小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统技术方案

本发明专利技术提出了一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统，包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统。本发明专利技术实施例通过涡轮虚拟试验系统，可以实现“涡轮部件设计仿真-虚拟试验+适当的部件物理试验-指导修改涡轮设计”的设计优化流程，可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及发动机制造及设计
，特别涉及一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统。
技术介绍
虚拟试验技术作为数字化的试验技术，集成仿真技术、计算机技术、网络信息技术、试验技术等于一身，被认为是提高武器系统或产品研制水平，增强创新力和竞争力的有效技术手段。现在在国外先进国家，以建模仿真技术为基础的虚拟试验已成为试验与评价工作的重要组成部分，而且有些场合可以部分地取代实物试验，成为试验与评价的新途径。在小型涡轮发动机研制过程中，通过涡轮部件试验获得涡轮部件的真实特性，对于发动机总体性能的评估具有重要作用。而通过涡轮虚拟试验系统可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用。
技术实现思路
本专利技术提出了一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统。为达到上述目的，本专利技术一方面提出了一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统， 包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统，其中，涡轮气动性能虚拟试验子系统进一步包括三维造型模块、流体动力学建模模块、组装模块、三维计算模块、后处理模块、试验报告及评估报告生成模块、数据库管理模块和用户管理模块，所述三维造型模块用于采用具有参数化建模功能的UG模块建立试验器涡壳三维模型和试验件三维模型，其中，所述参数化建模为对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行的描述；所述流体动力学建模模块用于根据三维造型模块生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件(IcemCFD或TurboGrid)进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述组装模块用于对流体动力学建模模块生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型按照实际的物理状态进行组装，以生成可用于气动性能试验的计算模型；所述三维计算模块用于根据设置的试验工况和试验工质结合所述组装模块生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真，并在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置及监控参数；所述后处理模块用于根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据；所述试验报告及评估报告生成模块用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告；所述数据库管理模块用于对数据进行管理，对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估，其中，所述试验模型包括涡壳三维模型、试验件三维模型、涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述用户管理模块用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限；其中，所述涡轮试验环境虚拟试验子系统进一步包括仿真计算模块、接口规范模块和优化模块，所述仿真计算模块，用于对涡轮试验台全气路系统的建模与仿真；所述接口规范模块，用于保证仿真计算过程中前台界面与后台仿真计算程序之间的数据通讯；所述优化模块，用于通过模拟退火优化算法，自动计算出各个阀门的打开情况，以对涡轮台实物试验的试验方案和操作提供参考和指导。在本专利技术的一个实施例中，所述仿真计算模块进一步包括输入输出接口、主控程序子模块、典型元件模块库、管壁传热模型库、通用热物理性质库和推进剂组元等效化学式库，所述输入输出接口，用于获得驱动仿真运行的数据并输出计算过程中的相关数据；所述主控程序子模块，用于对仿真对象的组成结构进行解析，并根据解析后获得的系统结构信息进行模块化建模与仿真；所述典型元件模块库，用于保存气路系统各个模块的数值模型； 所述管壁传热模型库，用于保存四种传热模型供各个模块选择合适的管壁传热模型；所述通用热物理性质库，用于提供或计算气路系统涉及到的流体介质、管壁材料的物性参数及外界环境参数，并在系统仿真时提供给各个模块使用；所述推进剂组元等效化学式库，用于保存H、C、N、0、Al、S、Cl、Ar八元素系统各个推进剂组元的等效化学式。本专利技术实施例通过涡轮虚拟试验系统，可以实现“涡轮部件设计仿真一虚拟试验+ 适当的部件物理试验一指导修改涡轮设计”的设计优化流程，主要可达到以下效果1、可以减少涡轮实物试验次数，部分代替实物试验，缩短产品试验周期，同时降低试验风险和实际试验的费用；涡轮虚拟试验技术，可以对涡轮在发动机上和部件试验台上的性能差异进行分析和评估，从而对涡轮实物试验的结果提出合理的修正意见，对涡轮的设计提出更准确的设计修改建议；2、为整个小型涡轮发动机虚拟试验平台的搭建提供样板；3、虚拟试验技术的采用，对于逐步实现发动机从“传统型设计”到“预测型设计”的根本转变，具有重要意义。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1为本专利技术实施例的小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统结构图；图2为本专利技术实施例两类虚拟试验的关系示意图；图3为本专利技术实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统结构图；图4为本专利技术实施例的虚拟试验方法流程图；图5为本专利技术实施例的涡壳制作流程图；图6为本专利技术实施例的试验件制作流程图；图7为本专利技术实施例的全通道试验流程图；图8为本专利技术实施例的制作试验大纲子流程示意图；图9为本专利技术实施例涡轮试验环境虚拟子系统中气路仿真模块的结构5图10为本专利技术实施例仿真计算模块的结构图；图11为本专利技术实施例优化计算工作流程图；图12为本专利技术实施例接口规范模块结构图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，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。如图1所示，为本专利技术实施例的小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统结构图。该小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统。其中，涡轮试验环境虚拟试验子系统提供涡轮试验环境虚拟试验，其针对整个涡轮试验台的一维气路系统的动态流动，进行的非定常仿真，目的是考察整个试验气路的动态变化过程和规律。涡轮气动性能虚拟试验子系统提供涡轮三维气动性能虚拟试验，针对涡轮台架及被试涡轮部分，进行的涡轮/涡壳及进气/排气部分的三维流动定常模拟，目的是获得涡轮的气动特性。在本专利技术的实施例中，涡轮虚拟试验可以分为两步完成第一步在涡轮气动性能虚拟试验子系统进行涡轮气动性能虚拟试验，获得涡轮部件的气动特性；第二步使用第一步获得的涡轮气动性能数据，在涡轮试验环境虚拟试验子平台进行涡轮试验环境虚拟试验。上述涡轮虚拟试验方法简称为“两步法”，如图2所示，为本专利技术实施例两类虚拟试验的关系示意图。其中第一步试验可独立存在，而第二步试验必须在第一步试验的基础上进行。以下就对涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统进行详细介绍。本专利技术实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验子系统通过搭建网络化的虚拟平台实现，以对小型涡轮发动机涡轮部件的气动性能进行虚拟试验，从而短涡轮试验周期，降低试验风险和实际试验的费用。如图3所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种小型涡轮发动机涡轮虚拟试验系统，其特征在于，包括涡轮气动性能虚拟试验子系统和涡轮试验环境虚拟试验子系统，其中，涡轮气动性能虚拟试验子系统进一步包括三维造型模块、流体动力学建模模块、组装模块、三维计算模块、后处理模块、试验报告及评估报告生成模块、数据库管理模块和用户管理模块，所述三维造型模块用于采用具有参数化建模功能的ＵＧ模块建立试验器涡壳三维模型和试验件三维模型，其中，所述参数化建模为对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行的描述；所述流体动力学建模模块用于根据三维造型模块生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用ＣＦＤ软件（ＩｃｅｍＣＦＤ或ＴｕｒｂｏＧｒｉｄ）进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述组装模块用于对流体动力学建模模块生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型按照实际的物理状态进行组装，以生成可用于气动性能试验的计算模型；所述三维计算模块用于根据设置的试验工况和试验工质结合所述组装模块生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真，并在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置及监控参数，如压力、温度；所述后处理模块用于根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据；所述试验报告及评估报告生成模块用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告；所述数据库管理模块用于对数据进行管理，对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估，其中，所述试验模型包括涡壳三维模型、试验件三维模型、涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述用户管理模块用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限；其中，所述涡轮试验环境虚拟试验子系统进一步包括仿真计算模块、接口规范模块和优化模块，所述仿真计算模块，用于对涡轮试验台全气路系统的建模与仿真；所述接口规范模块，用于保证仿真计算过程中前台界面与后台仿真计算程序之间的数据通讯；所述优化模块，用于通过模拟退火优化算法，自动计算出各个阀门的打开情况，以对涡轮台实物试验的试验方案和操作提供参考和指导。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振德，王维明，郭昊雁，徐凌志，王娜，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：11