多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法技术

本发明专利技术公开了一种多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，该方法考虑了封严篦齿与盘腔的耦合作用，通过分析篦齿元件和盘腔元件中的容积效应，建立相应的一维瞬态数学模型，输入元件几何参数与瞬态边界工况后，通过对盘腔空气系统一维瞬态网络求解，得到了瞬态工况下多级封严盘腔内流体参数随时间响应规律。相比现有技术，本发明专利技术可准确描述瞬态工况下多级封严盘腔内流体温度、压力随时间的响应变化，从而为航空发动机空气系统设计、试验提供重要理论基础。

【技术实现步骤摘要】
多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法
本专利技术涉及多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，属于航空宇航推进理论与工程中的空气系统建模与仿真领域。
技术介绍
当航空发动机处于过渡工况(如起动、加速、停车、快速机动过程等)，尤其在极端工况(如主轴断裂、空中停车等)下，空气系统内部会出现复杂的瞬态响应现象。当发动机过渡状态和极端工况下产生的边界扰动作用于空气系统时，在各腔室的容积效应和内部流动非定常性作用下，可能会诱发短时的危险瞬态载荷，进而威胁发动机的安全运行和使用寿命，因此空气系统瞬态响应问题逐渐成为现代航空发动机研制中的关注重点之一。2015年，刘传凯在《航空动力学报》上发表的一篇论文《强瞬变空气系统的模块化仿真建模》中，提出了一种空气系统强瞬变过程的模拟方法，将空气系统分解为容腔、节点、管道和节流四种基本元件，考虑元件的容腔效应和流体惯性，建立了空气系统非线性方程组，并采用残点法求解，基于此开发了空气系统仿真程序。2017年，西北工业大学的朱鹏飞在其博士论文《航空发动机空气系统瞬态过程的数值模拟与实验研究》中将管道和盘腔视作瞬态响应元件，提出了空气系统的瞬态网络算法，获得各类元件的截面流量关系式，进而建立瞬态网络节点压力残量方程，通过迭代求解，最终计算得到不同时刻的空气系统流量分配、压力和温度分布。2019年，毛莎莎在《推进技术》发表的《典型进气函数下转静盘腔瞬态响应特性研究》一文中指出，盘腔出口流场的迟滞时间与进口边界工况和盘腔的几何特征有关。但上述研究中没有考虑元件内流体的瞬态换热特性，且忽略了篦齿元件内容积效应可能带来的误差，无法准确描述多级封严盘腔空气系统中流体参数随时间的瞬态响应。在发动机实际运行中，高温涡轮盘腔内冷气流量、温度偏离设计要求，可能会引发严重的热载荷从而影响发动机正常工作。因此，建立多级封严盘腔瞬态响应的一维模型对空气系统设计、试验、降低研发成本有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，可准确描述盘腔及篦齿元件的容积效应，并进一步的计算出多级封严盘腔空气系统中流体参数随时间的瞬态响应，对于航空发动机空气系统设计、试验、降低研发成本具有重要意义。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，该方法将多级封严盘腔结构中的转静盘腔视为盘腔元件，将封严篦齿视为篦齿元件，并提出一种篦齿拆分模型对篦齿元件进行拆分，该篦齿拆分模型将篦齿元件拆分为不考虑瞬态效应的压力损失元件和需要考虑容积效应的齿腔元件，且定义压力损失元件为篦齿齿顶与衬套之间的区域，该区域的宽度为齿厚，齿腔元件为相邻两个齿之间的空腔区域；对于盘腔元件和齿腔元件，建立一维瞬态数学模型，对模型输入元件几何参数与瞬态边界工况后，通过对盘腔空气系统一维瞬态网络求解得到盘腔内流体参数随时间响应变化。作为本专利技术的一种优选方案，所述对于盘腔元件和齿腔元件，建立的一维瞬态数学模型相同，且所述一维瞬态数学模型包括腔内平均压力变化率和腔内平均温度变化率；腔内平均压力变化率的计算公式为：式中，和分别为腔室内的平均静压和平均静温，Vcv为腔室容积，和分别为腔室的进口和出口流量，t为时间，R为气体常数；腔内平均温度变化率的计算公式为：式中，Tt,in和Tt,out分别为腔室进口和出口流体总温，Cp,in和Cp,out分别为腔室进口和出口处流体的定压比热容，Cv为定容比热容，Qnet为流体与轮盘对流换热量Qnet,HT和风阻温升热量Qnet,disc的总和；其中，流体与轮盘对流换热量Qnet,HT的计算公式为：Qnet,HT＝havAw(Tw-Tref)式中，Aw为换热表面面积，Tw为轮盘表面平均温度，Tref为流体平均温度，hav为轮盘表面的对流换热系数；hav的计算公式如下：式中，y为结构系数，ReΩ为旋转雷诺数，L为几何特征长度，λf为静止流体的导热系数，Cw为无量纲流量系数，其定义为其中μ为气体动力粘度，rout为旋转盘腔外缘半径；风阻温升热量Qnet,disc的计算公式为：Qnet,disc＝Md·ωd式中，ωd为轮盘旋转角速度，Md为轮盘力矩，Md的计算公式如下：式中，K为力矩系数因子，ρ为冷气密度，r为当地半径，Cm,disk为圆盘力矩系数，ω(r)表示当地半径处冷气相对于轮盘的角速度，sgn(·)为符号函数。作为本专利技术的一种优选方案，所述腔室的进口和出口流量的计算公式如下：其中，Cd为腔室出口的流量系数，Pin和pout分别为腔室进口总压和出口静压，po和pr分别为腔室中心和外缘半径处的静压，Ain和Aout分别为腔室进口和出口通流面积，k为等熵指数。作为本专利技术的一种优选方案，所述多级封严盘腔结构中，发动机中的冷却空气从上游封严篦齿流入转静盘腔中，对涡轮盘进行冷却，再通过下游封严篦齿流出转静盘腔。作为本专利技术的一种优选方案，所述压力损失元件中，质量流量与总压比PRt之间的关系为：式中，A为压力损失元件的区域面积，CD为篦齿流量系数，Pin为腔室进口总压，Tt,in为腔室进口流体总温，R为气体常数，n为齿数，Γ为透气效应修正系数，Γ的计算公式如下：式中，B为篦齿的间距，c为齿顶间隙。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术提出的多级封严盘腔瞬态响应一维建模方法考虑了篦齿容积效应的影响，并建立了腔室元件一维瞬态数学模型与篦齿拆分模型，一维瞬态计算结果与数值仿真结果误差较小，此方法中的一维瞬态数学模型的有良好的计算精度和可靠性。2、本专利技术方法能够准确模拟篦齿容积效应、盘腔内参数响应，所研究的篦齿与盘腔的耦合作用是瞬态空气系统需要考虑的重要问题，对空气系统设计、试验、降低研发成本具有重要意义。附图说明图1是本专利技术多级封严盘腔的流路示意图。图2是篦齿拆分模型示意图。图3是盘腔空气系统流路的简化示意图。图4是瞬态流体网络算法流程图。图5是封严篦齿几何模型的示意图。图6是瞬态工况下进口压力变化示意图。图7是入口压力阶跃工况下盘腔流量参数的响应曲线图，其中，(a)是压力参数，(b)是温度参数。图8是盘腔流体参数的响应时间随阶跃幅值变化图，其中，(a)是压力参数，(b)是温度参数。图9是入口压力阶跃/斜坡工况下盘腔温度的响应曲线图。图10是入口压力斜坡工况下盘腔温度的响应时间随扰动幅值变化图。图11是入口压力阶跃工况下的温度超调图。图12是入口压力斜坡工况下的温度超调图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。针对多级封严盘腔为例进行空气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，其特征在于，该方法将多级封严盘腔结构中的转静盘腔视为盘腔元件，将封严篦齿视为篦齿元件，并提出一种篦齿拆分模型对篦齿元件进行拆分，该篦齿拆分模型将篦齿元件拆分为不考虑瞬态效应的压力损失元件和需要考虑容积效应的齿腔元件，且定义压力损失元件为篦齿齿顶与衬套之间的区域，该区域的宽度为齿厚，齿腔元件为相邻两个齿之间的空腔区域；/n对于盘腔元件和齿腔元件，建立一维瞬态数学模型，输入元件几何参数与瞬态边界工况后，通过对盘腔空气系统一维瞬态网络求解得到盘腔内流体参数随时间响应变化。/n

【技术特征摘要】
1.多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，其特征在于，该方法将多级封严盘腔结构中的转静盘腔视为盘腔元件，将封严篦齿视为篦齿元件，并提出一种篦齿拆分模型对篦齿元件进行拆分，该篦齿拆分模型将篦齿元件拆分为不考虑瞬态效应的压力损失元件和需要考虑容积效应的齿腔元件，且定义压力损失元件为篦齿齿顶与衬套之间的区域，该区域的宽度为齿厚，齿腔元件为相邻两个齿之间的空腔区域；
对于盘腔元件和齿腔元件，建立一维瞬态数学模型，输入元件几何参数与瞬态边界工况后，通过对盘腔空气系统一维瞬态网络求解得到盘腔内流体参数随时间响应变化。


2.根据权利要求1所述的多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，其特征在于，所述对于盘腔元件和齿腔元件，建立的一维瞬态数学模型相同，且所述一维瞬态数学模型包括腔内平均压力变化率和腔内平均温度变化率；
腔内平均压力变化率的计算公式为：



式中，和分别为腔室内的平均静压和平均静温，Vcv为腔室容积，和分别为腔室的进口和出口流量，t为时间，R为气体常数；
腔内平均温度变化率的计算公式为：



式中，Tt,in和Tt,out分别为腔室进口和出口流体总温，Cp,in和Cp,out分别为腔室进口和出口处流体的定压比热容，Cv为定容比热容，Qnet为流体与轮盘对流换热量Qnet,HT和风阻温升热量Qnet,disc的总和；
其中，流体与轮盘对流换热量Qnet,HT的计算公式为：
Qnet,HT＝havAw(Tw-Tref)
式中，Aw为换热表面面积，Tw为轮盘表面平均温度，Tref为流体平均温度，hav为轮盘表面的对流换热系数；hav的计算公式如下：



式中，y为结...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，毛军逵，潘进，王飞龙，何辉，毕帅，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32