CN110702420B - 一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法，能够对篦齿封严间隙以及篦齿泄漏流量进行在线实时监测，能够根据所监测的数据来实时调整发动机的参数以此来提高航空发动机运行的安全可靠性和节约航空燃油的消耗。此发明的安全可靠性主要体现在能够解决发动机运行过程中间隙变化引起的转—静之间的剐蹭、压力改变引起的轴向力变化、燃气沿径向入侵、滑油泄漏和冷气流量减小引起的部件过热等问题。这将在很大程度上提高发动机的运行效率。

Description

一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法，主要用于航空发动机运行过程中封严篦齿间隙和泄漏流量在线监测。

背景技术

航空发动机作为飞机的“心脏”对飞机的性能有着极其重要的作用，为了提高发动机的性能，例如推重比和耗油率。我们通常是通过提高发动机的涡轮前燃气温度来实现的。但是，随着涡轮前燃气温度提高，会使得涡轮盘以及涡轮叶片等热端部件承受很高的热负荷，这会严重影响发动机的使用寿命和工作性能。而篦齿作为节流元件在发动机内流空气系统中有着十分重要的作用，它能在一定程度上调节冷气量从而能够降低对轮盘和涡轮叶片等热端部件的热负荷，进而会提高发动机的性能。除此之外，篦齿在调节腔室的压力、防止燃气入侵，调控轴向力等方面有着重要的作用。

由于篦齿在航空发动机中是转动的，转动会使篦齿产生离心力从而使得篦齿发生离心膨胀进而使得篦齿的尺寸发生变化，结合图1和2可知，篦齿转动会对流经篦齿与机匣之间的气流做功，从而会使得气流的温度升高，气流通过传热会让机匣温度升高从而引发机匣变形，因此我们可以知道转动会导致篦齿的工作间隙发生变化，而篦齿封严间隙的变化一方面会导致篦齿环形机匣发生剐蹭、碰撞甚至会对影响发动机的正常运行。另一方面，篦齿封严间隙变化将使得篦齿进出口的气流压力发生变化，篦齿进出口的气流压力变化会引发轴向力的改变，轴向力的变化会影响轴承的寿命；篦齿进出口的气流变化还会引发主流道燃气沿径向内流，从而造成发动机发送损坏。除此之外，根据连续性方程可知篦齿封严间隙变化将会使得流经篦齿与环形机匣间的气流泄漏量减小，气流泄漏量减小将会导致涡轮盘等热端部件达不到冷却效果。在发动机运行过程中，篦齿与环形机匣间的工作间隙随着发动机的转速和温度的变化而变化。目前，航空发动机运行过程中篦齿封严间隙我们无法进行实时测量，从而无法实时得到对热端部件冷却的冷气量。由此可见为了更好地提高发动机的性能，就必须对转子篦齿与静子环形机匣间的工作间隙和流经两者间的气流泄漏量进行实时监测，因此可见本发明对发动机的安全可靠运行具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法，主要目的是为航空发动机运行过程中的实时监测提供技术方法，保证发动机的安全可靠运行，并为转—静间隙的主动控制提供技术条件。

技术方案

一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在封严篦齿进出口位置布置压力和温度测点测量不同工况下的压力和温度；在封严篦齿上方的不同周向位置安装激光位移传感器测量封严篦齿不同工况下封严篦齿和环形机匣的变形量；对不同工况下流经封严篦齿的泄漏量进行收集并用孔板流量计进行测量；

步骤2：在封严篦齿进口部位的截面处布置压力测点来得到封严篦齿前的总压，在封严篦齿出口布置压力测点得到该测点截面的静压，得到不同转速下封严篦齿的压比π：

式中：

为进口总压，p₁为出口静压，单位为KPa；

在封严篦齿进口部位截面和出口部位截面的不同周向位置布置热电偶获得不同工况下封严篦齿进口和出口的总温，从而得到封严篦齿的风阻温升ΔT^*

式中：

为出口总温，

为进口总温，单位为K；

通过管道收集并用孔板流量计进行测量流经封严篦齿的泄漏流量，获得不同工况下封严篦齿的泄漏流量m，根据公式

得出该封严篦齿的流量系数；

理想流量的公式为

其中k取1.4，R_g为气体常数取287，面积A＝2×3.14×R×c；

步骤3：对不同工况的实验数据进行拟合，对流量系数C_D进行拟合，得到公式中的系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆：

对无量纲风阻温升拟合公式进行拟合，得到公式中的系数b₁、b₂、b₃、b₄、b₅：

式中：π为压比，Re为流动雷诺数，

为旋转马赫数；c为篦齿封严间隙，t为齿顶宽度，单位为mm；

步骤4：在实时运转过程中，在测量得到封严篦齿进出口温度、压力和转速的情况下，再结合上述流量系数和无量纲风阻温升公式反算出封严间隙c和泄漏量m；

上述两个方程中未知量只有流动雷诺数Re、篦齿封严间隙c以及流量系数C_D；而流动雷诺数Re是泄漏流量m的函数，流量系数C_D是篦齿封严间隙c以及泄漏流量m的函数，因此上述两个方程中只有篦齿封严间隙c和泄漏流量m两个未知量；在已知篦齿进出口压力和温度的情况下，通过上述两个方程组反算出篦齿封严间隙c和泄漏流量m两个未知量，从而在实验过程中实现实时监测到篦齿封严间隙c和泄漏流量m。

有益效果

本发明提出的一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法，由于此方法不需要对该封严篦齿的封严间隙和泄漏流量进行直接测量，而只需要测量篦齿进出口压力和温度这些参数。相对于直接测量封严间隙和泄漏流量而言，减小了参数值的测量，节约了实验时间和实验成本。

通过本发明能够对篦齿封严间隙以及篦齿泄漏流量进行在线实时监测，能够根据所监测的数据来实时调整发动机的参数以此来提高航空发动机运行的安全可靠性和节约航空燃油的消耗。此发明的安全可靠性主要体现在能够解决发动机运行过程中间隙变化引起的转—静之间的剐蹭、压力改变引起的轴向力变化、燃气沿径向入侵、滑油泄漏和冷气流量减小引起的部件过热等问题。这将在很大程度上提高发动机的运行效率。

附图说明

图1为本发明旋转封严篦齿结构示意图。

图2为本发明旋转封严篦齿测点布置示意图。

图中：

1旋转篦齿 2环形机匣 3篦齿进口温度和压力测点 4篦齿出口温度和压力测点；

H.篦齿齿高 P.篦齿齿间距 t.篦齿齿顶宽度 α.篦齿齿前倾角 β.篦齿齿后倾角R.篦齿半径 c.篦齿封严间隙

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法的主要原理是针对某个特定结构的封严篦齿，在该封严篦齿的泄漏特性和风阻温升特性随压比、转速和工作间隙等参数变化规律已知的情况下，通过计算反算出篦齿封严间隙c和泄漏流量m。

为了能够准确地获得封严篦齿的泄漏特性和风阻温升特性随压比、转速和工作间隙等参数变化规律，首先对该封严篦齿的泄漏特性和风阻温升特性进行实验研究。首先，实验前，在该封严篦齿进出口布置压力和温度测点从而能得到不同压比和转速下的压力和温度数据，并在该封严篦齿上方安装激光位移传感器以此来获得该封严篦齿不同压比和转速下的篦齿封严间隙c，除此之外实验时对流经该封严篦齿的泄漏流量利用孔板流量计进行收集并测量，从而获得不同工况下该封严篦齿的泄漏流量m；其次，在封严篦齿进口部位布置压力测点来得到旋转篦齿前的总压，在旋转篦齿后截面布置压力测点得到4截面的静压，得到不同转速下旋转篦齿的压比π：

式中：

为进口总压，p₁为出口静压，单位为KPa；

在进口部位和出口部位截面的不同周向位置布置热电偶获得不同转速下旋转篦齿进口和出口的总温，从而得到旋转篦齿的风阻温升ΔT^*

式中：

为出口总温，

为进口总温，单位为K；

通过管道收集并用孔板流量计进行测量流经封严篦齿的泄漏流量，获得不同工况下封严篦齿的泄漏流量m，根据公式

得出该封严篦齿的流量系数；所述不同压比和转速下的理想流量

其中k取1.4，R_g为气体常数取287，面积A＝2*3.14*R*c。

在获得封严篦齿泄漏特性和风阻温升特性的基础上，对不同工况的实验数据进行拟合，对流量系数C_D进行公式拟合，得到公式中的待定系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆：

对无量纲风阻温升τ进行公式拟合，得到公式中的待定系数b₁、b₂、b₃、b₄、b₅：

式中：π为压比，Re为流动雷诺数，

为旋转马赫数，c(mm)为篦齿封严间隙，t(mm)为齿顶宽度；

上述流量系数C_D和无量纲风阻温升τ的两个拟合公式中，未知量只有流动雷诺数Re、篦齿封严间隙c以及流量系数C_D。而流动雷诺数Re是泄漏流量m的函数，流量系数C_D是篦齿封严间隙c以及泄漏流量m的函数，因此上述两个方程中只有篦齿封严间隙c和泄漏流量m两个未知量。在已知篦齿进出口压力和温度的情况下，可以通过上述两个方程组反算出篦齿封严间隙c和泄漏流量m两个未知量，因而在实验过程中就可以实现实时监测到篦齿封严间隙c和泄漏流量m的功能。

因此为了能够在实验中在线获得不同工况下的篦齿封严间隙c和泄漏流量m，我们必须先通过实验数据得出不同工况下篦齿的泄漏特性和风阻温升特性，而且要保证泄漏特性和风阻温升特性的准确度，这样才能使反向计算出不同工况下的篦齿封严间隙c和泄漏流量m的准确性。

具体实施：

通过不同工况的实验数据从正向分别获得了式(1)和式(5)所示的流量系数和无量纲风阻温升的拟合公式。

表1流量系数拟合公式的各参数值

a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>	a<sub>4</sub>	a<sub>5</sub>	a<sub>6</sub>	相关系数R
							88.41	-0.91	3.38	24.39	-3.83	-0.396	0.95

式中：π为压比，Re为流动雷诺数，

为旋转马赫数，c(mm)为篦齿封严间隙，t(mm)为齿顶宽度

式中：

(KPa)为进口总压，p₁(KPa)为出口静压

式中：m(kg/s)为质量流量，μ为动力粘度，R(mm)为转盘半径

式中：n(rpm)为转速，k为比热比，R_g为气体常数，T(K)为进口静温

表2无量纲风阻温升拟合公式的各参数值

b<sub>1</sub>	b<sub>2</sub>	b<sub>3</sub>	b<sub>4</sub>	b<sub>5</sub>	相关系数R
						1.157	-0.488	-0.4996	3.16	0.084	0.999

式中：

(K)为出口总温，

(K)为进口总温

流量系数和无量纲风阻温升的拟合公式的适用条件：1.1≤π≤1.5，3500≤Re≤10000，0.6＜c/t＜1.1，

实施例1：

在固定所研究篦齿的结构参数下，如图2所示，在旋转篦齿前3截面布置压力测点来得到旋转篦齿前的总压，而由于3截面速度较低，因此通过3截面的静压来代替总压，在旋转篦齿后4截面布置压力测点得到4截面的静压以此来得到不同转速下旋转篦齿的压比π，同时在3、4截面的不同周向位置布置K型热电偶来获得不同转速下旋转篦齿进出口的总温，从而得到旋转篦齿的风阻温升ΔT^*。

除此之外，由于转速的变化会使得旋转篦齿的工作间隙发生变化，主要是由于环形机匣和旋转篦齿两者的尺寸变化共同导致的，因此实验过程中在5截面的不同周向位置安放激光位移传感器来分别监测旋转篦齿和环形机匣的尺寸变化，流经旋转篦齿的气流泄漏量通过管道收集并用孔板流量计进行测量。在获得压比等气动参数和齿顶间隙等几何参数后，根据各个不同参数获得流量系数和无量纲风阻温升的拟合公式。在获得流量系数和无量纲风阻温升的拟合公式以后，在给定旋转篦齿进出口温度、压力和转速的情况下，通过计算得到旋转篦齿的工作间隙c和泄漏流量m，这样就能实时在线监测该旋转篦齿的工作间隙c和泄漏流量m。

实施例2：

在固定封严篦齿几何参数的情况下，假定旋转篦齿的进出口压力和温度，得到相应的旋转篦齿封严间隙c和泄漏流量m并与实验数据进行对比，最终分别得到旋转篦齿封严间隙c和泄漏流量m的偏差。

封严篦齿的几何参数为：半径R＝293.7mm，齿高H＝6mm，齿间距为P＝6mm，齿顶宽度为t＝0.45mm，前倾角α＝15°，后倾角β＝30°。

表3给出了不同工况下实验的泄漏流量和篦齿封严间隙与计算泄漏流量和篦齿封严间隙之间的偏差比较。从表中可以看出，估算法得出的拟合流量系数和拟合无量纲温比与实验流量系数与实验温比偏差较小，泄漏流量最大绝对值偏差ε₁为7.397％，篦齿齿顶间隙最大绝对值偏差ε₀为7.288％，在工程运用上具有较高的实用价值。

表3各参数下拟合工作间隙和拟合泄漏流量的偏差

Claims (1)

1.一种封严篦齿间隙和泄漏流量的在线监测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在封严篦齿进出口位置布置压力和温度测点测量不同工况下的压力和温度；在封严篦齿上方的不同周向位置安装激光位移传感器测量封严篦齿不同工况下封严篦齿和环形机匣的变形量；对不同工况下流经封严篦齿的泄漏量进行收集并用孔板流量计进行测量；

步骤2：在封严篦齿进口部位的截面处布置压力测点来得到封严篦齿前的总压，在封严篦齿出口布置压力测点得到该测点截面的静压，得到不同转速下封严篦齿的压比π：

式中：

为进口总压，p₁为出口静压，单位为KPa；

在封严篦齿进口部位截面和出口部位截面的不同周向位置布置热电偶获得不同工况下封严篦齿进口和出口的总温，从而得到封严篦齿的风阻温升ΔT^*

式中：T₁ ^*为出口总温，

为进口总温，单位为K；

通过管道收集并用孔板流量计进行测量流经封严篦齿的泄漏流量，获得不同工况下封严篦齿的泄漏流量m，根据公式

得出该封严篦齿的流量系数；

理想流量的公式为

其中k取1.4，R_g为气体常数取287，面积A＝2×3.14×R×c；

步骤3：对不同工况的实验数据进行拟合，对流量系数C_D进行拟合，得到公式中的系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆：

对无量纲风阻温升拟合公式进行拟合，得到公式中的系数b₁、b₂、b₃、b₄、b₅：

式中：π为压比，Re为流动雷诺数，

为旋转马赫数；c为篦齿封严间隙，t为齿顶宽度，单位为mm；

步骤4：在实时运转过程中，在测量得到封严篦齿进出口温度、压力和转速的情况下，再结合上述流量系数和无量纲风阻温升公式反算出封严间隙c和泄漏量m；

上述两个方程中未知量只有流动雷诺数Re、篦齿封严间隙c以及流量系数C_D；而流动雷诺数Re是泄漏流量m的函数，流量系数C_D是篦齿封严间隙c以及泄漏流量m的函数，因此上述两个方程中只有篦齿封严间隙c和泄漏流量m两个未知量；在已知篦齿进出口压力和温度的情况下，通过上述两个方程组反算出篦齿封严间隙c和泄漏流量m两个未知量，从而在实验过程中实现实时监测到篦齿封严间隙c和泄漏流量m。

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