cheklovni bildiradi: 451 ta tenglik, 17 ta kichik-teng va 15 ta katta-teng cheklov. Ulardan 351 tasi nochiziqli, 132 tasi chiziqli. Jami 471 o‘zgaruvchi ichida 16 ta ikkilik o‘zgaruvchi bor. Biroq natijalar bo‘limida “471 ta uzluksiz o‘zgaruvchi va 16 ta diskret qaror” iborasi ishlatilgan. Bu ibora 471 ta jami o‘zgaruvchini ko‘rsatadigan jadval bilan mos kelmaydi va yuklangan versiyada izohlanmagan yozuv yoki tasnif farqidir.

Boshlang‘ich nuqta sezgirligi grafiklari uchta tortish sinfida ham MS-PABnB referens eng yaxshi yechimga an’anaviy ko‘p boshlang‘ichli Branch and Bound usuliga qaraganda kamroq boshlang‘ich nuqta bilan yaqinlashganini ko‘rsatadi. 50 kN sinfida tugun boshiga hisoblash xarajati ayrim sohalarda oshgan bo‘lsa-da, zarur boshlang‘ich nuqtalar sonining kamayishi umumiy vaqt ustunligini saqlagan.

Tugun soni grafiklari MS-PABnB Pareto fronti bo‘ylab kamroq tugunni o‘rganganini va kvartillar oralig‘idagi taqsimoti torroq ekanini ko‘rsatadi. Ayniqsa 30 kN sinfida samaradorlik vazni taxminan 0,5-0,6 bo‘lgan sohada an’anaviy usulning tugun soni aniq oshgan, fizikadan xabardor yondashuvda esa bunday sakrash kuzatilmagan. Normallashtirilgan maqsad funksiyasi grafiklarida ham MS-PABnB uchta sinfda umuman pastroq o‘rtacha qiymatlar bergan.

Asosiy dvigatel dizayni topilmalari qanday?

Tanlangan vakillik dizaynlarida oraliq sovitgich va issiqlikni qayta tiklash almashtirgichi hech bir tortish sinfida ishlatilmagan. Issiqlik almashtirgichlarning og‘irligi va bosim yo‘qotishi tanlangan samaradorlik-og‘irlik muvozanatida berishi mumkin bo‘lgan termodinamik foydadan oshgan. Tadqiqotchilar faqat samaradorlikka juda yuqori vazn berilgan boshqa Pareto nuqtalarida issiqlikni qayta tiklash foydali bo‘lishi mumkinligini qayd etadi.

30 va 50 kN sinflaridagi asosiy foyda yadro dvigatelining kichraytirilishi, oqimning bir qismini aylanuvchi detonatsiya bo‘limida qayta qizdirish va bypass bilan uchinchi oqim nisbatlarini oshirishdan kelib chiqqan. Qayta qizdirish yadro oqimining quvvat zichligini oshirgan; kichikroq yadro bilan maqsad tortish kuchini saqlash va fan atrofidan ko‘proq havo o‘tkazish imkonini bergan.

30 kN dizaynida ONAED OCA ga nisbatan global samaradorlikni %15,40 oshirgan va og‘irlikni %22,38 kamaytirgan. 50 kN dizaynida samaradorlik oshishi %15,73, og‘irlik kamayishi %18,23. 10 kN sinfida ikki arxitektura deyarli bir xil natija bergan: samaradorlik farqi atigi %0,38, og‘irlik farqi %0,19.

10 kN sinfidagi cheklangan foydaning sababi ham yangi, ham an’anaviy arxitektura yadro oqimi uchun belgilangan 17,57 kg/s quyi chegaraga yetishidir. Yadroni bundan ortiq kichraytirib bo‘lmasligi yangi komponentlarning bypass nisbatini oshirish uchun berishi mumkin bo‘lgan qo‘shimcha dizayn erkinligini cheklagan.

Barcha tanlangan dizaynlarda umumiy bosim nisbati 33,1 bo‘lgan yuqori chegaraga yetgan. Yonish kamerasi chiqish harorati 10 kN dizaynida taxminan 1.659-1.668 K, 30 va 50 kN dizaynlarida 1.860 K yuqori chegarada. Bu natijalar optimallashtirish berilgan cheklovlar ichida yuqori bosim nisbati va yuqori cho‘qqi haroratini afzal ko‘rganini ko‘rsatadi; biroq material umri, batafsil sovitish dizayni va azot oksidi hosil bo‘lishi barcha fizik tafsilotlari bilan modellashtirilmagan.

Pareto grafiklarini qanday talqin qilish kerak?

Pareto grafiklarida ONAED yechim fazosi OCA yechim fazosini to‘liq o‘z ichiga oladi. OCA yangi arxitekturadagi barcha ixtiyoriy komponentlar o‘chirilgan maxsus quyi masaladir. Shu sabab ONAED ning OCA dan yomon bo‘lmasligi faqat yangi texnologiyalarning fizik muvaffaqiyatidan emas, balki optimallashtirish masalasining matematik jihatdan kengroq dizayn fazosiga egaligidan ham kelib chiqadi.

30 va 50 kN sinflarida ikki Pareto fronti o‘rtasidagi farq aniq. 10 kN sinfida esa frontlar katta darajada ustma-ust tushadi. Gipervolum ko‘rsatkichi yangi arxitektura referens dvigatelga nisbatan dominant bo‘lgan maqsad fazosini o‘lchaydi. Mutlaq gipervolum yutug‘i 30 kN sinfida, ONAED ning OCA ga nisbatan nisbiy ustunligi esa 50 kN sinfida aniqroq.

Kruiz missiyasi va emissiya natijalari qanday?

Tanlangan dizaynlar uchta vakillik kruiz missiyasida baholangan. Taxminan 10 kN sinfi uchun 2,5 soatlik Canouan-Fort Lauderdale, 30 kN sinfi uchun 4 soatlik Lihue-Los Angeles va 50 kN sinfi uchun 8 soatlik São Paulo-Washington kruiz segmentlari ishlatilgan. Missiyalar haqiqiy parvoz yo‘nalishlaridan kelib chiqqan bo‘lsa-da, yangi dvigatellar haqiqiy samolyotlarga o‘rnatilib uchirilmagan.

30 kN sinfida ONAED ning yoqilg‘i sarfi OCA ga nisbatan %19,62, referens PW2040 modeliga nisbatan %27,64 past. 50 kN sinfida kamayish OCA ga nisbatan %21,23, referens dvigatelga nisbatan %27,58. Karbonat angidrid natijalari ishlatilgan doimiy yoqilg‘i-CO₂ aylantirish koeffitsiyenti sabab yoqilg‘i sarfidagi o‘zgarishni ayni foiz bilan kuzatadi.

Azot oksidi natijasi har bir sinfda bir xil yo‘nalishda emas. 30 kN ONAED dizayni referens dvigatelga nisbatan %8,90, 50 kN dizayni esa %22,68 pastroq NOx hosil qilgan. Bunga qarshi 10 kN ONAED dizaynida NOx referens ALF502L modelidan %86,86 yuqoriroq hisoblangan. Tadqiqotchilar bu oshishni yuqori yonish harorati va shu sinfda yoqilg‘i tejalishining cheklangan bo‘lib qolishi bilan bog‘laydi.

CO₂ har bir kilogramm Jet-A1 yoqilg‘isi uchun 3,159 kg CO₂ koeffitsiyenti bilan hisoblangan. NOx qiymatlari Boeing Fuel Flow Method 2 asosidagi bosim va harorat masshtablashiga tayangan. CO va yonmagan uglevodorodlar yuqori quvvatli kruizda doimiy qoldiq emissiya qiymatlari bilan modellashtirilgan. Shuning uchun emissiya jadvali bevosita chiqindi gaz o‘lchovi emas, missiya davomida hisoblangan yoqilg‘i oqimi va empirik emissiya munosabatlari natijasidir.

Tadqiqotning kuchli tomonlari nimalar?

• Dvigatel arxitekturasi, termodinamik ish nuqtasi va og‘irlik ayni optimallashtirish masalasida birlashtirilgan.
• Yangi arxitektura bilan an’anaviy arxitektura ayni cheklovlar va ayni model ostida taqqoslangan.
• Termodinamik model uchta dvigatel sinfida GASTURB natijalari bilan taqqoslangan.
• Og‘irlik modeli ko‘plab haqiqiy dvigatel ma’lumotlari bilan alohida baholangan.
• Boshlang‘ich nuqta hosil qilish, surrogat mashina o‘rganish modellari va fizikaga asoslangan tarmoq chiqarib tashlash qoidalari miqdoriy ravishda taqqoslangan.
• Samaradorlik-og‘irlik muvozanati bitta dizayn o‘rniga butun Pareto fronti bo‘ylab o‘rganilgan.
• Yoqilg‘i va emissiya ta’sirlari uch xil tortish kuchi va kruiz davomiyligi sinfida baholangan.

Tadqiqotning cheklovlari nimalar?

• Tadqiqot peer-reviewdan o‘tmagan preprintdir.
• Haqiqiy dvigatel prototipi, sinov kamerasi tajribasi yoki parvoz orqali tasdiqlash mavjud emas.
• Optimallashtirish faqat kruiz dizayn nuqtasiga qaratilgan; uchish, ko‘tarilish, pasayish va o‘zgaruvchan ish sharoitlari birgalikda optimallashtirilmagan.
• Kompressor va turbina ishlash xaritalari, o‘tkinchi rejimlar va dvigatel boshqaruv dinamikasi aniq modellashtirilmagan.
• Dvigatel qoplamasi qarshiligi, havo kemasi integratsiyasi, o‘rnatish ta’sirlari va fan diametrining barcha aerodinamik oqibatlari modelga kiritilmagan.
• Akustik cheklovlar va aylanuvchi detonatsiya kamerasining batafsil bosim tebranishlari baholanmagan.
• Aylanuvchi detonatsiya kamerasi, aralashtirish bo‘limi va issiqlik almashtirgich og‘irliklari taxminiy korrelyatsiyalarga asoslangan.
• Issiqlik almashtirgichlarning batafsil qanotcha, kanal va oqim geometriyalari yechilmagan.
• Og‘irlangan yig‘indi usuli qavariq bo‘lmagan Pareto frontining barcha dominant bo‘lmagan nuqtalarini topishni kafolatlamaydi.
• Algoritm taqqoslangan referens optimum 150 ta boshlang‘ich nuqta bilan topilgan eng yaxshi ma’lum yechimdir; yuklangan matnda mustaqil global optimallik sertifikati berilmagan.
• ONAED yechim fazosi OCA ni o‘z ichiga olgani sabab ONAED ning Pareto ustunligining bir qismi masala tuzilishidan kelib chiqadi.
• Yuklangan faylda havola qilingan 55-116 raqamli tenglamalar va 12-17 raqamli jadvallarni o‘z ichiga oluvchi ilovalar mavjud emas.

Tadqiqot nimani qo‘llab-quvvatlaydi?

Tadqiqot termodinamik sikl va og‘irlik bahosi birgalikda optimallashtirilganda, ayniqsa 30 va 50 kN kruiz tortish kuchi sinflarida qayta qizdirishli va uchinchi oqimli dvigatel arxitekturalari model ichida an’anaviy ikki oqimli dizaynlarga qaraganda yaxshiroq samaradorlik-og‘irlik muvozanatini bera olishini qo‘llab-quvvatlaydi. Shuningdek, fizik bog‘liqliklardan foydalanuvchi tarmoq chiqarib tashlash qoidalari ayni yechim muhitida an’anaviy Branch and Bound yondashuviga nisbatan kamroq tugun bilan va barqarorroq natijalar bilan ishlashi mumkinligini ko‘rsatadi.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

Tadqiqot taklif etilgan dvigatellarni ishlab chiqarish, sertifikatlash yoki mavjud havo kemalariga bevosita o‘rnatish mumkinligini isbotlamaydi. Hisoblangan og‘irlik kamayishlari haqiqiy ishlab chiqarish dvigateli tortish o‘lchovlari emas. Yoqilg‘i va emissiya qiymatlari parvozda o‘lchanmagan. Aylanuvchi detonatsiya tizimining mexanik umri, shovqini, vibratsiyasi, sovitish ehtiyoji va ishonchliligi tasdiqlanmagan. Kruiz nuqtasidagi yuqori bypass va kichik yadro tanlovining uchish va ko‘tarilish samaradorligini qondirishi ham ko‘rsatilmagan.

Turkiya nuqtai nazaridan metodologik qiymati nima?

Tadqiqotning Turkiya nuqtai nazaridan asosiy qiymati tayyor dvigatel dizaynini taklif qilishidan ko‘ra, turli dvigatel komponentlarini ayni sonli muhitda tanlash va o‘lchamlash imkonini beruvchi metodologik asosidadir. Gaz turbina, turbofan, yordamchi quvvat qurilmasi yoki boshqa energiya aylantirish tizimlarida ishlaydigan tadqiqot guruhlari komponent o‘rnatilishi kabi diskret qarorlar bilan bosim nisbati, oqim, harorat va geometriya kabi uzluksiz o‘zgaruvchilarni umumiy MINLP modeli ichida baholashi mumkin.

Biroq bu yondashuvni haqiqiy muhandislik dasturiga ko‘chirish uchun yuqori aniqlikdagi hisoblash suyuqliklar dinamikasi, material va umr tahlillari, komponent xaritalari, sinov kamerasi ma’lumotlari, ishlab chiqarish cheklovlari va to‘liq missiya profili bilan tasdiqlash zarur. Tadqiqot bu bosqichlarning o‘rnini bosmaydi; balki dastlabki dizayn fazosini toraytirishi mumkin bo‘lgan hisoblash usulini taklif qiladi.

Tadqiqot usuli va natijalari

Tadqiqot dizaynining texnik xulosasi

Model doimiylari va ish sharoitlari

• Ideal gaz doimiysi: 287,05 J/(kg K).
• Yoqilg‘i issiqlik qiymati: \(44\times10^6\) J/kg.
• Aralashtirish kamerasi uchun IN-738 zichligi: 8.110 kg/m³.
• Issiqlik almashtirgich yuza zichligi: 3,6 kg/m².
• Umumiy bosim nisbati oralig‘i: 15-33,1.
• Qayta qizdirilgan oqim nisbati oralig‘i: 0-0,5.
• Oraliq sovitgich va rekuperatsiya issiqlik almashtirgichi sirt maydoni: 0-750 m².
• Dengiz sathiga tuzatilgan umumiy oqim namunalash oralig‘i: 17,57-802,4 kg/s.

Termodinamik tekshiruv natijalari

Eng muhim miqdoriy topilmalar

• Boshlang‘ich nuqta fizibiliteti %5,83 dan %88,6 gacha ko‘tarilgan.
• MS-PABnB uchta tortish sinfida an’anaviy usulga qaraganda kamroq qidiruv tugunidan foydalangan.
• 30 kN ONAED dizaynida global samaradorlik 0,442, OCA dizaynida 0,383.
• 30 kN ONAED og‘irligi 1.634 kg, OCA og‘irligi 2.104 kg.
• 50 kN ONAED samaradorligi 0,412, OCA samaradorligi 0,356.
• 50 kN ONAED og‘irligi 2.425 kg, OCA og‘irligi 2.966 kg.
• 30 kN kruiz missiyasida ONAED yoqilg‘i sarfi referens dvigateldan %27,64 past.
• 50 kN kruiz missiyasida ONAED yoqilg‘i sarfi referens dvigateldan %27,58 past.
• 10 kN sinfida ONAED ning NOx natijasi referens dvigateldan %86,86 yuqori.

Metodologik talqin chegarasi

Bu natijalar ta’riflangan o‘zgaruvchi chegaralari, sobit komponent samaradorliklari, taxminiy og‘irlik munosabatlari va kruiz dizayn nuqtasi uchun amal qiladi. Modelning pastroq og‘irlik berishi fizik dvigatel ayni og‘irlikda ishlab chiqarilishi mumkinligini o‘z-o‘zidan ko‘rsatmaydi. Xuddi shuningdek, kruiz yoqilg‘isidagi kamayish uchishdan qo‘nishgacha butun missiya yoqilg‘isi ayni nisbatda kamayishini isbotlamaydi.

Manba va usul bo‘yicha izoh

• Tadqiqotning to‘liq asl nomi: A Physics-Acquainted Branch-and-Bound Algorithm for Multi-Objective Mixed-Integer Nonlinear Optimization of Gas Turbine Engines
• Mualliflar va tartibi: Carlos Ávila Catalán; Jorge Saavedra; Luis Cadarso
• Teng birinchi mualliflik: Teng hissa yoki teng birinchi mualliflik ma’lumoti ko‘rsatilmagan.
• Mas’ul muallif: Carlos Ávila Catalán
• Mas’ul muallif e-pochtasi: carlos.avila@urjc.es
• Muassasa: Universidad Rey Juan Carlos, Camino del Molino 5, Fuenlabrada, 28943 Madrid, Ispaniya
• DOI: 10.2139/ssrn.6945142
• Peer-reviewli jurnal: Peer-reviewli jurnal nomi tasdiqlanmagan. Faylda tadqiqot “Preprint submitted to Elsevier” sifatida ta’riflangan.
• Nashr platformasi: SSRN / SSRN Electronic Journal
• Asl nashriyot yoki platforma operatori: Elsevier tarkibidagi SSRN
• Nashr yili: 2026
• Manba turi: Sonli modellashtirish va ko‘p maqsadli optimallashtirish tadqiqoti xususiyatidagi preprint
• Peer-review holati: Ushbu tadqiqot preprint bo‘lib, peer-reviewdan o‘tmagan.
• Rasmiy preprint havolasi:SSRN tadqiqot sahifasi
• DOI havolasi:10.2139/ssrn.6945142

Ushbu turkcha izoh yuklangan tadqiqotning matni, formulalari, jadvallari, dvigatel arxitekturasi sxemasi, algoritm oqim sxemasi, Pareto grafiklari va emissiya jadvallari o‘rganilib tayyorlangan. Tadqiqotda mavjud bo‘lmagan yangi ilmiy natija, dvigatel ishlashi yoki qo‘llash muvaffaqiyati qo‘shilmagan. Tashqi manba tekshiruvi faqat muallif, muassasa, DOI, platforma va nashr holati kabi bibliografik identifikatsiya ma’lumotlarini tasdiqlash maqsadida ishlatilgan.

Yuklangan fayl 36 sahifada tugaydi, biroq ichki sahifa raqamlanishi jami 55 sahifani ko‘rsatadi. Asosiy matnda havola qilingan qo‘shimcha tenglamalar, model to‘plamlari, kalibrlash parametrlari va 12-17 raqamli jadvallar faylda mavjud emas. Bu yetishmovchilik modelni mustaqil ravishda to‘liq qayta qurish va barcha koeffitsiyentlarni tekshirishga to‘sqinlik qiladi.

Tadqiqotning asosiy cheklovlari kruiz dizayn nuqtasiga qaratilishi, tajribaviy dvigatel tasdig‘ini o‘z ichiga olmasligi, o‘tkinchi va dizayndan tashqari ish sharoitlarini modellashtirmasligi, yangi komponentlar og‘irligini taxminiy munosabatlar bilan hisoblashi, batafsil dvigatel-havo kemasi integratsiyasini tashqarida qoldirishi va emissiyalarni bevosita o‘lchash o‘rniga empirik usullar bilan baholashidir. Natijalar shu chegaralar ichida dastlabki dizayn va hisoblash usuli tadqiqoti sifatida baholanishi kerak.