CN112067304B - 发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个目的在于提供一种发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法，以实现在整机试验中获得压气机进口流量的准确值。为实现前述目的测量方法包括：提供核心机试验件，并进行核心机试验，对应不同转速分别获得核心机试验件的压气机进口处的第一流量值；获得核心机试验件的压气机进口处的第一总温、第一总压以及第一静压，并计算得到第二流量值；计算第一流量值与第二流量值之间的比值，并拟合得到转速与比值之间的关系曲线。进行整机试验，获得整机试验件压气机进口处的整机总温、整机总压以及整机静压，计算得到整机进口流量计算值；根据关系曲线对整机进口流量计算值进行修正，以得到整机进口流量值。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机高压压气机气动领域，尤其涉及一种发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法。
背景技术
整机试验（corrected flow）：是指航空发动机整机状态下开展的试验，试验中需要测量整机或部件的各项参数，以评估发动机的状态。
进口流量是指单位时间内从发动机或压气机进口处主流道内流过的气体的质量，单位一般为kg/s。整机试验中压气机进口流量通常是较为重要的一项测量参数，其是用于评价航空发动机整机性能的重要指标，因而如何准确测量该参数是航空发动机整机试验的一项重要内容。
目前对于流量的测量通常是基于流量管进行测量，但对于发动机整机试验而言，由于包括内涵流道以及外涵流道，在测量时通常只能获取整机进口流量。内涵道高压压气机进口处由于难以布置流量管，压气机进口流量较难获得。
现有测量方法还包括于部件/核心机试验结果直接进行拟合、插值计算，或者进一步进行VSV角度、转子叶尖间隙差异的修正，这些方法发动机本体构型的差异会带来较大的不确定性，尚不能较好地解决整机试验压气机流量的测量问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法，以实现在整机试验中获得压气机进口流量的准确值。
为实现前述一个目的的发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法，其包括：
提供与整机试验中压气机进口段流道构型一致的核心机试验件；
在多个转速下分别进行核心机试验，对应每一转速分别获得所述核心机试验件的压气机进口处的第一流量值；
在多个转速下分别进行核心机试验，对应每一转速分别获得所述核心机试验件的压气机进口处的第一总温、第一总压以及第一静压，计算得到第二流量值；
对应每一所述转速，计算所述第一流量值与所述第二流量值之间的比值，并拟合得到所述转速与所述比值之间的关系曲线；
在所述多个转速下分别进行整机试验，对应每一转速分别获得整机试验件压气机进口处的整机总温、整机总压以及整机静压，计算得到整机进口流量计算值；
对应每一所述转速，根据所述关系曲线对所述整机进口流量计算值进行修正，以得到整机进口流量值；
对应每一所述转速，对所述整机进口流量值进行换算得到整机试验中压气机进口换算流量。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：
在所述核心机试验件的压气机进口处布置至少一个流量管，所述流量管测量对应每一所述转速的所述第一流量值。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：通过如下公式（1）计算得到所述第二流量值：
其中，WC'为所述第二流量值，Tt为第一总温，Pt为第一总压，Ps为第一静压，γ为比热容比，A为压气机进口面积。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：通过如下公式（2）计算得到所述整机进口流量计算值：
其中，We'为所述整机进口流量计算值，Tt'为整机总温，Pt'为整机总压，Ps'为整机静压。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：通过插值计算得到所述关系曲线中对应每一所述转速的修正系数，通过如下公式（3）计算得到所述整机进口流量值：
We=KcWe' （3）；
其中，We为所述整机进口流量值，Kc为所述修正系数。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：通过如下公式（4）计算得到所述压气机进口换算流量：
其中，Wcor为所述压气机进口换算流量，Pt''为标准工况下的总压，Tt''为标准工况下的总温。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：
在所述核心机试验件的压气机进口处布置总温传感器测点、总压传感器测点以及静压传感器测点，通过所述总温传感器测点测量得到所述第一总温，所述总压传感器测点测量得到所述第一总压，以及所述静压传感器测点测量得到所述第一静压。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：
在整机试验件中的压气机进口处布置整机总温传感器测点、整机总压传感器测点以及整机静压传感器测点，通过所述整机总温传感器测点测量得到所述整机总温，所述整机总压传感器测点测量得到所述整机总压，以及所述整机静压传感器测点测量得到所述整机静压。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：所述第一总温和/或所述第一总压和/或所述第一静压和/或所述整机总温和/或所述整机总压和/或所述整机静压为多个测量值的平均值。
在一个或多个实施方式中，测量方法还包括：所述转速为压气机的相对换算转速，所述换算转速为试验中压气机实际转速与设计转速之间的比值。
本发明的进步效果包括以下之一或组合：
1）本方法通过核心机试验获得各转速下的有效流通面积修正系数Kc，再在整机试验中，在高压压气机进口测量整机总温Tt'、整机总压Pt'以及整机静压Ps'，并通过核心机试验积累的有效流通面积修正系数Kc，进行修正后得到整机环境下的高压压气机进口流量。与现有基于核心机试验结果插值获得整机压气机流量的方法相比，本发明所提供的测量方法无需进行VSV角度、转子叶尖间隙等构型差异修正，从而无需考虑发动机本体构型差异带来的不准确性。
2）本测量方法与传统方法相比计算过程简洁，可在整机试验过程中实时运用。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1示意性示出了本测量方法一个实施方式的步骤流程示意图；
图2示出了一个实施例下关系曲线的示意图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
如背景技术中所述，航空发动机整机试验是指航空发动机整机状态下开展的试验，试验中需要测量整机或部件的各项参数，以评估发动机的状态，整机试验中压气机进口流量通常是较为重要的一项测量参数。在测量进口流量时，采用流量管进行测量是业界公认较为准确的测量方法。相较而言，通过总温、总压、静压测点计算得到的流量，由于未考虑附面层、流道形状、进口剖面等因素的影响，计算结果存在很大的不确定性。但由于在整机试验中，压气机的进口位置无法直接布置流量管测量设备，压气机进口流量目前无法直接获得。
航空发动机的整机中包括核心机部分，其中整机中的压气机、燃烧室和高压涡轮三部分为核心机。在核心机试验中，由于压气机进口处能够布置流量管，因而在核心机试验中，能够通过流量管测量设备来直接测量获得较为准确的压气机进口流量。
基于上述内容，本发明提供了一种发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法，如图1示意性示出了本测量方法一个实施方式的步骤流程示意图，其包括如下步骤：
S1：提供与整机试验中压气机进口段流道构型一致的核心机试验件，可以理解的是，通过布置进口段流道构型一致的核心机试验件，能够在核心机试验中，在压气机进口处获得与整机试验中压气机进口处相同的流量，从而保证了试验的准确性以及可靠性。进一步地，在一个实施方式中，在核心机试验件的进口布置剖面发生装置，如畸变网，以进一步保证核心机试验与整机试验中，压气机进口处流量保持一致。
S2：进行核心机试验，获得核心机试验件的压气机进口处的第一流量值WC。具体来说，通过在多个转速下分别进行核心机试验，对应每一转速均具有一个第一流量值WC。在一个实施方式中，在核心机试验件的压气机进口处布置至少一个流量管，流量管用于测量对应每一转速下的第一流量值WC。其中，在一些实施方式中，是通过在对应每一转速下测量两组或多组测量值后取平均值得到第一流量值WC，也可以是仅测量一组测量值作为第一流量值WC。
S3：再次进行核心机试验，获得核心机试验件的压气机进口处的第一总温Tt、第一总压Pt以及第一静压Ps，并计算得到第二流量值WC'。具体来说，通过在多个转速下分别进行核心机试验，对应每一转速均具有一个第一总温Tt、第一总压Pt以及第一静压Ps。其中，第二流量值WC'是通过如下公式（1）计算得到：
γ为比热容比（无量纲），A为压气机进口面积（单位：平方米）。
其中，压气机进口面积通过测量得到，比热容比γ按照如下公式计算得到：
其中：
；
其中，
分别表示压气机进口、出口总温。
S4：对应每一所述转速，计算第一流量值WC与第二流量值WC'之间的比值K。可以理解的是，对于每一转速，都有一个WC除以WC'得到的比值，因而转速与比值K之间能够拟合得到相互之间的关系曲线。其中，在一个实施方式中，如前述一个或多个实施方式中的转速为压气机的相对换算转速N2r，该换算转速为试验中压气机实际转速与设计转速之间的比值，能够获得更加准确的试验数据。在其他实施方式中，该转速也可以是核心机试验和/或整机试验中的压气机实际转速。如图2示出了一个实施例中，相对换算转速N2r与比值K之间的关系曲线，当相对换算转速N2r趋近于0时，比值K的值趋近于0.96，当相对换算转速N2r趋近于1时，比值K的值趋近于0.98。
S5：进行整机试验, 获得整机试验件中压气机进口处的整机总温Tt'、整机总压Pt'以及整机静压Ps'，并计算得到整机进口流量计算值We'。具体来说，通过在多个转速下分别进行整机试验，对应每一转速均具有一个整机总温Tt'、整机总压Pt'以及整机静压Ps'。其中，整机进口流量计算值We'是通过如下公式（1）计算得到：
S6：根据关系曲线对整机进口流量计算值进行修正。具体来说，对应每一转速，通过对如图2所示的关系曲线进行插值计算能够获得对应的比值K，该K即为对应该一转速下，整机进口流量计算值We'的修正系数Kc。通过如下公式（3）计算得到整机进口流量值We：
We=KcWe' （3）
S7：对整机进口流量值进行换算得到整机试验中压气机进口换算流量。在计算获得了整机进口流量值We后，需要将该整机进口流量值We换算至标准工况下，以便于对试验结果进行比较。其中，对应每一转速，需要对整机进口流量值We进行换算得到整机试验中压气机进口换算流量Wcor，其中，进口换算流量为业界常用的物理量，便于对试验结果进行比较。具体地，通过如下公式（4）计算得到所述压气机进口换算流量Wcor：
其中，Pt''为标准工况下的总压，Tt''为标准工况下的总温。
通过如前方法，首先通过核心机试验获得各转速下的有效流通面积修正系数Kc，再在整机试验中，在高压压气机进口测量整机总温Tt'、整机总压Pt'以及整机静压Ps'，并通过核心机试验积累的有效流通面积修正系数Kc，进行修正后得到整机环境下的高压压气机进口流量。与现有基于核心机试验结果插值获得整机压气机流量的方法相比，本发明所提供的测量方法无需进行VSV角度、转子叶尖间隙等构型差异修正，从而无需考虑发动机本体构型差异带来的不准确性。且与传统方法相比计算过程简洁，可在整机试验过程中实时运用。
可以理解的是在图1以及前述实施方式中，本测量方法是以S1至S7的顺序执行，但在其他实施方式中，S1至S7的顺序并不一定以数字顺序执行，如在一个实施方式中，可以先执行S3再执行S2或S3与S2并行，不以此为限。
在本测量方法的一个实施方式中，是在核心机试验件的压气机进口处布置总温传感器测点、总压传感器测点以及静压传感器测点，通过总温传感器测点测量得到第一总温Tt，总压传感器测点测量得到第一总压Pt，以及静压传感器测点测量得到第一静压Ps。
在本测量方法的一个实施方式中，是通过在整机试验件中的压气机进口处布置整机总温传感器测点、整机总压传感器测点以及整机静压传感器测点，通过整机总温传感器测点测量得到整机总温Tt'，整机总压传感器测点测量得到整机总压Pt'，以及整机静压传感器测点测量得到整机静压Ps'。
在前述一个或多个实施方式中，第一总温Tt和/或第一总压Pt和/或第一静压Ps和/或整机总温Tt'和/或整机总压Pt'和/或整机静压Ps'为多个测点测量后的测量值的平均值，以进一步保证试验数据的准确性。
本发明的进步效果包括以下之一或组合：
1）本方法通过核心机试验获得各转速下的有效流通面积修正系数Kc，再在整机试验中，在高压压气机进口测量整机总温Tt'、整机总压Pt'以及整机静压Ps'，并通过核心机试验积累的有效流通面积修正系数Kc，进行修正后得到整机环境下的高压压气机进口流量。与现有基于核心机试验结果插值获得整机压气机流量的方法相比，本发明所提供的测量方法无需进行VSV角度、转子叶尖间隙等构型差异修正，从而无需考虑发动机本体构型差异带来的不准确性。
2）本测量方法与传统方法相比计算过程简洁，可在整机试验过程中实时运用。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发动机整机试验中压气机进口流量的测量方法，其特征在于，包括：
提供与整机试验中压气机进口段流道构型一致的核心机试验件；
在多个转速下分别进行核心机试验，对应每一转速分别获得所述核心机试验件的压气机进口处的第一流量值；
在多个转速下分别进行核心机试验，对应每一转速分别获得所述核心机试验件的压气机进口处的第一总温、第一总压以及第一静压，计算得到第二流量值；
对应每一所述转速，计算所述第一流量值与所述第二流量值之间的比值，并拟合得到所述转速与所述比值之间的关系曲线；
在所述多个转速下分别进行整机试验，对应每一转速分别获得整机试验件压气机进口处的整机总温、整机总压以及整机静压，计算得到整机进口流量计算值；
对应每一所述转速，根据所述关系曲线对所述整机进口流量计算值进行修正，以得到整机进口流量值；
对应每一所述转速，对所述整机进口流量值进行换算得到整机试验中压气机进口换算流量。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：
在所述核心机试验件的压气机进口处布置至少一个流量管，所述流量管测量对应每一所述转速的所述第一流量值。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过如下公式（1）计算得到所述第二流量值：
其中，WC'为所述第二流量值，Tt为第一总温，Pt为第一总压，Ps为第一静压，γ为比热容比，A为压气机进口面积。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，通过如下公式（2）计算得到所述整机进口流量计算值：
其中，We'为所述整机进口流量计算值，Tt'为整机总温，Pt'为整机总压，Ps'为整机静压。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，通过插值计算得到所述关系曲线中对应每一所述转速的修正系数，通过如下公式（3）计算得到所述整机进口流量值：
We=KcWe' （3）；
其中，We为所述整机进口流量值，Kc为所述修正系数。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，通过如下公式（4）计算得到所述压气机进口换算流量：
其中，Wcor为所述压气机进口换算流量，Pt''为标准工况下的总压，Tt''为标准工况下的总温。
7.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：
在所述核心机试验件的压气机进口处布置总温传感器测点、总压传感器测点以及静压传感器测点，通过所述总温传感器测点测量得到所述第一总温，所述总压传感器测点测量得到所述第一总压，以及所述静压传感器测点测量得到所述第一静压。
8.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括：
在整机试验件中的压气机进口处布置整机总温传感器测点、整机总压传感器测点以及整机静压传感器测点，通过所述整机总温传感器测点测量得到所述整机总温，所述整机总压传感器测点测量得到所述整机总压，以及所述整机静压传感器测点测量得到所述整机静压。
9.如权利要求7或8任一项所述的测量方法，其特征在于，所述第一总温和/或所述第一总压和/或所述第一静压和/或所述整机总温和/或所述整机总压和/或所述整机静压为多个测量值的平均值。
10.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述转速为压气机的相对换算转速，所述相对换算转速为试验中压气机实际转速与设计转速之间的比值。
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2020
- 2020-11-11 CN CN202011250592.4A patent/CN112067304B/zh active Active
Patent Citations (4)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112067304A (zh) | 2020-12-11 |
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