本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別地，涉及一種基于整機(jī)能效的空氣系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)方法。
背景技術(shù)：
1、空氣系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著氣冷葉片供氣、渦輪高溫部件冷卻、渦輪盤腔燃?xì)夥鈬?yán)、壓氣機(jī)溫度控制、轉(zhuǎn)子軸向力載荷調(diào)整、軸承與潤(rùn)滑系統(tǒng)封嚴(yán)和隔熱以及間隙控制等重要功能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)，通常從發(fā)動(dòng)機(jī)主通道引氣，通過組織流動(dòng)，分配到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各腔室，完成各基本功能，最后流回主通道或排至發(fā)動(dòng)機(jī)外部。如圖1所示?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣量占發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總流量的20-30％，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能有明顯影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率的影響在6％以上。
2、空氣系統(tǒng)流路非常復(fù)雜，通常由多條并聯(lián)或串聯(lián)的流路組成，每條流路內(nèi)部又有引氣結(jié)構(gòu)、孔、管、通道、彎頭、腔室、封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、排氣結(jié)構(gòu)等。因?yàn)榭諝庀到y(tǒng)的復(fù)雜性，目前工程上進(jìn)行整機(jī)空氣系統(tǒng)分析通常以一維網(wǎng)絡(luò)法為主。一維網(wǎng)絡(luò)法是將空氣系統(tǒng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)分解為一些基本的流阻和換熱元件，比如管、孔、縫、突擴(kuò)、突縮、彎頭、篦齒等。將空氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)由多個(gè)進(jìn)、出口和分支組成的空氣流動(dòng)和換熱元件網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等經(jīng)典理論，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或半經(jīng)驗(yàn)理論建立這些元件的計(jì)算模型，從而建立流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方程組，采用網(wǎng)絡(luò)分析法求解獲得各個(gè)元件的壓力、溫度、流量等流動(dòng)參數(shù)以及各流路分支的流量分配。
3、對(duì)于空氣系統(tǒng)排入渦輪的氣體，哪部分是做功的，哪部分是不做功的，工程上的處理方法是對(duì)空氣系統(tǒng)的不同位置的排氣進(jìn)行分類，以1級(jí)渦輪為例，在導(dǎo)葉喉部前引入的空氣系統(tǒng)氣流，被認(rèn)為達(dá)到了導(dǎo)葉出口動(dòng)量，因此會(huì)在該級(jí)做功；在導(dǎo)葉喉部后引入的空氣系統(tǒng)氣流在該級(jí)渦輪不做功，在下游各級(jí)渦輪做功。因此，空氣系統(tǒng)根據(jù)一維網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算的流量分配，按照做功和不做功進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，簡(jiǎn)單估算對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有明顯影響的空氣系統(tǒng)流量總量。
4、總體性能計(jì)算時(shí)，按照空氣系統(tǒng)分類統(tǒng)計(jì)的流量分配，建立考慮空氣系統(tǒng)流量分配及影響的總體計(jì)算模型，圖2是總體性能計(jì)算軟件gasturb考慮空氣系統(tǒng)的計(jì)算示例，不同位置的引氣流路簡(jiǎn)單的給定該引氣處的焓值與壓氣機(jī)出口的焓值比例和引氣比例，通過總體計(jì)算模型獲得考慮空氣系統(tǒng)影響的總體性能及各截面參數(shù)。
5、現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)行空氣系統(tǒng)和總體性能分析是各自獨(dú)立進(jìn)行的，空氣系統(tǒng)分析獲得引排氣流量分配結(jié)果，但無(wú)法直接評(píng)估引排氣對(duì)總體性能的影響，而在總體性能計(jì)算時(shí)只能簡(jiǎn)化考慮空氣系統(tǒng)的影響，存在以下問題：
6、1)無(wú)法根據(jù)空氣系統(tǒng)實(shí)際的引、排氣位置建立總體性能模型，只能根據(jù)空氣系統(tǒng)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果按照總體計(jì)算模型規(guī)定的引、排氣位置進(jìn)行流量分配；
7、2)無(wú)法考慮引、排氣位置實(shí)際的流動(dòng)參數(shù)，比如壓力、溫度等，只能簡(jiǎn)單的按照焓值比例進(jìn)行處理；
8、3)動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)無(wú)法考慮不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)空氣系統(tǒng)流量分配比例和流動(dòng)參數(shù)(焓值比例)的變化情況；
9、4)沒有考慮空氣系統(tǒng)模型與總體性能模型間的交互影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種基于整機(jī)能效的空氣系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)行空氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能分析是各自獨(dú)立進(jìn)行的，空氣系統(tǒng)分析獲得的流量分配結(jié)果，無(wú)法直接評(píng)估對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的影響的技術(shù)問題。
2、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種基于整機(jī)能效的空氣系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：
3、步驟1：將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)按部件分解成進(jìn)氣組件、排氣組件、壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪，采用流動(dòng)特性和葉輪機(jī)特性進(jìn)行模擬，通過串聯(lián)各元件建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能一維計(jì)算模型；
4、步驟2：對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)中的節(jié)流元件、局部流動(dòng)損失元件、腔室元件和換熱元件，采用數(shù)學(xué)模型或流動(dòng)特性模擬，建立空氣系統(tǒng)流路一維計(jì)算模型；
5、步驟3：將發(fā)動(dòng)機(jī)性能一維計(jì)算模型和空氣系統(tǒng)流路一維計(jì)算模型在同一軟件平臺(tái)上統(tǒng)一建模，建立發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能和空氣系統(tǒng)耦合計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)耦合求解；
6、步驟4：輸出發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)下空氣系統(tǒng)引排氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的計(jì)算結(jié)果。
7、進(jìn)一步地，所述步驟1中包括建立進(jìn)氣組件、排氣組件和流道過渡段元件的計(jì)算模型，空氣流經(jīng)進(jìn)氣和排氣流道時(shí)產(chǎn)生總壓損失，公式如下：
8、p2＝σp1????????????????????????????????(1)
9、公式(1)中，p1、p2分別為進(jìn)氣組件和排氣組件的進(jìn)口總壓和出口總壓，σ為恢復(fù)系數(shù)。
10、進(jìn)一步地，所述步驟1中包括建立壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪元件的計(jì)算模型，壓氣機(jī)、渦輪流量與轉(zhuǎn)速、壓力或膨脹比的關(guān)系采用特性表插值計(jì)算，公式如下：
11、
12、公式(2)中，為質(zhì)量流量，n為轉(zhuǎn)速，π為壓氣機(jī)壓比或渦輪膨脹比，p，t為進(jìn)口壓力和溫度；
13、并建立轉(zhuǎn)子機(jī)械慣量元件的計(jì)算模型，壓氣機(jī)需求功率和渦輪輸出功率之差為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速度，公式如下：
14、
15、公式(3)中，pt、pt分別為壓氣機(jī)和渦輪功率，j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。
16、進(jìn)一步地，所述步驟1中包括建立燃燒室元件的計(jì)算模型，用等溫焓差法直接計(jì)算燃燒室的油氣比，公式如下：
17、
18、公式(4)中，f為油氣比，ηb為燃燒效率；hu為燃油低位熱值；hin，a，hout，a分別為燃燒室的進(jìn)口和出口空氣焓值；hout為燃燒室出口溫度下的等溫焓值；
19、燃燒室出口總壓：pout＝pinσb，其中，總壓恢復(fù)系數(shù)σb取值為0.96～0.97。
20、進(jìn)一步地，所述步驟2中包括建立孔、間隙節(jié)流元件的計(jì)算模型，空氣流經(jīng)進(jìn)氣和排氣流道時(shí)產(chǎn)生總壓損失，公式如下：
21、
22、公式(5)中，a為孔面積，t1*為總溫，p1*為進(jìn)口總壓，cd為孔流量系數(shù)，p2為出口靜壓力，為質(zhì)量流量，r為氣體常數(shù)，k為絕對(duì)指數(shù)。
23、進(jìn)一步地，所述步驟2中包括建立局部流動(dòng)損失元件的計(jì)算模型，公式如下：
24、
25、公式(6)中，分別為流動(dòng)元件的進(jìn)口總壓和出口總壓，ζ為阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，v為空氣流速。
26、進(jìn)一步地，所述步驟2中包括建立腔室元件的計(jì)算模型，具有一定容積，其進(jìn)出口流量的不平衡導(dǎo)致腔室壓力和溫度的變化，計(jì)算公式如下：
27、
28、公式(7)中，p、ρ、h、t分別為腔內(nèi)空氣的壓力、密度、比焓和溫度，v為腔室體積，m為腔內(nèi)空氣質(zhì)量，mi為腔室各接口上的空氣質(zhì)量流量，q為腔內(nèi)空氣與外界的換熱量，小標(biāo)i表示腔室接口號(hào)，t為時(shí)間。
29、進(jìn)一步地，所述步驟2中包括建立換熱元件的計(jì)算模型，公式如下：
30、q＝ha(tw-tc)?????????????????????????????????????(8)
31、公式(8)中，q為換熱熱流，a為換熱面積，tw、tc分別為固體壁溫和空氣溫度，h為換熱系數(shù)。
32、進(jìn)一步地，所述步驟3中，在設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能和空氣系統(tǒng)耦合模型的穩(wěn)態(tài)分析按照設(shè)計(jì)點(diǎn)各部件性能數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行；在非設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下，對(duì)各部件賦予參數(shù)初值，通過迭代計(jì)算來(lái)不斷更新這些參數(shù)初值，使其滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的流量和功率的平衡關(guān)系。
33、進(jìn)一步地，所述步驟4中基于發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能和空氣系統(tǒng)耦合計(jì)算模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算分析，同時(shí)獲得空氣系統(tǒng)的流量參數(shù)分配、發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能，通過發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能和空氣系統(tǒng)耦合計(jì)算模型的發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)空氣系統(tǒng)引氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。
34、本發(fā)明具有以下有益效果：
35、本發(fā)明提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能和空氣系統(tǒng)耦合的整機(jī)能效分析方法，建立包括空氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的整機(jī)耦合模型，壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪元件等組成的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型可以評(píng)估出發(fā)動(dòng)機(jī)功率、熱效率和耗油率等發(fā)動(dòng)機(jī)總體參數(shù)，空氣系統(tǒng)一維網(wǎng)絡(luò)模型可以評(píng)估出空氣系統(tǒng)引氣量、各分支流路和元件的流動(dòng)參數(shù)等，由于建立了空氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的耦合分析模型，通過模型的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，從而可以直接獲得空氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能影響的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能結(jié)果；并且可以進(jìn)行全包線范圍的整機(jī)耦合分析，空氣系統(tǒng)引排氣位置、流動(dòng)參數(shù)更符合真實(shí)情況及根據(jù)狀態(tài)實(shí)時(shí)變化；此外，通過空氣系統(tǒng)和總體性能耦合分析提高了空氣系統(tǒng)和總體性能計(jì)算的精度。
36、本發(fā)明已應(yīng)用于某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，開展了空氣系統(tǒng)與總體性能的耦合分析，對(duì)比研究了空氣系統(tǒng)引射、預(yù)冷、預(yù)旋等單項(xiàng)措施對(duì)空氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，提出綜合改進(jìn)優(yōu)化方案，通過整機(jī)耦合分析，空氣系統(tǒng)綜合改進(jìn)措施提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率2％，直觀地評(píng)價(jià)了空氣系統(tǒng)的改進(jìn)效果。
37、除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。