一種考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法

2023-05-24 01:24:01

專利名稱：：一種考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法
技術領域：
：本發明涉及航空渦輪風扇發動機(簡稱渦扇發動機)空氣系統氣源引氣及壓氣機的設計體系，是一種將空氣系統氣源引氣融入航空壓氣機設計的時間推進通流方法。
背景技術：
：在航空燃氣渦輪發動機中，主燃氣流以外的一些對飛機及發動機的安全和有效工作有重要功能的氣流構成了發動機的空氣系統。根據飛機及發動機的不同工作狀態，空氣系統從發動機不同的壓氣機級引氣，將適當壓力和溫度的空氣用做飛機座艙空調和增壓系統、機翼熱防冰系統、發動機進口整流罩防冰系統、軸承潤滑系統封嚴、發動機熱端部件冷卻、內部間隙控制等方面。其中發動機熱端部件冷卻用氣量佔決定地位。'隨著渦輪進口燃氣溫度的逐年提高和飛行器外部環境的日益複雜多變，為保證飛機及發動機可靠工作所需的空氣系統流量也越來越大。林左鳴的"戰鬥機發動機的研製現狀及發展趨勢，航空發動機"，航空發動機專業國內核心期刊，2006年第32巻第1期的研究表明，第三代戰鬥機發動機用於熱端部件冷卻的空氣系統流量佔核心空氣流量的1718%。另有研究表明，第四代戰鬥機發動機的空氣系統流量佔核心空氣流量的20%以上，而美國的F119發動機甚至達到25。/。。因而，空氣系統的氣源引氣對壓氣機主流流動及氣動性能的影響日益凸顯。從壓氣機中引出高溫壓縮氣體會降低發動機的整機做功能力並幹擾主流的流動，對發動機的性能不利。空氣系統氣源從壓氣機中引氣出的經壓縮的空氣本應該進入燃燒室與燃料混合、燃燒，作為主氣流參與全機的熱力循環、對外做功，但為了空氣系統實現各功能的需要而被引出，失去了做功的機會，使發動機的整機做功能力下降。另一方面，大量氣流從壓氣機的主流中引出，會影響主流的流動，若引氣處理不當，不伹增加流動損失，還會引起主流的不穩定流動。丄Y.Andrew等人的"EffectsofBleedAirExtractiononThrustLeveloftheF404-GE-400TurbofanEngine",NASATM-104247與B.E,Alison的"TheEffectsofCompressorSeventh-stageBleedAirExtractiononPerformanceoftheF100-PW-220AfterburningTurbofanEngine",NASACR-179447的研究表明，隨空氣系統氣源引氣量的增加，發動機整機推力線性下降、耗油率線性上升。在發動機環境中，壓氣機的工作條件是非常複雜的，在壓氣機設計中必須儘可能考慮真實工作環境中的各種條件。目前，關於空氣系統氣源引氣在壓氣機中設計體系中的考慮，國內尚沒有公開發表的相關文獻，國外的壓氣機^:計體系對此功能的考慮也較為初步，主要是在一維設計中進行了與引氣結構相關的流道幾何修正，在二維設計中進行了對引氣後流量及堵塞的修正。這種引氣模型只能反映引氣對壓氣機主流流場的簡單影響，並不具備考慮引氣對壓氣機氣流角、端壁損失、葉排攻角、加功量及葉片造型等流場特性影響機理的功能。綜上所述，第四代渦扇發動機空氣系統的總引氣量已達到核心空氣流量的25%。若空氣系統氣源引氣的影響在設計中未能正確的反映,會導致壓氣機性能的明顯下降以及喘振裕度的大幅降低。基於以上原因，我們提出了一種考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法這一發明。
發明內容本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種利用引氣的模型與壓氣機流道的邊界條件相結合，通過引氣位置處固壁邊界條件的修正，將空氣系統氣源引氣的引氣結構和引氣參數(引氣位置、引氣面積、引氣量、引氣速度、引氣角度)融入壓氣機設計的時間推進通流方法。本發明的技術解決方案考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法(圖1、2)，其特點在於步驟如下(1)根據飛機和發動機的總體指標，綜合考慮發動機空氣系統各功能對氣流參數的要求，得到需要從壓氣機部件引氣的空氣系統氣源的特徵參數，包括氣源壓力、溫度、氣流量等。(2)根據壓氣機的氣動熱力參數和方案設計，在壓氣機各葉排的機匣選取符合空氣系統氣源壓力、溫度等特性參數要求的適當氣源位置，從而確定氣源引氣位置。(3)在壓氣機的時間推進通流設計方案中，對空氣系統氣源所在位置處的機匣固壁邊界條件修改為體現引氣要求的出口邊界條件，從而將氣源引氣的特徵參數融入時間推進通流設計方案中。(4)運行考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流設計程序，引氣的特徵參數以出口邊界條件的形式體現在設計中，引氣參數對壓氣機流場的影響通過時間推進通流程序的求解向上下遊流場傳遞，最終得到考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果。(5)根據考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果流場數據進行葉片造型，得到考慮引氣的壓氣機設計的流道和葉片幾何數據，即可進行壓氣機引氣的三維粘性定常流動計算。所述步驟(l)的發動機空氣系統，為實現功能需要從壓氣機引氣的子系統主要有飛機環控系統、發動機進口防冰系統和發動機熱端部件冷卻系統。確定在發動機工作包線內的各工況狀態下都滿足這三個子系統要求的氣源特徵參數。所述步驟(2)的氣源引氣位置選取在壓氣機各葉排軸向間距之間的主流道內側或外側。所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，由於時間推進通流計箅在r-z坐標面上完成，引氣結構考慮為周向槽引氣。為了簡化計算，不考慮引氣槽通道的影響。所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣面積由引氣邊界條件作用的軸向網格區域限定。為保證引氣流量，弓l氣面積為葉排軸向網格間距的0.40.6倍。所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣量由空氣系統對氣源的需求決定。所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣速度由引氣量和引氣面積決定。所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣角度的考慮暗含在引氣邊界中，由流場端壁的切向速度和給定的沿引氣端壁法向的引氣速度合成。所述步驟(4)的時間推進通流設計程序，求解的是軸對稱歐拉方程，通過葉片力和粘性體積力分別考慮葉片作用和粘性效應。控制方程運用有限體積中心格式、五步Runge-Kutta的時間推進方法，加入二階、四階人工粘性抑制數值振蕩，應用當地時間步和殘差光順的數值技術加速收斂。本發明的原理通過分析發動機空氣系統氣源的特點和要求，將氣源引氣與壓氣機設計相關聯，建立引氣位置、引氣面積、引氣量、引氣速度及引氣角度與壓氣機流道邊界條件相結合的通流引氣模型,通過時間推進通流程序的求解使引氣參數對壓氣機流場的影響向上下遊傳遞，從而將引氣對壓氣機流場氣流角、端壁損失、葉排攻角、加功量及葉片造型等流場特性的影響因素包含進壓氣機的通流流場求解，最終得到考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果。本發明的優點在於(l)本發明在通流設計階段通過引氣區域端壁邊界條件的修改考慮引氣效果，是對弓l氣在壓氣機設計中實現的探索和創新。(2)與國夕卜現有的釆用流量和堵塞修正的弓l氣設計模型相比，本發明建立的引氣特徵參數與壓氣機流道邊界條件^結合的通流弓l氣模型，將弓l氣對壓氣機流場特性的影響因素完全包含進壓氣機的通流流場求解，在壓氣機的通流設計中全面而深入的考慮了空氣系統的氣源引氣。圖1本發明的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法流程圖。圖2本發明的時間推進通流設計中空氣系統氣源引氣的邊界條件處理示意圖。圖3本發明的考慮引氣的壓氣機時間推進通流設計結果流場圖。圖中A.現有的壓氣機設計流程B.本發明對設計體系的改進1.壓氣機機匣2.壓氣機輪轂C.引氣位置&引氣面積Vb.合成引氣速度6.引氣角度Vz.邊界的切向速度Vn.邊界的法向速度D.無引氣流場流線圖E.引氣流場流線圖具體實施方式為更清楚地描述本發明，本具體實施方式以一臺高壓壓氣機設計方案為例，結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明實例為一臺七級高壓壓氣機，設計流量91.2kg/s，設計壓比6.0，設計效率0.S5，葉尖切線速度450m/s,進口輪轂比0.72。壓氣機的流道幾何形狀，如圖3。(1)根據飛機和發動機的總體指標，考慮多級壓氣機中間級引氣用作發動機熱端部件冷卻的功能，按照氣流自身的壓力驅動完成輸送的要求，根據氣源和用戶端的壓力關係選擇高壓壓氣機第三級末機匣作為氣源位置，從而得到引氣的特徵參數。(2)在壓氣機的時間推進通流設計方案中，對空氣系統氣源所在位置處的機匣固壁邊界條件修改為體現引氣要求的出口邊界條件，從而將氣源引氣的特徵參數融入時間推進通流設計方案中。在引氣位置處，第三級靜子和第四級轉子之間有9個軸向計算站，引氣面積為葉排軸向網格間距的0.40.6倍，故引氣面積選擇中間5站。根據空氣系統對氣源的需求，發動機熱端部件冷卻需要從壓氣機中間級引出的氣流量為5%，故本具體實施方式設定氣源的引氣量為5%。根據引氣量和引氣面積計算引氣速度。引氣角度的考慮暗含在弓l氣邊界中，由流場端壁的切向速度和給定的沿引氣端壁法向的引氣速度合成。(3)運行考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流設計程序，引氣的特徵參數以出口邊界條件的形式體現在設計中，引氣參數對壓氣機流場的影響通過時間推進通流程序的求解向上下遊流場傳遞，最終得到考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果。實施效果表1考慮引氣的壓氣機時間推進通流設計結果tableseeoriginaldocumentpage7從實施效果以及考慮引氣的壓氣機時間推進通流設計結果圖(圖3)可以看出，考慮引氣的壓氣機時間推進通流流場的計算較為可信，壓氣機出口流量減小了5.106%,與設計引氣量相符。引氣使得通流流場在引氣區域附近的主流產生明顯的徑向流動。引氣區域下遊主流流量減小，在恆定面積的下遊主流流道內，流量不足產生的壓力梯度使流動膨脹，最終改變弓I氣下遊葉排和級的進口條件。通過應用本發明，將滿足發動機熱端部件冷卻所需的空氣系統氣源引氣結構和引氣參數(引氣位置、引氣面積、引氣量、引氣速度、引氣角度)融入了該七級高壓壓氣機的時間推進通流設計。權利要求1、一種考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於步驟如下(1)根據飛機和發動機的總體指標，綜合考慮發動機空氣系統各功能對氣流參數的要求，得到需要從壓氣機部件引氣的空氣系統氣源的特徵參數，包括氣源壓力、溫度、氣流量等。(2)根據壓氣機的氣動熱力參數和方案設計，在壓氣機各葉排的機匣選取符合空氣系統氣源壓力、溫度等特性參數要求的適當氣源位置，從而確定氣源引氣位置。(3)在壓氣機的時間推進通流設計方案中，對空氣系統氣源所在位置處的機匣固壁邊界條件修改為體現引氣要求的出口邊界條件，從而將氣源引氣的特徵參數融入時間推進通流設計方案中。(4)運行考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流設計程序，引氣的特徵參數以出口邊界條件的形式體現在設計中，引氣參數對壓氣機流場的影響通過時間推進通流程序的求解向上下遊流場傳遞，最終得到考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果。(5)根據考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果流場數據進行葉片造型，得到考慮引氣的壓氣機設計的流道和葉片幾何數據，即可進行壓氣機引氣的三維粘性定常流動計算。2、根據權利要求1所述的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於所述步驟(2)的氣源引氣位置選取在壓氣機各葉排軸向間距之間的主流道內側或外側。3、根據權利要求1所述的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣結構考慮為周向槽引氣，不考慮引氣槽通道的影響。4、根據權利要求1所述的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，弓l氣面積由引氣邊界條件作用的軸向網格區域限定，為葉排軸向網格間距的0.40.6倍。5、根據權利要求1所述的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣量由空氣系統對氣源的需求決定。6、根據權利要求1所述的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，弓l氣速度由弓l氣量和弓l氣面積決定。7、根據權利要求1所述的考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，其特徵在於所述步驟(3)的氣源引氣特徵參數中，引氣角度的考慮暗含在引氣邊界中，由流場中沿引氣端壁的切向速度和弓l氣給定的沿引氣端壁法向的弓l氣速度合成。全文摘要一種考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法，通過分析發動機空氣系統氣源的特點和要求，將氣源引氣與壓氣機設計相關聯，建立引氣位置、引氣面積、引氣量、引氣速度及引氣角度與壓氣機流道邊界條件相結合的引氣模型，通過時間推進通流程序的求解使引氣參數對壓氣機流場的影響向上下遊傳遞，從而將引氣對流場氣流角、端壁損失、加功量及葉片造型等流場特性的影響因素包含進壓氣機的通流流場求解，最終得到考慮空氣系統氣源引氣的壓氣機通流設計結果。本發明將引氣對壓氣機流場特性的影響因素完全包含進壓氣機的通流流場求解，在壓氣機的通流設計中全面而深入的考慮了空氣系統的氣源引氣，是對引氣在壓氣機設計中實現的探索和創新。文檔編號G06F17/50GK101567024SQ20091008416公開日2009年10月28日申請日期2009年5月21日優先權日2009年5月21日發明者侯安平,盛周,巍袁,斌趙申請人:北京航空航天大學