CN114169084A - 基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法，属于航空发动机试验和设计技术领域，解决现有技术中的方法使核心机理论模型计算结果难以与实际核心机特性试验结果吻合的技术问题。包括：S101：确定部件参数和核心机换算流量、压比和温比与核心机换算转速的二维曲线图，即为，特性图；S102：部件参数修正部件特征；S103:根据所述部件参数确定核心机理论模型的应变量结果；S104：确定理论模型并与核心机特性图相同或一致，确定出核心机理论模型自变量修正系数；S105:通过所述自变量修正系数确定部件性能偏离所述理论模型的偏差量。本发明的方法优化发动机的设计。

Description

基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法

技术领域

本发明属于航空发动机试验和设计技术领域，尤其涉及一种基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法。

背景技术

现有核心机特性试验，往往在设计状态尾喷管出口面积(等效于低压涡轮导向器面积)和压气机导叶角度控制规律下验证部件集成后的综合性能表现，尾喷管面积组别少，压气机导叶角度调节范围小，因此，无法获得范围较宽的核心机特性，难以支撑核心机及整机性能研究。

现有核心机理论模型，是基于部件特性和部件共同工作条件(流量/压力/功率/转速平衡)建立，但由于部件试验环境与部件在核心机、整机中所处环境有较大差异，导致部件试验关键参数无法准确控制以模拟核心机、整机环境中的状态，如,压气机导叶角度控制精度不一、压气机转静子间隙不同、涡轮冷气分配量及其具备做功能力流量变化、空气系统存在非设计漏气等，因此部件特性与在核心机、整机环境中的性能表现有差别。最终，核心机理论模型计算结果难以与实际核心机特性试验结果吻合。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法，解决现有技术中的方法使核心机理论模型计算结果难以与实际核心机特性试验结果吻合的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：

提供一种基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法，所述方法包括，

S101：确定部件参数和核心机换算流量、压比和温比与核心机换算转速的二维曲线图，即为，特性图；

S102：部件参数修正部件特征；

S103:根据所述部件参数确定核心机理论模型的应变量结果；

S104：确定理论模型并与核心机特性图相同或一致，确定出核心机理论模型自变量修正系数；

S105:通过所述自变量修正系数确定部件性能偏离所述理论模型的偏差量。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

修正后的核心机理论模型，既能够评估高压部件性能(高压部件效率、压气机稳定裕度、流道总压损失，提出部件改进设计方向)、研究核心机性能偏离设计方案的原因及核心机部件匹配优化方向(转子转速、压气机导叶角度、流道气动面积等调整量)、预估核心机不同工况性能，也能够为整机性能调试提供支撑，如评估整机性能试验核心机进气流量，在整机层面确定需要匹配到的核心机工作点的条件：匹配的转速、压气机导叶角度、低压涡轮导向器面积等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1核心机特性图-核心机压比、换算流量及换算转速关系；

图2核心机特性图-核心机温比、换算流量及换算转速关系。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

发动机内的燃油经过喷嘴雾化后进行燃烧，工作过程中，燃油是被充分燃烧的，机匣内压力大，作好密封性即可，但，在停止过程中，燃油是不被充分燃烧的，易形成油沉积在机匣内，需要注意的是，该沉积油是高温油，随发动机再次工作，高温油易于与机匣内的导叶接触，从而烧蚀。本案的目的是如何在发动机停止过程中，排出该高温油。

如图1所示的基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法，所述方法包括：

S101：确定核心机换算流量、压比和温比与核心机换算转速的二维曲线图，即为，特性图和部件参数(部件实际实验所确定)，具体的：

获取多组不同出口面积的尾喷管和多组不同压气机导叶角度的控制规律，及，获取高压涡轮的多组不同导向器喉道面积；

在核心机特性图上将尾喷管面积按照从大到小的功能，确定核心机特性图上且由上至下换算转速线上的核心机压比和温比工作点；

在核心机特性图上压气机导叶角度从小到大地打开，能够获得共同工作线上的核心机压比和温比工作点且从在核心机特性图上从左到；

上述的即为坐标变化的确定，确定核心机换算流量、压比和温比与核心机换算转速的二维曲线图，即为，获得核心机换算流量/压比/温比与核心机换算转速的二维曲线图，即特性图。

S102：部件参数修正部件特性，具体的：

根据发动机原理建立设计点模型，并基于共同工作条件建立非设计点模型，即为，核心机理论模型的修正，包括部件特性图修正和循环匹配约束关系的修正，非设计点模型，部件在固定条件下的工作范围；

部件特性图修正为，使用所述二维曲线图修正部件特性，所述部件特性根据实际部件进行预设次数的试验所述得到，如，

试验评估结果点标记为M，部件试验/计算特性点标记为m，定义部件特性修正系数如下：

换算流量/关键几何面积流通能力修正系数C_w＝W_c，M/W_c，m-1；

效率修正系数为：C_η＝η_M/η_m-1，其中：压气机压比修正C_π：试验评估结果相对换算转速n_r，考虑其余部件变化的压气机特性中新匹配点换算流量W_c，m1、压比π_m1，换算流量修正系数C_w，在部件特性图中小偏差转速0.995×n_r选取等线对应的流量W_c，m2、压比π_m2，可得：

压气机间级引气比焓增修正系数：C_hi＝h_i，model-h_i，map

总压损失修正系数：C_σ＝σ_M/σ_m-1；

喷管几何面积修正系数：C_An＝A_n，model/A_n，map-1。

S103:根据上述的部件参数确定核心机理论模型的应变量结果，即为，循环匹配约束关系的修正，引入自变量和因变量，其中：

自变量包括压气机换算流量修正系数、中介机匣总压损失修正系数、压气机效率修正系数、压气机间级引气比焓增修正系数、主燃烧室总压损失修正系数、涡轮效率修正系数、涡轮导叶喉道折合流量修正系数、喷管流量系数修正系数和喷管几何面积修正系数；

因变量包括：核心机进口流量、中介机匣总压恢复系数、压气机效率、压气机功率、燃烧室总压恢复系数、主燃烧室出口总温、压气机压比、涡轮膨胀比、喷管出口面积；

理论模型，根据核心机设计需求通过仿真确定理论模型，在伦理模型的基础之上，将部件参数作为新的匹配约束，采用9个部件特性修正系数作为匹配猜测值，新增9个循环匹配约束，将部件特性修正系数与试验数据评估结果生成一一映射关系，以下的3个部件特性修正系数的循环约束条件为匹配结果，如下：

1)修正高压涡轮效率确保模型计算的燃烧室出口总温与试验数据评估结果一致；

2)修正高压涡轮流通能力确保模型计算的压气机压比与试验数据评估结果一致；

3)修正尾喷管流通能力确保模型计算的高压涡轮膨胀比与试验数据评估结果一致。

考虑空气系统作为核心机理论模型计算输入，因此可利用涡轮导叶喉道折合流量修正系数与试验前高压涡轮导叶喉道测量面积(考虑冷热态换算系数)是否吻合检验空气系统流量是否准确(判断是否存在非设计漏气量)；同时还可利用各修正系数是否合理、涡轮出口总温的数学模型计算结果与试验测试结果是否吻合检验数学模型或试验测试是否准确。

上述的因变量和自变量能够确定出理论模型应变量结果。

S104：使理论模型与核心机特性图相同或一致，确定出核心机理论模型自变量修正系数；

S105:通过自变量修正系数确定部件性能偏离理论模型的偏差量。

意义：修正后的核心机理论模型，既能够评估高压部件性能(高压部件效率、压气机稳定裕度、流道总压损失，提出部件改进设计方向)、研究核心机性能偏离设计方案的原因及核心机部件匹配优化方向(转子转速、压气机导叶角度、流道气动面积等调整量)、预估核心机不同工况性能，也能够为整机性能调试提供支撑，如评估整机性能试验核心机进气流量，在整机层面确定需要匹配到的核心机工作点的条件：匹配的转速、压气机导叶角度、低压涡轮导向器面积等。

实施例

开展核心机特性试验

试验件技术状态要求

a)核心机特性试验与部件试验、整机性能试验的硬件技术状态应保持一致；

b)核心机特性试验与部件试验、整机性能试验的传感器及其安装位置应保持一致；

c)测试方案设计时，须能够保证利用各流道截面测试数据准确地评估出该截面气动平均值以及准确测量出燃油流量，测点有效性需满足试验持续工作时间；

d)核心机环境下空气系统各流路引气系数与整机设计结果应尽可能一致；

e)试验台架及核心机应尽可能避免非设计性漏气；

f)核心机应具备起动过程压气机放气功能(可利用环控引气管实现)，保证尾喷管出口面积较小时核心机正常起动，起动至慢车状态后关闭放气；

g)准备5～7组不同出口面积工艺喷管，每组面积相差约10％，中等面积喷管与整机低压涡轮导向器面积接近；

h)试验前准备进气扰流畸变发生器，用以模拟整机风扇出口径向压力场。

特性试验前准备要求

a)完成受感部校准试验；

b)完成进气扰流畸变发生器和各引气管吹风试验；

c)完成压气机、主燃烧室、高压涡轮部件试验，获得部件特性；

d)完成各组喷管出口直径、高压涡轮导向器喉道面积等对性能有较大影响的关键尺寸测量。

特性试验

以多组不同出口面积的尾喷管和多组不同压气机导叶角度的控制规律组合方式开展核心机特性试验，为保证试验安全，应优先开展设计状态对应的尾喷管出口面积和压气机导叶角度。

修正核心机理论模型：

依据发动机原理建立设计点模型；

带入部件特性，基于共同工作条件建立非设计点模型；

在非设计点模型基础上设定9个自变量(压气机换算流量修正系数、中介机匣总压损失修正系数、压气机效率修正系数、压气机间级引气比焓增修正系数、主燃烧室总压损失修正系数、涡轮效率修正系数、涡轮导叶喉道折合流量修正系数、喷管流量系数修正系数、喷管几何面积修正系数)，及9个因变量(核心机进口流量、中介机匣总压恢复系数、压气机效率、压气机功率、燃烧室总压恢复系数、主燃烧室出口总温、压气机压比、涡轮膨胀比、喷管出口面积)，修正非设计点数学模型；

使理论模型应变量结果与核心机特性试验测试数据计算结果吻合，获得核心机理论模型自变量修正系数(即与修正前理论模型非设计点性能偏差量)；

输出核心机性能(核心机换算流量、压比、温比及换算转速关系)。

发明的有益效果是：

1，通过多组不同出口面积的尾喷管和多组不同压气机导叶角度的控制规律组合试验获得核心机特性；

2，基于核心机性能匹配模型基础，通过设定9个自变量和9个因变量修正核心机理论模型，使核心机理论模型计算结果与核心机特性试验测试结果吻合；

3，修正后的核心机理论模型，既能够评估高压部件性能(高压部件效率、压气机稳定裕度、流道总压损失，提出部件改进设计方向)、研究核心机性能偏离设计方案的原因及核心机部件匹配优化方向(转子转速、压气机导叶角度、流道气动面积等调整量)、预估核心机不同工况性能，也能够为整机性能调试提供支撑，如评估整机性能试验核心机进气流量，在整机层面确定需要匹配到的核心机工作点的条件：匹配的转速、压气机导叶角度、低压涡轮导向器面积等。

以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于核心机特性试验数据修正核心机性能数学模型的方法，其特征在于，所述方法包括：

S101：确定部件参数和核心机换算流量、压比和温比与核心机换算转速的二维曲线图，即为，特性图；

S102：部件参数修正部件特征；

S103:根据所述部件参数确定核心机理论模型的应变量结果；

S104：确定理论模型并与核心机特性图相同或一致，确定出核心机理论模型自变量修正系数；

S105:通过所述自变量修正系数确定部件性能偏离所述理论模型的偏差量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S101中的方法包括：

获取多组不同出口面积的尾喷管和多组不同压气机导叶角度的控制规律，及，获取高压涡轮的多组不同导向器喉道面积；

在核心机特性图上将尾喷管面积按照从大到小的功能，确定核心机特性图上且由上至下换算转速线上的核心机压比和温比工作点；

在核心机特性图上压气机导叶角度从小到大地打开，能够获得共同工作线上的核心机压比和温比工作点且从在核心机特性图上从左到右；

确定核心机换算流量、压比和温比与核心机换算转速的二维曲线图。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S102的方法包括：

根据发动机原理建立设计点模型，并基于共同工作条件建立非设计点模型；

使用所述二维曲线图修正部件特性，所述部件特性根据实际部件进行预设次数的试验所述得到；

对所述非设计点模型进行修正。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述非设计点模型进行修正的方法包括：

在非设计点模型基础上设定多个自变量和多个因变量；

多个自变量和因变量的试验结果确定理论模型的应变量结果；

使理论模型应变量结果与核心机特性试验测试数据计算保持一致或相同，确定核心机理论模型自变量修正系数；

根据所述自变量修正系数重新确定核心机性能，即为，核心机换算流量、压比、温比及换算转速之间的关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，多个所述自变量包括压气机换算流量修正系数、中介机匣总压损失修正系数、压气机效率修正系数、压气机间级引气比焓增修正系数、主燃烧室总压损失修正系数、涡轮效率修正系数、涡轮导叶喉道折合流量修正系数、喷管流量系数修正系数和喷管几何面积修正系数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，多个所述因变量包括：核心机进口流量、中介机匣总压恢复系数、压气机效率、压气机功率、燃烧室总压恢复系数、主燃烧室出口总温、压气机压比、涡轮膨胀比、喷管出口面积。

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