一种针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法
技术领域
本申请属于航空发动机气动性能测试领域,特别涉及一种针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法。
背景技术
在变循环发动机中,核心机驱动风扇级(CDFS)与高压压气机构成一个联合压缩系统,共同由高压涡轮驱动。在该压缩系统中,CDFS与高压压气机气动耦合明显,气动设计时需要作为一个系统统一考虑,而总体专业进行整机匹配设计时,又需要用到两个部件各自的性能参数。
因此,如何对整个系统和两个分部件的性能分别进行评估,是设计人员需要解决的一个问题。目前,针对CDFS单独部件的研究较多,针对CDFS与高压压气机联合压缩系统的研究相对较少,未见关于高压压气机性能评估方法的研究。
如果按照传统的方法,分别针对CDFS和高压压气机两个部件进行计算和试验,可以获取可靠的CDFS性能,但对于高压压气机,由于很难给定合理的进口场,因此只能获取近似的性能,误差比较大。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一,本申请提供了一种针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法。
本申请公开了一种针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法,其特征在于,包括如下步骤
步骤一、确定高压压气机特性所对应的核心机驱动风扇级工作状态;
步骤二、构建核心机驱动风扇级、高压压气机和前涵道联合计算模型;
步骤三、预设联合计算模型中的前涵道出口以及高压压气机出口的边界条件,对联合计算模型开展计算,得到联合压缩系统的性能;
步骤四、从得到的联合压缩系统中提取高压压气机性能。
根据本申请的至少一个实施方式,所述步骤一中,高压压气机特性所对应的核心机驱动风扇级工作状态为工作在设计状态或共同工作线上。
根据本申请的至少一个实施方式,所述步骤三中,在数值计算环境中,所述联合计算模型中的前涵道出口以及高压压气机出口的边界条件为:
固定前涵道出口反压,使核心机驱动风扇级工作在共同工作线上,改变高压压气机出口反压。
根据本申请的至少一个实施方式,所述步骤三中,在数值模拟环境中,所述联合计算模型中的前涵道出口以及高压压气机出口的边界条件为:
首先调节前涵道出口节气门,使核心机驱动风扇级工作在共同工作线上,然后调节高压压气机出口节气门,进行后续步骤;在高压压气机性能提取过程中,当核心机驱动风扇级偏离共同工作线时,调节前涵道出口节气门,使核心机驱动风扇级回到共同工作线上,再继续高压压气机性能提取。
根据本申请的至少一个实施方式,在所述步骤四、从得到的联合压缩系统中提取高压压气机性能包括:
步骤4.1、从联合计算模型中选取0、1、2、3四个截面,其中,0截面为核心机驱动风扇级进口,1截面为核心机驱动风扇级出口,2截面为高压压气机进口,3截面为高压压气机出口;
步骤4.2、分别获得高压压气机的换算流量(Wc)hp、换算转速(Nc)hp、总压比(πc)hp以及压气机效率(ηc)hp。
根据本申请的至少一个实施方式,在所述步骤4.2、分别根据如下公式(1)-(4)获得高压压气机的换算流量(Wc)hp、换算转速(Nc)hp、总压比(πc)hp以及压气机效率(ηc)hp:
其中,W为物理流量,单位是kg/s;Tt为总温,单位是K;N是物理转速,单位是r/min;BPR是涵道比,Pt是总压,单位是Pa;k是热容比;0/1/2/3为下标,表示截面位置;hp为下标,表示高压性能。
本申请至少存在以下有益技术效果:
本申请的针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法,相比单独针对高压压气机开展计算和试验的性能评估方法,能够使高压压气机置于更合理的工作环境,获取的性能包含了其与CDFS的匹配关系,更贴合实际,误差也相对较小。
附图说明
图1是本申请变循环核心压缩系统气动布局简图
图2是本申请针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法中参数截面位置示意图;
图3是高压压气机无量纲特性示意图;
图4是核心机驱动风扇级况示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,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。所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
本申请分别针对数值模拟计算与联合试验两种环境,提出了变循环核心压缩系统中的高压压气机性能评估方法,指出了数值计算与试验的差异。通过本方法,可以获取合理的高压压气机特性,为压缩系统设计和整机设计提供较好的依据。
本申请的变循环核心压缩系统气动布局如图1所示。在该气动布局中,CDFS与高压压气机之间的气动耦合明显,CDFS静子同时承担为CDFS转子整流和高压压气机进口导流两种功能,CDFS出口气流角和工作状态对高压压气机工作状态有很大影响。因此,对于上游的CDFS部件,可以采用单独计算或试验的方式进行性能评估,但对于下游的高压压气机,单独评估很难给定准确的进口条件,需要在压缩系统联合数值模拟或试验环境下进行性能评估。
为此,本申请公开了一种针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法,下面结合附图1-图4对本申请的该方法进一步详细说明。
一种针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法,包括如下步骤:
步骤一、确定高压压气机特性所对应的核心机驱动风扇级工作状态。
由于在该类压缩系统中,高压压气机特性受CDFS工作状态影响很大,因此讨论高压压气机特性时必须首先明确CDFS工作状态。
具体地,本申请将高压压气机特性进一步明确为:CDFS工作在设计状态/共同工作线上时的高压压气机特性,此时CDFS可以为高压压气机提供较好的进口场,也比较符合整机使用需求。
步骤二、参照图1中的气动布局,构建核心机驱动风扇级、高压压气机和前涵道联合计算模型。
步骤三、预设联合计算模型中的前涵道出口以及高压压气机出口的边界条件,对联合计算模型开展计算,得到联合压缩系统的性能;
其中,针对数值模拟计算与联合试验两种环境,上述边界条件略有不同。
如图4所示,是计算高压压气机特性时,CDFS工况的变化。可见,高压压气机工作状态从堵点到喘点的变化过程中,CDFS工作状态变化很小。因此,在进行高压压气机性能评估时,可以忽略该CDFS工作状态的变化。
为此,针对数值模拟计算环境时,边界条件为:
固定前涵道出口反压,使CDFS工作在共同工作线上,改变高压压气机出口反压,计算联合压缩系统的性能;最后,从压缩系统计算结果中,提取高压压气机性能。
需要说明的是,数值模拟时,如果前涵道出口反压一定,高压压气机工况对CDFS工况影响很小。但在CDFS与高压压气机联合压缩部件试验时,发现随着高压压气机节气门关小、高压压气机工作压比提高,CDFS工况提升较快,高压压气机工况对CDFS工况的影响比数值模拟表现出来的更为明显。因此,在试验中仍采取数值模拟中的方式评估高压压气机性能显然是不合理。
为此,针对联合试验环境时,边界条件为:
首先调节前涵道出口节气门,观察CDFS工况,使其工作在共同工作线上;然后调节高压压气机出口节气门,提取(录取)高压压气机特性;在提取过程中,实时监测CDFS工作状态,当CDFS偏离共同工作线时,调节前涵道出口节气门,使CDFS回到共同工作线上,再继续提取高压压气机特性。
需要说明的是,在上述两种环境中,最后,都是采用相同的方式,从压缩系统计算结果中提取高压压气机性能,即后续的步骤四。
步骤四、从得到的联合压缩系统中提取高压压气机性能。
具体地,在步骤四、从得到的联合压缩系统中提取高压压气机性能包括:
步骤4.1、如图2所示,从联合计算模型中选取0、1、2、3四个截面,其中,0截面为核心机驱动风扇级进口,1截面为核心机驱动风扇级出口,2截面为高压压气机进口,3截面为高压压气机出口。
步骤4.2、分别根据如下公式(1)-(4)获得高压压气机的换算流量(Wc)hp、换算转速(Nc)hp、总压比(πc)hp以及压气机效率(ηc)hp,从而得到高压压气机特性:
其中,W为物理流量,单位是kg/s;Tt为总温,单位是K;N是物理转速,单位是r/min;BPR是涵道比,Pt是总压,单位是Pa;k是热容比;0/1/2/3为下标,表示截面位置;hp为下标,表示高压性能;换算转速(Nc)hp的单位是r/min;换算流量(Wc)hp的单位是kg/s。
根据上述方法,从联合压缩系统中提取的高压压气机特性如图3所示。
综上所述,本申请的针对变循环核心压缩系统的高压压气机性能评估方法,相比单独针对高压压气机开展计算和试验的性能评估方法,能够使高压压气机置于更合理的工作环境,获取的性能包含了其与CDFS的匹配关系,更贴合实际,误差也相对较小。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。