CN113361040B - 一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法 - Google Patents

一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于航空发动机试验技术领域，具体涉及一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法。包括：步骤S1、给定高压压气机进口换算流量的初值；步骤S2、依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量；步骤S3、获取经测量的高压涡轮喉道换算流量，并与步骤S2计算的高压涡轮喉道换算流量进行比较，确定相对误差；步骤S4、若所述相对误差大于预设值，则根据计算及测量的高压涡轮喉道换算流量对高压压气机进口换算流量进行修正，形成新的高压压气机进口换算流量，迭代计算直至确定主燃烧室出口温度。本申请给定压气机进口流量初值，迭代求解出发动机整机状态下燃烧室出口温度，实现主燃烧室出口温度的准确评估。

Description

一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法
技术领域
本申请属于航空发动机试验技术领域，特别涉及一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法。
背景技术
目前双转子涡扇发动机整机状态下可以直接测量转速、风扇压气机进出口总温等参数，但是无法测量燃烧室出口温度，主要因为整机条件下燃烧室出口温度往往高达1800～2000K，现有温度传感器无法直接可靠测量该温度，导致无法对发动机状态进行精确评估，可能出现超温烧蚀等问题。
目前方法是采用发动机总体性能仿真模型计算得到燃烧室出口温度。采用发动机热平衡法计算得到燃烧室出口温度，由于整机条件下压气机进口流量、高涡涡轮出口总温总压等参数无法测量，导致无法准确确定参与燃烧的空气流量，热平衡法计算得到燃烧室出口温度会得到多组结果，和实际结果偏差较大，在技术层面还不能很好地实现工程应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，包括：
步骤S1、给定高压压气机进口换算流量的初值；
步骤S2、根据所述高压压气机进口换算流量依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量；
步骤S3、获取经测量的高压涡轮喉道换算流量，并与步骤S2计算的高压涡轮喉道换算流量进行比较，确定相对误差；
步骤S4、若所述相对误差大于预设值，则根据计算及测量的高压涡轮喉道换算流量对高压压气机进口换算流量进行修正，形成新的高压压气机进口换算流量，返回步骤S1，直至所述相对误差不高于所述预设值后，将步骤S2计算的主燃烧室出口温度作为发动机整机条件下燃烧室出口温度。
优选的是，步骤S2中，依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量包括：
步骤S21、根据高压压气机进口换算流量确定高压压气机出口参数，所述高压压气机出口参数包括高压压气机进口流量W25、设置在高压压气机后的主燃烧的主燃烧室火焰筒进口流量W31及主燃烧室火焰筒进口总焓H31；
步骤S22、根据所述高压压气机出口参数确定主燃烧室出口参数，所述主燃烧室出口参数包括主燃烧出口流量W4、主燃烧室出口总温T4以及主燃烧室出口总压P4；
步骤S23、根据所述主燃烧室出口参数确定高压涡轮喉道换算流量。
优选的是，步骤S21进一步包括：
步骤S211、根据所述高压压气机进口换算流量W25R、高压压气机进口总压P25、高压压气机进口总温T25确定高压压气机进口流量W25；
步骤S212、根据所述高压压气机进口流量W25以及高压压气机的总引气量Wb1确定主燃烧室火焰筒进口流量W31；
步骤S213、根据所述主燃烧火焰筒进口流量W31及高压压气机出口总温T3确定主燃烧室火焰筒进口总焓H31。
优选的是，步骤S21中，高压压气机进口总压P25、高压压气机进口总温T25、高压压气机的总引气量Wb1以及高压压气机出口总压T3均经发动机整机试车测量获得。
优选的是，步骤S22进一步包括：
步骤S221、根据主燃烧室燃油流量Wf及主燃烧室火焰筒进口流量W31确定主燃烧出口流量W4；
步骤S222、根据主燃烧出口流量W4、燃烧室火焰筒进口总焓H31、主燃烧室燃烧效率ηb、主燃烧室燃油流量Wf、燃气定压比热容Cp及燃油热值Hu确定主燃烧室出口总温T4；
步骤S223、根据主燃烧室总压损失σb及高压压气机出口总压P3确定主燃烧室出口总压P4。
优选的是，步骤S223中，高压压气机出口总压P3由发动机整机试车测量获得，主燃烧室总压损失σb通过采用燃烧室出口静压代替总压，采用周向多个压差传感器测量燃烧室出口静压与高压压气机出口总压的差值确定。
优选的是，步骤S4中，所述预设值为0.01，所述相对误差为：
(W405,cor-(W405,cor)测量)/(W405,cor)测量；
其中，W405,cor为计算的高压涡轮喉道换算流量，(W405,cor)测量为测量的高压涡轮喉道换算流量。
优选的是，步骤S4中，形成新的高压压气机进口换算流量包括：
W25R(k+1)＝W25R(k)-W405,cor(k)/[W405,cor(k)-(W405,cor)测量]；
其中，k为进行迭代计算的代数，W25R(k+1)表示第k+1次迭代形成的新的高压压气机进口换算流量，W25R(k)表示第k次迭代形成的高压压气机进口换算流量，W405,cor(k)表示第k次迭代计算的高压涡轮喉道换算流量。
优选的是，步骤S4中，测量的高压涡轮喉道换算流量(W405,cor)测量经由核心机加温加压试验测量获得。
优选的是，进一步包括对测量的高压涡轮喉道换算流量(W405,cor)测量进行修正，修正系数为进行发动机整机试验时，整机试验装配的实际高压涡轮导向器面积较核心机试验时的增大量。
本申请通过整机条件下大状态时高压涡轮导向器喉部折合流量值不变的特点，给定压气机进口流量初值，迭代求解出发动机整机状态下燃烧室出口温度，实现准确的评估。
附图说明
图1是本申请发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法的一优选实施例的流程图。
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。
本申请要为了获取整机条件下考虑附面层的航空发动机进口物理流量，需要在进气道中布置总压和静压测点，总压测量采取靠近壁面测点加密的形式测量进气道中附面层内的压力，同时还需要测量环境大气温度和进气道截面面积；为获得考虑附面层的发动机进口的换算流量，还需要在发动机进口布置总压测点，同样采取靠近壁面测点加密的形式测量附面层内的压力，获得更为准确的截面平均压力值。
本申请发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、给定高压压气机进口换算流量的初值；
步骤S2、根据所述高压压气机进口换算流量依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量；
步骤S3、获取经测量的高压涡轮喉道换算流量，并与步骤S2计算的高压涡轮喉道换算流量进行比较，确定相对误差；
步骤S4、若所述相对误差大于预设值，则根据计算及测量的高压涡轮喉道换算流量对高压压气机进口换算流量进行修正，形成新的高压压气机进口换算流量，返回步骤S1，直至所述相对误差不高于所述预设值后，将步骤S2计算的主燃烧室出口温度作为发动机整机条件下燃烧室出口温度。
本申请通过整机条件下大状态时高压涡轮导向器喉部折合流量值不变的特点，给定压气机进口流量初值，迭代求解出发动机整机状态下燃烧室出口温度，实现准确的评估。
在一些可选实施方式中，步骤S2中，依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量包括：
步骤S21、根据高压压气机进口换算流量确定高压压气机出口参数，所述高压压气机出口参数包括高压压气机进口流量W25、设置在高压压气机后的主燃烧的主燃烧室火焰筒进口流量W31及主燃烧室火焰筒进口总焓H31；
步骤S22、根据所述高压压气机出口参数确定主燃烧室出口参数，所述主燃烧室出口参数包括主燃烧出口流量W4、主燃烧室出口总温T4以及主燃烧室出口总压P4；
步骤S23、根据所述主燃烧室出口参数确定高压涡轮喉道换算流量。
在一些可选实施方式中，步骤S21进一步包括：
步骤S211、根据所述高压压气机进口换算流量W25R、高压压气机进口总压P25、高压压气机进口总温T25确定高压压气机进口流量W25；
步骤S212、根据所述高压压气机进口流量W25以及高压压气机的总引气量Wb1确定主燃烧室火焰筒进口流量W31；
步骤S213、根据所述主燃烧火焰筒进口流量W31及高压压气机出口总温T3确定主燃烧室火焰筒进口总焓H31。
在一些可选实施方式中，步骤S21中，高压压气机进口总压P25、高压压气机进口总温T25、高压压气机的总引气量Wb1以及高压压气机出口总压T3均经发动机整机试车测量获得。
该实施例中，给定压气机进口换算流量的初值，结合整机试车测量的P25、T23、T3、P3、Wb1求解压气机出口参数包括：
W31＝W25-Wb1
H31＝f(T3，W31)。
在一些可选实施方式中，步骤S22进一步包括：
步骤S221、根据主燃烧室燃油流量Wf及主燃烧室火焰筒进口流量W31确定主燃烧出口流量W4；
步骤S222、根据主燃烧出口流量W4、燃烧室火焰筒进口总焓H31、主燃烧室燃烧效率ηb、主燃烧室燃油流量Wf、燃气定压比热容Cp及燃油热值Hu确定主燃烧室出口总温T4；
步骤S223、根据主燃烧室总压损失σb及高压压气机出口总压P3确定主燃烧室出口总压P4。
在一些可选实施方式中，步骤S223中，高压压气机出口总压P3由发动机整机试车测量获得，主燃烧室总压损失σb通过采用燃烧室出口静压代替总压，采用周向多个压差传感器测量燃烧室出口静压与高压压气机出口总压的差值确定。
该实施例中，根据压气机出口参数、燃油流量和空气系统引气量计算出主燃烧室出口参数包括：
W4＝W31+Wf
P4＝P3σb。
步骤S23中，确定确定高压涡轮喉道换算流量包括：
P405＝P4
W405＝W4+Wb2
其中，W405,cor为高压涡轮喉道换算流量，P405为高压涡轮导向器喉部总压，Wb2为流入高压涡轮导向器喉部前引气量，T405为高压涡轮导向器喉部总温。
在一些可选实施方式中，步骤S4中，所述预设值为0.01，所述相对误差为：
(W405,cor-(W405,cor)测量)/(W405,cor)测量；
其中，W405,cor为计算的高压涡轮喉道换算流量，(W405,cor)测量为测量的高压涡轮喉道换算流量。
在一些可选实施方式中，步骤S4中，形成新的高压压气机进口换算流量包括：
W25R(k+1)＝W25R(k)-W405,cor(k)/[W405,cor(k)-(W405,cor)测量]；
其中，k为进行迭代计算的代数，W25R(k+1)表示第k+1次迭代形成的新的高压压气机进口换算流量，W25R(k)表示第k次迭代形成的高压压气机进口换算流量，W405,cor(k)表示第k次迭代计算的高压涡轮喉道换算流量。
在一些可选实施方式中，步骤S4中，测量的高压涡轮喉道换算流量(W405,cor)测量经由核心机加温加压试验测量获得。
在一些可选实施方式中，进一步包括对测量的高压涡轮喉道换算流量(W405,cor)测量进行修正，修正系数为进行发动机整机试验时，整机试验装配的实际高压涡轮导向器面积较核心机试验时的增大量。
需要说明的是，对于涡扇发动机，核心机试验时，压气机进口流量是可以测量的，因此可以通过核心机加温加压试验测量得到高压涡轮导向器喉部折合流量(W405,cor)测量；当核心机与整机的技术状态均变化很小时，整机试验时的(W405,cor)测量在发动机大状态时(高压转速大于90％)与核心机测量结果保持一致；当整机试验装配的高涡导向器发生变化时，对高导折合流量(W405,cor)测量进行修正，修正量与实际高导面积成正比，例如整机实际高导面积较核心机偏大2％，则修正量为1.02，此时(W405,cor)测量'＝(W405,cor)测量×1.02。
计算结果与高压涡轮喉道换算流量测量值修正后的结果进行比较，误差不大于1％，迭代求解出压气机进口流量，求解得到此时的燃烧室出口总温。
本申请基于高压涡轮导向器喉部折合流量在大状态保持不变的原理提出一种发动机整机状态下燃烧室出口温度评估方法，对整机、部件性能参数评估具有重大的意义。
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 (5)

1.一种发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，其特征在于，包括：
步骤S1、给定高压压气机进口换算流量的初值；
步骤S2、根据所述高压压气机进口换算流量依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量；
步骤S3、获取经测量的高压涡轮喉道换算流量，并与步骤S2计算的高压涡轮喉道换算流量进行比较，确定相对误差；
步骤S4、若所述相对误差大于预设值，则根据计算及测量的高压涡轮喉道换算流量对高压压气机进口换算流量进行修正，形成新的高压压气机进口换算流量，返回步骤S1，直至所述相对误差不高于所述预设值后，将步骤S2计算的主燃烧室出口温度作为发动机整机条件下燃烧室出口温度；
其中，步骤S2中，依次计算主燃烧室的出口温度及高压涡轮喉道换算流量包括：
步骤S21、根据高压压气机进口换算流量确定高压压气机出口参数，所述高压压气机出口参数包括高压压气机进口流量W25、设置在高压压气机后的主燃烧的主燃烧室火焰筒进口流量W31及主燃烧室火焰筒进口总焓H31；
步骤S22、根据所述高压压气机出口参数确定主燃烧室出口参数，所述主燃烧室出口参数包括主燃烧出口流量W4、主燃烧室出口总温T4以及主燃烧室出口总压P4；
步骤S23、根据所述主燃烧室出口参数确定高压涡轮喉道换算流量；
其中，步骤S21进一步包括：
步骤S211、根据所述高压压气机进口换算流量W25R、高压压气机进口总压P25、高压压气机进口总温T25确定高压压气机进口流量W25；具体为：
步骤S212、根据所述高压压气机进口流量W25以及高压压气机的总引气量Wb1确定主燃烧室火焰筒进口流量W31；具体为：
W31＝W25-Wb1；
步骤S213、根据所述主燃烧火焰筒进口流量W31及高压压气机出口总温T3确定主燃烧室火焰筒进口总焓H31；具体为：
H31＝f(T3,W31)；
步骤S22进一步包括：
步骤S221、根据主燃烧室燃油流量Wf及主燃烧室火焰筒进口流量W31确定主燃烧出口流量W4；具体为：
W4＝W31+Wf；
步骤S222、根据主燃烧出口流量W4、燃烧室火焰筒进口总焓H31、主燃烧室燃烧效率ηb、主燃烧室燃油流量Wf、燃气定压比热容Cp及燃油热值Hu确定主燃烧室出口总温T4；具体为：
步骤S223、根据主燃烧室总压损失σb及高压压气机出口总压P3确定主燃烧室出口总压P4；具体为：
P4＝P3σb；
步骤S23中，确定高压涡轮喉道换算流量包括：
P4＝P3σb；
P405＝P4；
W405＝W4+Wb2；
其中，W405,cor为高压涡轮喉道换算流量，P405为高压涡轮导向器喉部总压，Wb2为流入高压涡轮导向器喉部前引气量，T405为高压涡轮导向器喉部总温；
步骤S4中，所述预设值为0.01，所述相对误差为：
(W405,cor-(W405,cor)测量)/(W405,cor)测量；
其中，W405,cor为计算的高压涡轮喉道换算流量，(W405,cor)测量为测量的高压涡轮喉道换算流量；
步骤S4中，形成新的高压压气机进口换算流量包括：
W25R(k+1)＝W25R(k)-W405,cor(k)/[W405,cor(k)-(W405,cor)测量]；
其中，k为进行迭代计算的代数，W25R(k+1)表示第k+1次迭代形成的新的高压压气机进口换算流量，W25R(k)表示第k次迭代形成的高压压气机进口换算流量，W405,cor(k)表示第k次迭代计算的高压涡轮喉道换算流量。
2.如权利要求1所述的发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，其特征在于，步骤S21中，高压压气机进口总压P25、高压压气机进口总温T25、高压压气机的总引气量Wb1以及高压压气机出口总温T3均经发动机整机试车测量获得。
3.如权利要求1所述的发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，其特征在于，步骤S223中，高压压气机出口总压P3由发动机整机试车测量获得，主燃烧室总压损失σb通过采用燃烧室出口静压代替总压，采用周向多个压差传感器测量燃烧室出口静压与高压压气机出口总压的差值确定。
4.如权利要求1所述的发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，其特征在于，步骤S4中，测量的高压涡轮喉道换算流量(W405,cor)测量经由核心机加温加压试验测量获得。
5.如权利要求4所述的发动机整机条件下燃烧室出口温度评估方法，其特征在于，进一步包括对测量的高压涡轮喉道换算流量(W405,cor)测量进行修正，修正系数为进行发动机整机试验时，整机试验装配的实际高压涡轮导向器面积较核心机试验时的增大量。
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涡轮导向器喉道燃气流量计算及参数敏感性分析;高扬等;《燃气涡轮试验与研究》;第25卷(第2期);第37-42页 *

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