CN110738011A

CN110738011A - 一种发动机内结构件的温度评估方法及系统

Info

Publication number: CN110738011A
Application number: CN201910964756.0A
Authority: CN
Inventors: 于明跃; 李鑫; 陆海鹰; 陈皓; 李毅; 初晓政; 吴小军
Original assignee: AECC Shenyang Engine Research Institute
Current assignee: AECC Shenyang Engine Research Institute
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110738011B

Abstract

本申请属于发动机温度评估技术领域，涉及一种发动机内结构件的温度评估方法及系统。所述方法包括根据纯流体CFD计算模型，确定结构件处流动参数与换热努赛尔数之间的关系，获得第一函数表达式；根据所述第一函数表达式，在发动机处于试车状态下，计算第一换热努赛尔数；在发动机处于台架试车状态下，获得所述结构件的第二换热努赛尔数，修正所述第一函数表达式，获得第二函数表达式；根据所述第二函数表达式计算换热努赛尔数，从而对所述结构件进行温度评估。本发明综合考虑发动机内非典型结构换热的主要影响因素和零件整体温度测试验证结果，既能保证较高的计算精度，又避免了大模型流固耦合CFD计算，节省了计算量。

Description

一种发动机内结构件的温度评估方法及系统

技术领域

本申请属于发动机温度评估技术领域，特别涉及一种发动机内结构件的温度评估方法及系统。

背景技术

航空发动机是一种复杂而又精密的动力机械产品，具有推力大、工作温度高等特点。发动机零部件工作状态温度场的评估，对于发动机性能和结构设计、零件选材都有着重要的意义。

发动机零部件温度评估结果的用户包括发动机结构、性能、强度等多个发动机设计部门，这就决定了发动机零部件温度分析工作需要关注的状态点极多，涵盖发动机使用包线内的多个状态点。

显然，由效率、成本等原因，无法直接进行逐个状态各个零部件温度测量。进行温度分析时，必须依据已知的发动机状态参数，进行相应状态零件温度评估，即各结构多状态的换热计算工作。

在换热计算过程中，一些结构较典型、流动较规则的位置可以利用换热准则公式进行多状态换热计算。例如，发动机机匣外表面，几何较为规则，近似为圆柱体，可以利用圆管或平板换热准则计算。大多数涡轮盘结构也具有相似性，也有专门的旋转盘类换热准则。上述问题在航空发动机热分析工作中可称为典型结构换热问题。

但在机匣局部内腔、局部蜂窝结构等结构尺寸不规则、流动复杂的非典型结构位置，没有专门的准则换热公式进行换热计算。这类问题即为非典型结构位置的换热计算问题。

关于航空发动机内非典型结构的计算方法，目前的技术方案包括两种：

1)近似使用典型结构的换热准则

这实际上是迫于技术能力，不得以忽略了非典型结构的一些特征采取的一种近似算法。其缺点是计算精度较差。

2)全CFD仿真计算。

CFD计算工具的出现，为这类问题提供了一种解决方案。但是为了得到合理的温度场，必须保证分析模型完整，即计算模型应为整个零部件，除了包含非典型结构外，还要包括典型结构，且要求进行包含流体与固体的耦合CFD计算。这一方案的缺点是计算量大，计算效率低，适合科学研究，但很难满足工程上对计算速度的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种发动机内结构件的温度评估方法及系统，用于对非典型结构件进行温度评估。

本申请第一方面提供了一种发动机内结构件的温度评估方法，主要包括：

步骤S1、建立所述发动机内结构件的纯流体CFD计算模型；

步骤S2、获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数与换热努赛尔数之间的关系，获得第一函数表达式；

步骤S3、根据所述第一函数表达式，在发动机处于试车状态下，计算第一换热努赛尔数；

步骤S4、在发动机处于台架试车状态下，获取与所述结构件接触的典型零件的接触处温度，并根据典型零件换热函数计算所述结构件的第二换热努赛尔数，所述典型零件为与所述发动机内结构件接触的规则零件；

步骤S5、根据所述第一换热努赛尔数与所述第二换热努赛尔数，修正所述第一函数表达式，获得第二函数表达式；

步骤S6、获取发动机在各状态下的结构件流动参数，并根据所述第二函数表达式计算换热努赛尔数，从而对所述结构件进行温度评估。

优选的是，步骤S2中，获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数的数值包括：

在CFD计算模型中确定所述结构件处流动参数与发动机主流或二次流已知参数的关系；

根据发动机处于设定状态下的主流或二次流数值，确定所述结构件处流动参数的数值。

优选的是，步骤S2中的发动机主流或二次流已知参数包括主流或二次流的流速、主流或二次流的压力及发动机转速。

本申请第二方面提供了一种发动机内结构件的温度评估系统，包括：

CFD模型建立模块，用于建立所述发动机内结构件的纯流体CFD计算模型；

换热函数确定模块，用于获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数与换热努赛尔数之间的关系，获得第一函数表达式；

试车状态换热情况计算模块，用于根据所述第一函数表达式，在发动机处于台架试车状态下，计算第一换热努赛尔数；

试车状态换热情况测量模块，用于在发动机处于台架试车状态下，获取与所述结构件接触的典型零件的接触处温度，并根据典型零件换热函数计算所述结构件的第二换热努赛尔数，所述典型零件为与所述发动机内结构件接触的规则零件；

换热函数修正模块，用于根据所述第一换热努赛尔数与所述第二换热努赛尔数，修正所述第一函数表达式，获得第二函数表达式；

换热函数应用模块，用于获取发动机在各状态下的结构件流动参数，并根据所述第二函数表达式计算换热努赛尔数，从而对所述结构件进行温度评估。

优选的是，所述换热函数确定模块在获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数的数值包括：

流动关系确定模块，用于在CFD计算模型中确定所述结构件处流动参数与发动机主流或二次流已知参数的关系；

结构件流动参数计算模块，用于根据发动机处于设定状态下的主流或二次流数值，确定所述结构件处流动参数的数值。

优选的是，所述换热函数确定模块的发动机主流或二次流已知参数包括主流或二次流的流速、主流或二次流的压力及发动机转速。

本申请对于发动机内非典型结构件的换热计算效率低的问题，采用了基于发动机主流参数快速确定换热情况即换热努赛尔数的方法，只需要简单构建CFD流体模型，确定流体参数，即可快速获得换热努赛尔数，避免了大模型流固耦合CFD计算，节省了计算量，实现计算发动机内非典型结构多状态换热的目的。

附图说明

图1是本申请的发动机内结构件的温度评估方法的一优选实施方式的流程图。

图2是本申请的一优选实施方式的非典型结构件换热示意图。

图3是本申请的一优选实施方式的另一非典型结构件换热示意图。

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。

本申请发动机内结构件的温度评估方法及系统，主要针对发动机内非典型结构件，所述非典型结构件参考背景技术中的描述，主要指形状不规则的结构，参考图2及图3，分别给出了两个非典型结构件。

图2是一个局部腔，由机匣1和外环块2封闭形成，其下部有装配缝隙，发动机内的主流气流通过缝隙进入局部腔3。图3是蜂窝结构示意图，蜂窝结构位于机匣内侧，转子叶片上部，发动机工作时，主流气流进入蜂窝内腔。

对于上述非典型结构件，不能采用典型结构件的换热算法进行计算，现有技术中一般通过流体与固体的耦合CFD计算模型，计算量非常大，很难满足工程上对计算速度的要求，为此，本申请提供的发动机内结构件的温度评估方法仅通过流体CFD计算模型，提供了基于该模型的算法，能够快速获得换热情况，本申请以下描述中，换热情况与换热努赛尔数等同。

本申请第一方面提供了一种发动机内结构件的温度评估方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、建立所述发动机内结构件的纯流体CFD计算模型；

步骤S1至步骤S3具体包括：

由单相强迫对流换热原理可知，影响非典型结构换热的主要因素是局部Re数，也即局部流速、压力等流动参数。根据台架状态换热情况和各状态流动参数与换热参数的关系，即可获得多状态的换热情况。

单相强迫对流换热原理函数为Nu＝CReⁿPr^m，

其中，Nu——换热努赛尔数，可以反映对流换热的情况；

Re——局部雷诺数；

Pr——普朗特数；

C、n、m——由试验或计算确定的系数。

需说明的是，由于流动要受到结构限制，局部流动参数不同于主流道流动参数或二次流参数。局部流动参数无法通过发动机性能或二次流系统计算直接获得，需同时在CFD计算中确定局部流动参数与发动机主流、二次流等已知参数的关系。

参考图2，在步骤S2中，通过多种发动机状态下的局部流动情况计算，由此得到局部Re数与主流参数间的数学关系。经仿真计算，主流温度、压力和发动机转速是影响蜂窝结构局部Re数的主要因素(按满足工程计算的标准，忽略其它次要因素)。

局部Re数与主流参数间的数学关系为Re＝f(v,p,n)，

其中：Re——局部雷诺数；

v——主流流速；

p——主流压力；

n——发动机转速。

应当理解，由步骤S1-步骤S3计算获得的第一函数表达式虽然能够根据流体参数计算换热情况，但是其结果往往与实际结果相差较大，即基于纯流体的CFD模型计算，虽然速度得到了提高，但结果精确度低，为此，需要对第一函数表达式进行修订，修订方法见步骤S4-步骤S5，步骤S4是应用第一函数表达式计算的换热情况，而步骤S5是试验获得的换热情况，两者比较，即可获得修订参数。

对于步骤S5，在发动机某一确定的状态，例如台架试车状态，非典型结构附近零件壁面的测试温度值t_b，是非典型结构换热情况(Nu_tj数)的函数。如图2所示。

t_b＝f(Nu₁,t_f1,Nu_tj,t_f2)

其中：Nu₁——附近典型结构的换热努赛尔数，可由准则公式计算；

t_f1、t_f2——换热温度，可由计算或测试获得；

Nu_tj——非典型结构的换热努赛尔数。

由测试得到的壁面温度值，可以确定非典型结构台架状态的换热情况。

综上，本申请通过发动机台架试车状态壁面温度测试结果，确定非典型结构台架状态的换热情况，再通过局部纯流体CFD计算，确定各状态下非典型结构处流体流动参数与换热情况的关系，以及局部流动参数与发动机性能或二次流计算获得的已知参数的关系。最终获得非典型结构处发动机各个状态的换热情况。

本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的发动机内结构件的温度评估系统，包括：

在一些可选实施方式中，所述换热函数确定模块在获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数的数值包括：

在一些可选实施方式中，所述换热函数确定模块的发动机主流或二次流已知参数包括主流或二次流的流速、主流或二次流的压力及发动机转速。

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

1.一种发动机内结构件的温度评估方法，其特征在于，包括：

步骤S1、建立所述发动机内结构件的纯流体CFD计算模型；

2.如权利要求1所述的发动机内结构件的温度评估方法，其特征在于，步骤S2中，获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数的数值包括：

3.如权利要求2所述的发动机内结构件的温度评估方法，其特征在于，步骤S2中的发动机主流或二次流已知参数包括主流或二次流的流速、主流或二次流的压力及发动机转速。

4.一种发动机内结构件的温度评估系统，其特征在于，包括：

5.如权利要求4所述的发动机内结构件的温度评估系统，其特征在于，所述换热函数确定模块在获取发动机处于设定状态下的结构件处流动参数的数值包括：

6.如权利要求5所述的发动机内结构件的温度评估系统，其特征在于，所述换热函数确定模块的发动机主流或二次流已知参数包括主流或二次流的流速、主流或二次流的压力及发动机转速。