一种瞬态径向间隙预测方法和装置制造方法及图纸

一种瞬态径向间隙预测方法和装置，所述径向间隙是指发动机转子叶尖与机匣之间的径向距离；所述发动机包括机匣、叶片和轮盘；其特征在于，所述方法包括：获取瞬态径向间隙预测的相关输入信息，其中，所述相关输入信息包括：几何信息、材料信息和边界条件信息；根据所述相关输入信息和预定的机匣变形模型、叶片变形模型和轮盘变形模型，确定机匣、叶片、和轮盘在第一时刻的变形值；根据预定的瞬态径向间隙预测模型，以及机匣、叶片、和轮盘的径向变化值，确定第一时刻的径向间隙值；其中，所述预定的机匣变形模型、叶片变形模型和轮盘变形模型的维度不同。度不同。度不同。

【技术实现步骤摘要】
一种瞬态径向间隙预测方法和装置


[0001]本文涉及航空发动机叶轮
，尤指一种瞬态径向间隙预测方法和装置。

技术介绍

[0002]航空发动机径向间隙指航空发动机转子叶尖与机匣之间的径向距离，由于径向间隙的存在，会产生叶顶泄漏流动，从而对压气机、涡轮的效率产生重要影响，进而影响发动机的推力和耗油率等。当径向间隙过大时，叶顶泄露流增大，叶顶泄露流与主流掺混，导致压气机、涡轮效率下降，从而降低发动机推力，增大耗油率；当径向间隙过小时，可能导致转子叶尖与机匣刮擦，导致机匣刮伤甚至损坏叶片，造成发动机“抱死”等现象，影响发动机的安全性。由此，对航空发动机的径向间隙进行预测对于发动机的性能评估以及间隙主动控制具有重要意义。
[0003]航空发动机的径向间隙变化由机匣、叶片、轮盘的变形导致，由于各部件结构特征的差异性，以及各部件受热载荷和机械载荷的差异性，其变化规律复杂，导致径向间隙准确预测十分困难。尤其在瞬态过程中，由于各部件热惯性和机械惯性的差异性，导致部件瞬态变化规律各异，难以实现对瞬态径向间隙的准确预测，给发动机瞬态性能评估和主动间隙控制策略的提出带来了巨大挑战。
[0004]一些技术中，对于瞬态径向间隙的预测主要是通过一维模型和三维仿真方法进行预测，存在以下问题：
[0005]1.一维模型研究径向间隙时，仅考虑部件一维径向特征，进行一维换热和热变形分析，以及一维离心变形分析，能实现径向间隙的快速预测，但未考虑部件轴向换热特征以及部件轴向厚度变化，导致预测精度较低。
[0006]2.三维仿真方法考虑了部件的三维特征，实现了三维换热和热变形预测，以及三维离心变形预测，提高了径向间隙预测精度，但由于耗时巨大，单点计算可达数周，仅适用于稳态预测，且难以实现瞬态径向间隙预测。

技术实现思路

[0007]本申请提供了一种瞬态径向间隙预测方法和装置，针对不同部件，建立不同维度预测模型进行分析，充分考虑了部件的几何特征和换热特征，解决了一维预测模型精度低和三维仿真方法预测缓慢的问题，在快速预测的同时提高了瞬态径向间隙的预测精度。
[0008]本申请提供了一种瞬态径向间隙预测方法，所述径向间隙是指发动机转子叶尖与机匣之间的径向距离；所述发动机包括机匣、叶片和轮盘；所述方法包括：
[0009]获取瞬态径向间隙预测的相关输入信息，其中，所述相关输入信息包括：几何信息、材料信息和边界条件信息；
[0010]根据所述相关输入信息和预定的机匣变形模型、叶片变形模型和轮盘变形模型，确定机匣、叶片、和轮盘在第一时刻的变形值；
[0011]根据预定的瞬态径向间隙预测模型，以及机匣、叶片、和轮盘的径向变化值，确定
第一时刻的径向间隙值；
[0012]其中，所述预定的机匣变形模型、叶片变形模型和轮盘变形模型的维度不同。
[0013]一种示例性的实施例中，所述机匣变形模型为：
[0014]u
shroud
(t)＝u
shroud1
(t)+u
shroud2
(t)；
[0015]其中，u
shroud
(t)为机匣在第一时刻的变形值，u
shroud1
(t)为机匣在第一时刻的热变形值，u
shroud2
(t)为机匣在第一时刻的机械变形值；
[0016]所述叶片变形模型为：
[0017]u
blade
(t)＝u
blade1
(t)+u
blade2
(t)
[0018]其中，u
blade
(t)为叶片在第一时刻的变形值，u
blade1
(t)为叶片在第一时刻的热变形值，u
blade2
(t)为叶片在第一时刻的机械变形值；
[0019]所述轮盘变形模型为：
[0020]u
disk
(t)＝u
disk1
(t)+u
disk2
(t)；
[0021]其中，u
disk
(t)为轮盘在第一时刻的变形值，u
disk1
(t)为轮盘在第一时刻的热变形值，u
disk2
(t)为轮盘在第一时刻的机械变形值。
[0022]一种示例性的实施例中，所述机匣在第一时刻的热变形值是根据机匣瞬态平均温度确定的，其中，所述机匣瞬态平均温度是机匣耐磨涂层和金属涂层中各层节点瞬态温度的平均值；
[0023]所述机匣在第一时刻的机械变形值是根据机匣的材料弹性模量、机匣高温合金层内径、机匣高温合金层外径、机匣材料泊松比、机匣内壁压力、机匣外壁压力确定的。
[0024]一种示例性的实施例中，所述叶片在第一时刻的热变形值是根据叶片温度和叶片长度，以及在该叶片温度下相应的叶片材料热膨胀系数，采用叶片一维热变形模型计算得到的；其中，该叶片一维热变形模型为：
[0025]u
blade1
＝α
blade
*L
blade
*T
blade
[0026]其中，u
blade1
为叶片在第一时刻的热变形值，α
blade
为叶片材料热膨胀系数，L
blade
为叶片长度，T
blade
为叶片温度。
[0027]一种示例性的实施例中，叶片变截面斜度特征参数是根据叶片底部和顶部横截面积确定；
[0028]所述叶片在第一时刻的机械变形值是根据该叶片变截面斜度、叶片的转速、叶片的密度、叶片的弹性模量、轮盘外径，利用叶片二维离心变形模型确定的；
[0029]其中，所述叶片二维离心变形模型为：
[0030][0031]上述模型中，a表示叶片变截面斜度，N表示叶片的转速，ρ
blade
表示叶片的密度，E
blade
表示叶片的弹性模量，r
disk
表示轮盘外径。
[0032]一种示例性的实施例中，轮盘在第一时刻的热变形值是根据轮盘材料热膨胀系数、轮盘外径和轮盘在第一时刻的温度，采用轮盘的热变形公式确定的；
[0033]其中，所述轮盘的热变形公式为：
[0034]u
disk1
＝α
disk
*r
disk
*T
disk_ave
；
[0035]上述公式中，u
disk1
为轮盘在第一时刻的热变形值，α
disk
为轮盘材料热膨胀系数，
r
disk
为轮盘外径，T
disk_ave
为轮盘在第一时刻的温度。
[0036]一种示例性的实施例中，所述轮盘在第一时刻的温度是通过下述步骤确定的：
[0037]根据换热系数h
a
、h
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种瞬态径向间隙预测方法，所述径向间隙是指发动机转子叶尖与机匣之间的径向距离；所述发动机包括机匣、叶片和轮盘；其特征在于，所述方法包括：获取瞬态径向间隙预测的相关输入信息，其中，所述相关输入信息包括：几何信息、材料信息和边界条件信息；根据所述相关输入信息和预定的机匣变形模型、叶片变形模型和轮盘变形模型，确定机匣、叶片、和轮盘在第一时刻的变形值；根据预定的瞬态径向间隙预测模型，以及机匣、叶片、和轮盘的径向变化值，确定第一时刻的径向间隙值；其中，所述预定的机匣变形模型、叶片变形模型和轮盘变形模型的维度不同。2.根据权利要求1所述的瞬态径向间隙预测方法，其特征在于，所述机匣变形模型为：u
shroud
(t)＝u
shroud1
(t)+u
shroud2
(t)；其中，u
shroud
(t)为机匣在第一时刻的变形值，u
shroud1
(t)为机匣在第一时刻的热变形值，u
shroud2
(t)为机匣在第一时刻的机械变形值；所述叶片变形模型为：u
blade
(t)＝u
blade1
(t)+u
blade2
(t)其中，u
blade
(t)为叶片在第一时刻的变形值，u
blade1
(t)为叶片在第一时刻的热变形值，u
blade2
(t)为叶片在第一时刻的机械变形值；所述轮盘变形模型为：u
disk
(t)＝u
disk1
(t)+u
disk2
(t)；其中，u
disk
(t)为轮盘在第一时刻的变形值，u
disk1
(t)为轮盘在第一时刻的热变形值，u
disk2
(t)为轮盘在第一时刻的机械变形值。3.根据权利要求2所述的瞬态径向间隙预测方法，其特征在于，所述机匣在第一时刻的热变形值是根据机匣瞬态平均温度确定的，其中，所述机匣瞬态平均温度是机匣耐磨涂层和金属涂层中各层节点瞬态温度的平均值；所述机匣在第一时刻的机械变形值是根据机匣的材料弹性模量、机匣高温合金层内径、机匣高温合金层外径、机匣材料泊松比、机匣内壁压力、机匣外壁压力确定的。4.根据权利要求2所述的瞬态径向间隙预测方法，其特征在于，所述叶片在第一时刻的热变形值是根据叶片温度和叶片长度，以及在该叶片温度下相应的叶片材料热膨胀系数，采用叶片一维热变形模型计算得到的；其中，该叶片一维热变形模型为：u
blade1
＝α
blade
*L
blade
*T
blade
其中，u
blade1
为叶片在第一时刻的热变形值，α
blade
为叶片材料热膨胀系数，L
blade
为叶片长度，T
blade
为叶片温度。5.根据权利要求4所述的瞬态径向间隙预测方法，其特征在于，叶片变截面斜度特征参数是根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏杰，郑蓬勃，李加桉，郑新前，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：