CN110489829A - 一种基于流量特性的空气系统元件设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机设计技术领域，涉及一种基于流量特性的空气系统元件设计方法。所述方法包括获取空气系统元件进出口压比与速度系数及阻力系数的关系；获取换算流量与速度系数、阻力系数及元件流通面积的关系；考虑空气系统元件流动状态处于自摸区，且元件类型保持不变，获取压比、换算流量以及元件流通面积之间的关系；根据进口总压、进口总温、出口静压及流量计算元件流通面积，并根据元件流通面积对空气系统元件进行设计。该方法在已知进口总压、出口静压、流量、流动面积四个参数中三个参数就能够直接求解另一个参数，可以提升了元件流动特性求解的速度和精度。

Description

一种基于流量特性的空气系统元件设计方法

技术领域

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种基于流量特性的空气系统元件设计方法。

背景技术

航空发动机空气系统通常对内部节流元件按其结构形式进行分类，将空气系统流路抽象成流体网络，并依据每个元件的阻力特性完成流体网络求解。在对空气系统网络求解时，通常是根据压力边界求解元件流量。然而对于已知流量边界求解压力的情况，其由于元件流动特性的处理方法不同，基于压力边界求解元件流量的方法适用性较差。

基于现有的空气系统特性分析只能依据压力边界参数求解元件流量，获得网络分析结果。然而空气系统设计通常是已知流量边界进而获得边界元件的出口或进口压力解，按照现有的技术方法，只能在给定压力边界参数范围情况下，使用迭代法获得满足流量目标条件下的边界参数结果，缺点是求解效率低，速度慢，而且容易计算发散、结果不收敛。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供了一种基于流量特性的空气系统元件设计方法，在空气系统元件类型确定的情况下，已知进口总压、出口静压、流量、流动面积四个参数中的三个就能够直接求解另一个参数，从而对空气系统元件进行设计。

本申请基于流量特性的空气系统元件设计方法主要包括：

获取空气系统元件进出口压比F1与速度系数及阻力系数的关系，其中压比为进口总压与出口静压p₂之比；

获取以进口总压和出口静压为名义压力的换算流量F2与速度系数、阻力系数及元件流通面积的关系；

考虑空气系统元件流动状态处于自摸区，且元件类型保持不变，因此流动情况下忽略阻力系数中的雷诺数的影响，从而获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系；

根据进口总压、进口总温、出口静压及流量计算元件流通面积，并根据所述元件流通面积对所述空气系统元件进行设计。

优选的是，空气系统元件进出口压比F1与速度系数及阻力系数的关系为：

其中，ξ为阻力系数，λ为元件出口速度系数。

优选的是，所述换算流量F2包括进口总压的换算流量以及出口静压的换算流量。

优选的是，进口总压的换算流量与速度系数λ、阻力系数ξ及元件流通面积A的关系为：

其中，G为流量，T₁ ^*为进口总温，K为流量函数常数。

优选的是，出口静压的换算流量与速度系数λ、阻力系数ξ及元件流通面积A的关系为：

优选的是，获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系包括获取进口总压的换算流量与压比F1及元件流通面积A之间的关系，即：

优选的是，如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系包括获取出口静压的换算流量与压比F1及元件流通面积A之间的关系，即：

优选的是，根据进口总压、进口总温、出口静压及流量计算元件流通面积包括：

绘制元件单位面积情况下的换算流量F2与压比F1的关系曲线；

根据已知的压比条件计算单位面积情况下的换算流量。

根据实际要求的换算流量与求得单位面积换算流量的比值确定元件流通面积。

本发明提供了一种空气系统元件基于流量特性空气系统元件设计方法，与现有的技术相比，通过使用不同的流量特性关系曲线，在已知进口总压、出口静压、流量、流动面积四个参数中三个参数就能够直接求解另一个参数，可以提升了元件流动特性求解的速度和精度。

附图说明

图1是本申请基于流量特性的空气系统元件设计方法的流程图。

图2是进口总压的换算流量与压比之间的关系示意图。

图3是出口静压的换算流量与压比之间的关系示意图。

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方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，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方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本发明提供了一种基于流量特性的空气系统元件设计方法，在空气系统元件类型确定的情况下，已知进口总压、出口静压、流量、流动面积四个参数中的三个就能够直接求解另一个参数。

如图1所述，所述方法主要包括：

获取空气系统元件进出口压比F1与速度系数及阻力系数的关系，其中压比为进口总压与出口静压p₂之比；

获取以进口总压和出口静压为名义压力的换算流量F2与速度系数、阻力系数及元件流通面积的关系；

考虑空气系统元件流动状态处于自摸区，且元件类型保持不变，因此流动情况下忽略阻力系数中的雷诺数的影响，从而获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系；

根据进口总压、进口总温、出口静压及流量计算元件流通面积，并根据所述元件流通面积对所述空气系统元件进行设计。

空气系统元件的阻力系数定义如公式(1)所示，根据气体动力学相关知识可得进出口压比与速度系数和阻力系数之间的关系，公式(2)。

由流量函数可知，元件的实际流量如公式(3)，则以进口总压和出口静压为名义压力的换算流量分别见公式(4)和公式(5)

通常情况下空气系统元件的阻力系数与该元件的结构及流动情况有关，而流动情况主要受马赫数(速度系数)和雷诺数影响，考虑多数情况下空气系统元件流动状态处于自摸区，忽略雷诺数影响。当元件类型保持不变时，公式(2)和公式(4)可简化为如下形式：

在空气系统元件速度系数0至1范围内，压比和换算流量均是单调增加，则可推导出如下关系：

元件流通面积A一定情况下，典型元件与关系示意图如图2所示，元件流通面积A一定情况下，典型元件与关系示意图如图3所示。

具体步骤是首先确定元件的已知参数和被求参数，随后根据步骤1选择使用流量关系曲线类型，并根据元件流量特性关系获得被求参数。

当元件结构固定，流通面积已知的情况下，已知进口总压、进口总温流量，求出口静压情况下，首先绘制元件与关系曲线，根据已知条件即可求得换算流量根据曲线关系机求得压比最终求得进口总压。

已知元件进口总压、进口总温、出口静压、流量，求流通面积的情况，首先绘制元件单位面积情况下换算流量或者与关系曲线，根据已知的压比条件即可求得单位面积情况下的换算流量或者根据实际要求的换算流量与求得单位面积换算流量的比值即为所求面积A。

本申请涉及的参数说明如下：

本发明提供了一种空气系统元件基于流量特性空气系统元件设计方法，与现有的技术相比，通过使用不同的流量特性关系曲线，在已知进口总压、出口静压、流量、流动面积四个参数中三个参数就能够直接求解另一个参数，可以提升了元件流动特性求解的速度和精度。

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。

Claims (8)

1.一种基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，包括：

获取空气系统元件进出口压比F1与速度系数及阻力系数的关系，其中压比为进口总压与出口静压p₂之比；

获取以进口总压和出口静压为名义压力的换算流量F2与速度系数、阻力系数及元件流通面积的关系；

考虑空气系统元件流动状态处于自摸区，且元件类型保持不变，因此流动情况下忽略阻力系数中的雷诺数的影响，从而获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系；

根据进口总压、进口总温、出口静压及流量计算元件流通面积，并根据所述元件流通面积对所述空气系统元件进行设计。

2.如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，空气系统元件进出口压比F1与速度系数及阻力系数的关系为：

其中，ξ为阻力系数，λ为元件出口速度系数。

3.如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，所述换算流量F2包括进口总压的换算流量以及出口静压的换算流量。

4.如权利要求3所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，进口总压的换算流量与速度系数λ、阻力系数ξ及元件流通面积A的关系为：

其中，G为流量，T₁ ^*为进口总温，K为流量函数常数。

5.如权利要求3所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，出口静压的换算流量与速度系数λ、阻力系数ξ及元件流通面积A的关系为：

6.如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系包括获取进口总压的换算流量与压比F1及元件流通面积A之间的关系，即：

7.如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，获取压比F1、换算流量F2以及元件流通面积之间的关系包括获取出口静压的换算流量与压比F1及元件流通面积A之间的关系，即：

8.如权利要求1所述的基于流量特性的空气系统元件设计方法，其特征在于，根据进口总压、进口总温、出口静压及流量计算元件流通面积包括：

绘制元件单位面积情况下的换算流量F2与压比F1的关系曲线；

根据已知的压比条件计算单位面积情况下的换算流量,

根据实际要求的换算流量与求得单位面积换算流量的比值确定元件流通面积。