CN112326226B - 一种叶轮式离心通风器阻力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种叶轮式离心通风器阻力计算方法，包括：根据叶轮式离心通风器的结构形式及流过于叶轮式离心式通风器的气流流向，确定叶轮式离心通风器的叶轮单元和孔径单元的排布，构建阻力特征单元的网络框架；根据所述阻力特征单元的结构参数和运行参数，确定相应的阻力特征单元的参数值；确定叶轮式离心通风器的工作环境；根据工作环境下的参数值计算叶轮单元阻力和孔径单元阻力及具有多个叶轮单元和孔径单元的叶轮式离心通风器的整体阻力。本申请所提供的方法可依据叶轮式离心通风器结构特征和尺寸，通过网络架构搭建，直接获得叶轮式离心通风器阻力理论表达式，计算方法简单、高效，可适用于全工况下的阻力计算。

Description

一种叶轮式离心通风器阻力计算方法
技术领域
本申请属于叶轮式离心通风器技术领域，特别涉及一种叶轮式离心通风器阻力计算方法。
背景技术
叶轮式离心通风器是航空发动机中应用最为广泛的一种通风器，其阻力特性是润滑通风系统最重要的设计指标。目前叶轮式离心通风器阻力的获取方法主要有仿真分析法和试验拟合法。仿真分析法主要通过计算机软件模拟叶轮式离心通风器运行工况获得其阻力特性，需采用CAD类软件进行建模、网格划分类软件进行网格划分和CFD类软件进行仿真分析，即可得到叶轮式离心通风器在特定转速和环境条件下的阻力大小；试验拟合法一般通过叶轮式离心通风器试验件，在试验器上通过模拟使用工况获得其阻力特性。上述两种方法均可以得到叶轮式离心通风器在固定转速、流量、压力和温度条件下的阻力值。
然而仿真分析法需进行模型建立、网格化分和仿真分析等步骤，计算过程较为复杂、周期长且只能获得固定条件下的离散点，需投入大量的人力和时间，效率较低。而试验拟合法通过试验件在试验器上测得通风器的阻力值，需投入试验件、试验设备和试验人员，只能获取固定条件下离散的阻力点，拟合得到通风器在固定工作条件下的阻力特性，其拟合精度与试验设备的精度、试验人员技能和试验点的选取有密切关系，成本较高且效率较低；若通风器结构发生改变，则试验结果将失去参考价值。
目前航空发动机润滑系统在方案设计阶段，需要对发动机典型剖面内多达数十个状态点进行计算和评估，且需不断对系统方案进行调整和改进，上述两种方法成本高、周期长和适用性差，已不符合现代发动机通风系统的设计需求。
发明内容
本申请的目的是提供了一种叶轮式离心通风器阻力计算方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种叶轮式离心通风器阻力计算方法，包括：
根据叶轮式离心通风器的结构形式及流过于叶轮式离心式通风器的气流流向，确定叶轮式离心通风器的叶轮单元和孔径单元的排布，构建阻力特征单元的网络框架；
根据所述阻力特征单元的结构参数和运行参数，确定相应的阻力特征单元的参数值；
确定叶轮式离心通风器的工作环境；
根据工作环境下的参数值计算叶轮单元阻力和孔径单元阻力及具有多个叶轮单元和孔径单元的叶轮式离心通风器的整体阻力，其中，所述叶轮单元阻力满足：
Figure GDA0003519073160000021
式中，i为表示叶轮单元编号，ΔPai为对应编号下的叶轮单元阻力，Qm为流体质量流量，Pi为对应编号下的叶轮单元所在环境压力，Ti为对应编号下的叶轮单元环境温度，R为气体常数，R1i为对应编号的叶轮内径，R2i为对应编号的叶轮外径，S1i为叶轮内径处流体通流面积，S2i为叶轮外径处流体通流面积，αi和βi为对应编号叶轮在所属切面内的夹角，ω为角速度；
孔径单元阻力满足：
Figure GDA0003519073160000031
式中，j表示孔径单元编号，ΔPbj为对应编号下的孔径单元阻力，Pj为对应编号下的孔径单元环境压力，λj为对应编号下的孔径单元速度系数，Tj为对应编号下的孔径单元静温，Tj *为对应编号下的孔径单元总温，k为常数，f1j为对应孔径单元编号的进口修正系数，f2j为对应孔径单元编号的出口修正系数；
叶轮式离心通风器的整体阻力满足：
Figure GDA0003519073160000032
式中，ΔPz为叶轮式离心通风器整体阻力，ΔPai为对应编号下的叶轮单元阻力，n为叶轮单元个数，1≤i≤n，ΔPbi为对应编号下的孔径单元阻力，N为孔径单元个数，1≤j≤N。
在本申请中，所述对应孔径单元编号的进口修正系数f1j满足：
Figure GDA0003519073160000033
式中，S1j为对应编号孔径单元流体进口面积，S2j为对应编号孔径单元面积，S3j为对应编号孔径单元流体出口面积，τ为进口填充系数，η为进口缓和系数。
在本申请中，所述对应孔径单元编号的进口修正系数f2j满足：
Figure GDA0003519073160000034
式中，S1j为对应编号孔径单元流体进口面积，S3j为对应编号孔径单元流体出口面积。
在本申请中，所述气体常数R的取值为287.06。
在本申请中，所述常数k的取值为1.4。
在另一方面，本申请提供的技术方案是：一种叶轮式离心通风器，所述叶轮式离心通风器的叶轮单元和孔径单元及具有叶轮单元和孔径单元的叶轮式离心通风器整体通过如上任一所述的计算方法得到。
本申请所提供的方法可依据叶轮式离心通风器结构特征和尺寸，通过网络架构搭建，直接获得叶轮式离心通风器阻力理论表达式，计算方法简单、高效；且本申请的方法可适用于全工况下的阻力计算，可获得任一条件下叶轮式通风器的阻力值，且结构发生变化时，可直接修改相关的结构或特征参数，获得新的阻力特性；最后，本申请的方法在润滑系统设计过程中，可根据性能需求调整和改进阻力特性，且适用于系统的多点仿真计算和评估，具有较强的适用性，大大缩短了计算成本和计算周期。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的叶轮式离心通风器阻力计算方法流程图。
图2为本申请中的叶轮式离心通风器叶轮单元示意图。
图3为本申请中的叶轮式离心通风器孔径单元示意图。
图4为本申请一实施例的进口填充系数与长径比曲线图。
图5为本申请一实施例的进口缓和系数与圆角比曲线图。
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。
本申请提供的叶轮式离心通风器阻力计算方法，其主要包括叶轮单元的阻力计算、孔径单元的阻力计算以及叶轮式离心通风器整体阻力计算。
如图1所示，本申请提供的叶轮式离心通风器阻力计算方法包括如下步骤：
步骤1：搭建阻力特征单元网络架构
根据叶轮式离心通风器的结构形式，按气流流向自底向上或自顶向下确定叶轮单元和孔径单元的排布和连接方式，搭建阻力特征单元网络架构。
如图2所示的叶轮单元特征，叶轮单元1是具有一定宽度且可旋转的、类似于叶片的典型结构，在旋转过程中，叶轮结构可带动流体随其高速旋转，使流体与叶轮具有相同的切向速度。一般叶轮结构在沿垂直于通风器轴线方向的剖面与半径方向(径向方向)的夹角为α，在沿平行于通风器轴线方向的剖面与轴线方向的夹角为β；叶轮外径2的尺寸为R2，内径3的尺寸为R1，叶轮角速度为ω。
如图3所示的孔径单元特征，孔径单元7主要由圆形或其它规则形状的孔径通道4产生，流体8在经过孔径单元7时流道会产生突缩和突扩。流体8经过孔径单元7时的进口流道面积5为S1，孔径单元面积6为S2，出口流道面积7为S3，长度为l。
步骤2：阻力特征单元结构尺寸参数
根据各阻力特征单元结构参数和环境参数，对阻力特征单元模型进行赋值。其中，叶轮单元1的结构参数包括夹角为α、夹角为β、外径R2、内径R1，环境参数为角速度ω；孔径单元7的结构参数包括进口流道面积S1、孔径单元面积S2、出口流道面积S3和长度l。
步骤3：定义叶轮式离心通风器工作环境
根据叶轮式离心通风器所处的运行环境，定义叶轮式离心通风器所处环境压力P、温度T和流体质量流量Qm。
步骤4：计算叶轮单元和孔径单元阻力
4.1、此处假设叶轮单元压力线性变化，且流体可随叶轮等速旋转，则叶轮单元的阻力满足：
Figure GDA0003519073160000061
式中：i为表示叶轮单元编号；ΔPai为对应编号下的叶轮单元阻力；Qm为流体质量流量；Pi为对应编号下的叶轮单元所在环境压力；Ti为对应编号下的叶轮单元环境温度；R为气体常数，其取值为287.06；R1i为对应编号下的叶轮内径；R2i为对应编号下的叶轮外径；S1i为对应编号下的叶轮内径处流体通流面积，S2i为对应编号下的叶轮外径处流体通流面积，αi和βi为对应编号下的叶轮在所属切面内的夹角。
4.2、孔径单元的阻力满足：
Figure GDA0003519073160000062
式中：j表示孔径单元编号；ΔPbj为对应编号孔径单元的阻力；Pj为对应编号下孔径单元环境压力；λj为对编号应孔径单元速度系数；Tj为对应编号孔径单元静温；Tj *为对应编号孔径单元总温；k为常数，其取值为1.4；f1j为对应编号孔径单元的进口修正系数；f2j为对应编号孔径单元的出口修正系数。
其中，孔径单元的进/处口修正系数分别满足：
Figure GDA0003519073160000063
Figure GDA0003519073160000064
上式中：S1j为对应编号下的孔径单元流体进口面积；S2j为对应编号孔径单元面积；S3j为对应编号孔径单元流体出口面积；τ为进口填充系数，η为进口缓和系数，对应取值方法在N.E.伊杰里奇克的《水利摩阻手册》(1985)中给出，其可参见图4和图5给出的进口填充系数τ与长径比的关系曲线和进口缓和系数η与圆角比的关系曲线。
步骤5：计算叶轮式离心通风器整体阻力(总阻力)
叶轮式离心通风器的整体阻力为叶轮单元总阻力和孔径单元总阻力之和，其力表达式如下：
Figure GDA0003519073160000071
式中：ΔPz为叶轮式离心通风器整体阻力，ΔPai为对应编号的叶轮单元阻力，n为叶轮单元个数，ΔPbj为对应编号的孔径单元阻力，N为孔径单元个数。
本申请所提供的叶轮式离心通风器计算方法通过对叶轮式离心通风器的特征识别和尺寸，直接获得叶轮式离心通风器阻力理论表达式，计算方法简单、高效；且本申请的方法可适用于全工况下的阻力计算，可获得任一条件下叶轮式通风器的阻力值，且结构发生变化时，可直接修改相关的结构或特征参数，获得新的阻力特性；在润滑系统设计过程中，本申请的方法可根据性能需求调整和改进阻力特性，且适用于系统的多点仿真计算和评估，具有较强的适用性，大大缩短了计算成本和计算周期。
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 (6)

1.一种叶轮式离心通风器阻力计算方法，其特征在于，包括：
根据叶轮式离心通风器的结构形式及流过于叶轮式离心式通风器的气流流向，确定叶轮式离心通风器的叶轮单元和孔径单元的排布，构建阻力特征单元的网络框架；
根据所述阻力特征单元的结构参数和运行参数，确定相应的阻力特征单元的参数值；
确定叶轮式离心通风器的工作环境；
根据工作环境下的参数值计算叶轮单元阻力和孔径单元阻力及具有多个叶轮单元和孔径单元的叶轮式离心通风器的整体阻力，其中，所述叶轮单元阻力满足：
Figure FDA0003519073150000011
式中，i为表示叶轮单元编号，ΔPai为对应编号下的叶轮单元阻力，Qm为流体质量流量，Pi为对应编号下的叶轮单元所在环境压力，Ti为对应编号下的叶轮单元环境温度，R为气体常数，R1i为对应编号的叶轮内径，R2i为对应编号的叶轮外径，S1i为叶轮内径处流体通流面积，S2i为叶轮外径处流体通流面积，αi和βi为对应编号叶轮在所属切面内的夹角，ω为角速度；
孔径单元阻力满足：
Figure FDA0003519073150000012
式中，j表示孔径单元编号，ΔPbj为对应编号下的孔径单元阻力，Pj为对应编号下的孔径单元环境压力，λj为对应编号下的孔径单元速度系数，Tj为对应编号下的孔径单元静温，Tj *为对应编号下的孔径单元总温，k为常数，f1j为对应孔径单元编号的进口修正系数，f2j为对应孔径单元编号的出口修正系数；
叶轮式离心通风器的整体阻力满足：
Figure FDA0003519073150000021
式中，ΔPz为叶轮式离心通风器整体阻力，ΔPai为对应编号下的叶轮单元阻力，n为叶轮单元个数，1≤i≤n，ΔPbi为对应编号下的孔径单元阻力，N为孔径单元个数，1≤j≤N。
2.如权利要求1所述的叶轮式离心通风器阻力计算方法，其特征在于，所述对应孔径单元编号的进口修正系数f1j满足：
Figure FDA0003519073150000022
式中，S1j为对应编号孔径单元流体进口面积，S2j为对应编号孔径单元面积，S3j为对应编号孔径单元流体出口面积，τ为进口填充系数，η为进口缓和系数。
3.如权利要求2所述的叶轮式离心通风器阻力计算方法，其特征在于，所述对应孔径单元编号的进口修正系数f2j满足：
Figure FDA0003519073150000023
式中，S1j为对应编号孔径单元流体进口面积，S3j为对应编号孔径单元流体出口面积。
4.如权利要求1所述的叶轮式离心通风器阻力计算方法，其特征在于，所述气体常数R的取值为287.06。
5.如权利要求1所述的叶轮式离心通风器阻力计算方法，其特征在于，所述常数k的取值为1.4。
6.一种叶轮式离心通风器，其特征在于，所述叶轮式离心通风器的叶轮单元和孔径单元及具有叶轮单元和孔径单元的叶轮式离心通风器整体通过如权利要求1至5任一所述的计算方法得到。
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