CN116595790A - 一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机设计领域，为一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，通过先采用同一套硬件和同一套测试方案分别进行发动机的部件试验、核心机及整机试验，获取整体条件下的各部件实际性能，而后确定高压涡轮膨胀比和外内涵出口压比，通过分别判断高压涡轮膨胀比与膨胀比设计值、外内涵出口压比与压比设计值的大小，来确定后续的设计方向，再通过对低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响进行打分，初步确定可调参数调整的优先顺序，而后通过总体性能计算模型进行优先顺序的二次验证，能够快速、准确的确定低压涡轮导向器流通能力需求，不需要反复上台“凑数”式的获得低压涡轮导向器流通能力需求。

Description

一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法

技术领域

本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法。

背景技术

随着航空武器装备的发展，不断追求高性能的发动机。相应的要求发动机各部件在高温、高转速的恶劣环境下具有高性能，并需要各部件之间能够良好匹配。如果各部件性能不达标或相互之间不匹配工作，会进一步恶化各部件工作环境，容易出现性能下降、压缩部件稳定裕度不足、高温部件烧蚀、可靠性降低等问题。因此高性能航空发动机工作过程中各部件之间必须有良好的匹配，包括主机和加力匹配、复杂冷却环境下的高低压涡轮之间的匹配。

影响复杂冷却环境下的高低压涡轮之间的匹配因素较多，包括复杂的空气系统冷却流路和冷却气量、高低压涡轮导向器流通能力。当高低压涡轮匹配偏离时，通过调整空气系统流路、引气量，调整高低压涡轮匹配的裕度很小，通常采用调整高/低压涡轮导向器流通能力来优化高低压涡轮之间的匹配。

高/低压涡轮导向器流通能力的调整通常通过反复更换不同组别的低压涡轮导向器面积，通过多次的整机试验来确定合适的低压涡轮导向器流通能力，该方法需要准备多个组别的低压涡轮导向器面积，同时需要多次发动机装配、试车，其时间、人力、经济成本较高。

因此，如何提高高低压涡轮之间匹配的效率，满足低压涡轮导向器流通能力的需求是一个需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，以解决现有技术中高低压涡轮之间匹配效率低、经济成本高的问题。

本申请的技术方案是：一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，包括：

采用同一套硬件和同一套测试方案分别进行发动机的部件试验、核心机及整机试验，获取整体条件下的各部件实际性能；

根据整体条件下的各部件实际性能确定高压涡轮膨胀比和外内涵出口压比；

将高压涡轮膨胀比与膨胀比设计值进行对比，若测量的高压涡轮膨胀比小于膨胀比设计值，则进行增加低压涡轮导向器流通能力的设计；若测量的高压涡轮膨胀比大于膨胀比设计值，则进行减少低压涡轮导向器流通能力的设计；

将外内涵出口压比与压比设计值进行对比，当外内涵出口压比小于压比设计值时，判断其是否满足该发动机的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量的设计值，若满足，则将该外内涵出口压比与压比设计值合并，若否，则舍弃该外内涵出口压比；当外内涵出口压比大于压比设计值时，判断其是否满足该发动机的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量的设计至，若满足则将该外内涵出口压比与压比设计值合并，若否，则舍弃该外内涵出口压比；

根据理论计算或前期试验结果确定低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响，并进行打分，可调参数包括等推力情况下排气温度、耗油率、涵道比、外内涵出口压比和高压涡轮膨胀比，同时根据低压涡轮导向器的流通能力调整难度对可行性参数进行打分，按照求和计算对不同可调参数的打分结果总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序；

基于全流程测量参数建立总体性能计算模型，并在总体性能计算模型的基础上按照优先顺序调整可调参数，调整完成后通过仿真计算确定低压涡轮导向器流通能力调整后的结果，判断是否达到预期目标，若是则进行整体验证；若否则先检查总体性能计算模型的正确性，若正确则重新对可调参数的调整顺序进行排序，并重复进行调整及仿真计算，直至满足预期目标；

达到预期目标后，在全流程开展的整体上串装按要求调整流通能力的低压涡轮导向器后开展整体试验验证，确定流通能力调整的最终效果。

优选地，所述低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响进行打分的方法为：

确定影响度打分评级，采用专家打分的方式结合影响度打分评级分别对不同可调参数对应的影响因素进行打分，根据打分结果计算对应影响因素的权重，第i项影响因素δ_i的权重计算公式为：

式中，δ_i为第i个影响因素的权重；a_ij为第j位专家对第i个影响因素的权重分数；n为参与权重打分的专家数量；m为影响因素的个数；

针对每项影响因素的权重，采用求和的方式确定该影响因素对应的可调参数的总分，第k项关键技术的总分S_k计算公式为:

式中，S_k为第k项关键技术的总分；δ_i为为第i个影响因素的权重；b_ki为为对第k项关键技术的第i各影响因素的评分；

对各项可调参数的总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序。优选地，所述高压涡轮膨胀比的确定公式为：

高压涡轮膨胀比＝P4/P43

式中，P4为主燃烧室出口总压，P43为高压涡轮出口总压，P4＝P3*σ_b，其中σ_b为主燃烧室总压恢复系数，P3为压气机出口总压；

σ_b＝1－(dPs32_dif_01+dPs32_dif_02+dPs32_01+dPs32_02-

(P3max-P3))/2/P3

式中，dPs32_dif_01为扩压段静压压差、dPs32_dif_02为扩压段静压压差、dPs32_01为火焰筒壁面静压压差、dPs32_02为火焰筒壁面静压压差、P3max为压气机出口最高压力。

本申请的一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，通过先采用同一套硬件和同一套测试方案分别进行发动机的部件试验、核心机及整机试验，获取整体条件下的各部件实际性能，而后确定高压涡轮膨胀比和外内涵出口压比，通过分别判断高压涡轮膨胀比与膨胀比设计值、外内涵出口压比与压比设计值的大小，来确定后续的设计方向，再通过对低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响进行打分，初步确定可调参数调整的优先顺序，而后通过总体性能计算模型进行优先顺序的二次验证，能够快速、准确的确定低压涡轮导向器流通能力需求，不需要反复上台“凑数”式的获得低压涡轮导向器流通能力需求，极大的节省了时间、人力、经济成本。

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为本申请整体流程示意图。

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。

一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S100，开展全流程测量试验

采用同一套硬件和同一套测试方案分别进行发动机的部件试验、核心机及整机试验，获取整体条件下的各部件实际性能；

形成“一套硬件，分步实施”试验流程和“全面精准测量”的试验方法，也即是当部件试验满足设计要求后，再进行同一套部件对应的核心机试验，在核心机试验满足要求后，再进行同一套核心机对应的整体试验，这样保证整机条件下获取的各部件实际性能能够反应部件的真实工作状态，获得的整机条件下的各部件性能参数包括压气机出口总压P3、主燃烧室扩压器和火焰筒压降、高压涡轮出口总压P43、低压涡轮出口总压P5、外内涵压比P16/P6、排气温度T6、发动机推力和主燃油流量等参数。

上述获得的各部件性能参数均为进行部件试验、核心机及整机试验后的全流程测量参数，获取精准度较高。

步骤S200，根据整体条件下的各部件实际性能确定高压涡轮膨胀比和外内涵出口压比；

高压涡轮膨胀比的确定公式为：

高压涡轮膨胀比＝P4/P43

式中，P4为主燃烧室出口总压，P43为高压涡轮出口总压，P4＝P3*σ_b，其中σ_b为主燃烧室总压恢复系数，P3为压气机出口总压；

σ_b＝1－(dPs32_dif_01+dPs32_dif_02+dPs32_01+dPs32_02-

(P3max-P3))/2/P3

式中，dPs32_dif_01为扩压段静压压差、dPs32_dif_02为扩压段静压压差、dPs32_01为火焰筒壁面静压压差、dPs32_02为火焰筒壁面静压压差、P3max为压气机出口最高压力。

上述参数均为试验测量值。

外内涵出口压比P16/P6能够通过发动机内外涵出口总压测量值直接计算获得，P16为外涵出口总压，P6为内涵出口总压。

步骤S300，高压涡轮膨胀比与设计值对比

将高压涡轮膨胀比与膨胀比设计值进行对比，若测量的高压涡轮膨胀比小于膨胀比设计值，则在P16/P6设计允许的条件下，进行增加低压涡轮导向器流通能力的设计；若测量的高压涡轮膨胀比大于膨胀比设计值，则首先判断高压涡轮导向器流通能力是否偏小，即压气机工作线是否偏离设计工作线，若压气机工作线未偏离，则在P16/P6设计允许的条件下，进行减少低压涡轮导向器流通能力的设计；

通过该步骤，确定了低压涡轮导向器流通能力的设计方向，能够大量减少低压涡轮导向器的设计时间。

步骤S400，P16/P6与设计值对比

将外内涵出口压比P16/P6与压比设计值进行对比，当外内涵出口压比小于压比设计值时，判断其是否满足该发动机的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量的设计值，若满足则将该外内涵出口压比与压比设计值合并，若否，则舍弃该外内涵出口压比；当外内涵出口压比大于压比设计值时，判断其是否满足该发动机的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量的设计至，若满足则将该外内涵出口压比与压比设计值合并，若否，则舍弃该外内涵出口压比；

也即是当计算得到的外内涵出口压比位于压比设计值区间内时，则可以直接将该外内涵出口压比进行后续的低导流通能力设计；若计算得到的内外环出口压比超出压比设计值区间内，通过重新对当前外内涵出口压比对应的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量进行计算，能够得到该发动机的实际的外内涵出口压比能力的重新认定，从而得到新的外内涵出口压比P16/P6的上限值和下限值。

步骤S500，确定权重及调整量

根据理论计算或前期试验结果确定低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响，并进行打分，可调参数包括等推力情况下排气温度、耗油率、涵道比、外内涵出口压比和高压涡轮膨胀比，同时根据低压涡轮导向器的流通能力调整难度对可行性参数进行打分，按照求和计算对不同可调参数的打分结果总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序；

优选地，通常选取三组低压涡轮导向器流通能力调整量(相对于全流程测量状态的相对调整量)进行打分排序，排序的原则考虑效果是否明显、P16/P6是否在合理范围内、高压涡轮膨胀比是否在合理范围内、以及实现难度系数等，见表1。

表1在措施打分表

则低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响进行打分的方法为：

1)权重的确定，确定影响度打分评级，按其对项目影响的重要程度，分别给出5、4、3、2、1分的影响度打分，其中：5分影响最大、1分影响最小。采用专家打分的方式结合影响度打分评级分别对不同可调参数对应的影响因素进行打分，可调参数也即是表1中的不同低导流通能力调整量，根据打分结果计算对应影响因素的权重，第i项影响因素δ_i的权重计算公式为：

式中，δ_i为第i个影响因素的权重；a_ij为第j位专家对第i个影响因素的权重分数,分数为1/2/3/4/5分；n为参与权重打分的专家数量；m为影响因素的个数，个数取4；

2)可调参数的确定，针对每项影响因素的权重，采用求和的方式确定该影响因素对应的可调参数的总分，第k项关键技术的总分S_k计算公式为:

式中，S_k为第k项关键技术的总分；δ_i为为第i个影响因素的权重；b_ki为为对第k项关键技术的第i各影响因素的评分；

对各项可调参数的总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序。

通过采用专家打分而后求和计算的方式，能够初步确定可调参数的影响量顺序，从而为确定后续的设计关键点做准备。

步骤S600，总体性能仿真计算

基于全流程测量参数建立总体性能计算模型，并在总体性能计算模型的基础上按照优先顺序调整可调参数，调整完成后通过仿真计算确定低压涡轮导向器流通能力调整后的结果，判断是否达到预期目标，若是则进行整体验证；若否则先检查总体性能计算模型的正确性，若正确则重新对可调参数的调整顺序进行排序，也即是返回至步骤S500，并重复进行调整及仿真计算，直至满足预期目标；

通过该步骤，能够二次验证可调参数的影响量顺序，从而大幅减少低压涡轮导向器流通能力的调整次数。

由于本申请提出的低压涡轮导向器流通能力需求为基于全流程测量试验基础上的相对调整量，因此空气系统等复杂因素基本在基础模型中包含，但由于低压涡轮导向器流通能力调整后高压涡轮膨胀比变化，因此用总体性能计算模型仿真计算低导流通能力调整后的效果时需要与空气系统专业迭代，适当调整整机空气系统引气量和排气量。

步骤S700，试验验证

达到预期目标后，在全流程开展的整体上串装按要求调整流通能力的低压涡轮导向器后开展整体试验验证，确定流通能力调整的最终效果。

从某高性能小涵道比涡扇发动机低导流通能力调整后试验验证结果看，按上述步骤开展的低导流通能力基本一次调整到位，效果较好。

本申请通过先采用同一套硬件和同一套测试方案分别进行发动机的部件试验、核心机及整机试验，获取整体条件下的各部件实际性能，而后确定高压涡轮膨胀比和外内涵出口压比，通过分别判断高压涡轮膨胀比与膨胀比设计值、外内涵出口压比与压比设计值的大小，来确定后续的设计方向，再通过对低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响进行打分，按照求和计算对不同可调参数的打分结果总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序，而后通过总体性能计算模型进行优先顺序的二次验证，能够快速、准确的确定低压涡轮导向器流通能力需求，不需要反复上台“凑数”式的获得低压涡轮导向器流通能力需求，极大的节省了时间、人力、经济成本。

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 (3)

1.一种发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，其特征在于，包括：

采用同一套硬件和同一套测试方案分别进行发动机的部件试验、核心机及整机试验，获取整体条件下的各部件实际性能；

根据整体条件下的各部件实际性能确定高压涡轮膨胀比和外内涵出口压比；

将高压涡轮膨胀比与膨胀比设计值进行对比，若测量的高压涡轮膨胀比小于膨胀比设计值，则进行增加低压涡轮导向器流通能力的设计；若测量的高压涡轮膨胀比大于膨胀比设计值，则进行减少低压涡轮导向器流通能力的设计；

将外内涵出口压比与压比设计值进行对比，当外内涵出口压比小于压比设计值时，判断其是否满足该发动机的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量的设计值，若满足，则将该外内涵出口压比与压比设计值合并，若否，则舍弃该外内涵出口压比；当外内涵出口压比大于压比设计值时，判断其是否满足该发动机的加力冷却能力和内外涵气流混合损失量的设计至，若满足则将该外内涵出口压比与压比设计值合并，若否，则舍弃该外内涵出口压比；

根据理论计算或前期试验结果确定低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响，并进行打分，可调参数包括等推力情况下排气温度、耗油率、涵道比、外内涵出口压比和高压涡轮膨胀比，同时根据低压涡轮导向器的流通能力调整难度对可行性参数进行打分，按照求和计算对不同可调参数的打分结果总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序；

基于全流程测量参数建立总体性能计算模型，并在总体性能计算模型的基础上按照优先顺序调整可调参数，调整完成后通过仿真计算确定低压涡轮导向器流通能力调整后的结果，判断是否达到预期目标，若是则进行整体验证；若否则先检查总体性能计算模型的正确性，若正确则重新对可调参数的调整顺序进行排序，并重复进行调整及仿真计算，直至满足预期目标；

达到预期目标后，在全流程开展的整体上串装按要求调整流通能力的低压涡轮导向器后开展整体试验验证，确定流通能力调整的最终效果。

2.如权利要求1所述的发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，其特征在于，所述低压涡轮导向器面积调整对可调参数的影响进行打分的方法为：

确定影响度打分评级，采用专家打分的方式结合影响度打分评级分别对不同可调参数对应的影响因素进行打分，根据打分结果计算对应影响因素的权重，第i项影响因素δ_i的权重计算公式为：

式中，δ_i为第i个影响因素的权重；a_ij为第j位专家对第i个影响因素的权重分数；n为参与权重打分的专家数量；m为影响因素的个数；

针对每项影响因素的权重，采用求和的方式确定该影响因素对应的可调参数的总分，第k项关键技术的总分S_k计算公式为:

式中，S_k为第k项关键技术的总分；δ_i为为第i个影响因素的权重；b_ki为为对第k项关键技术的第i各影响因素的评分；

对各项可调参数的总分进行排序，确定可调参数调整的优先顺序。

3.如权利要求1所述的发动机整机低导流通能力需求精准确定方法，其特征在于，所述高压涡轮膨胀比的确定公式为：

高压涡轮膨胀比＝P4/P43

式中，P4为主燃烧室出口总压，P43为高压涡轮出口总压，P4＝P3*σ_b，其中σ_b为主燃烧室总压恢复系数，P3为压气机出口总压；

σ_b＝1－(dPs32_dif_01+dPs32_dif_02+dPs32_01+dPs32_02-

(P3max-P3))/2/P3

式中，dPs32_dif_01为扩压段静压压差、dPs32_dif_02为扩压段静压压差、dPs32_01为火焰筒壁面静压压差、dPs32_02为火焰筒壁面静压压差、P3max为压气机出口最高压力。