[发明专利]航空发动机冷却与冷却空气的一体化设计方法

权利要求书

1.航空发动机冷却与冷却空气的一体化设计方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：从压气机末端的给定的引气位置进行引气，通过压气机轴-盘腔通道流至进气锥，并利用引气加热进气锥防冰；

从给定位置引气，引气参数计算过程如下：

设定某型号发动机在某一工况下的基础参数：风扇叶片数z，直径d,空气流量涵道比B,风扇转速n_L，角速度ω＝2πn_L,到第k级压气机时的增压比为到第k级压气机时的增压比；设冷气取气量为核心机的K％,设叶片弦长b，叶长L,空气比热比k、普朗特数Pr设为常数,海平面的空气参数包括：

海平面空气总温海平面空气总压海平面空气密度则引气位置的气体总压：

设压气机总效率为：

则引气位置气体总温：

利用涵道比和总流量计算核心机流量：

冷却气流量：

K表示的是冷气取气量为核心机的K％；表示核心机流量；

每个风扇叶片的流量：

每片风扇按w个通道计算，则每个通道的流量：

由公式计算气体密度：R为气体常数；

由通道高y宽x，求得通道面积S，湿周长L_e，当量直径

高宽比层流当量直径D_e＝Φ₀D_H，

其中修正系数α为高宽比；忽略气体从压气机末端引气位置流至风扇叶根处导致的引气压损和温升，则通道内流速为

流速应小于0.3倍声速，故将气体视为不可压流动；由气体参数得到在风扇叶根入口处计算所用物性参数：

动力粘度μ₂

导热系数λ₂

同时利用引气参数V_in、算得风扇叶根处进气温度T₃；

至此完成引气参数的计算；

步骤2：由风扇内部通道离心增压并冷却气体；

引气从风扇叶根进入风扇内部，气体在风扇内部通道中得到离心增压，同时在风扇叶片内气体得以冷却；

步骤3：从风扇机匣处收集增压过的气体；

气体由风扇叶片叶冠的环形通道向后流入外机匣；

步骤4：冷气依次经过外机匣冷却通道、风扇导流叶片后的外机匣支板，气体被进一步冷却并被引导至核心机处，并继续向后引导至涡轮燃烧室外侧；

步骤5：冷气由涡轮静子流入，并对涡轮导向叶片和静、转子件进行冷却；

步骤6：变更引气位置，重复步骤1～步骤5，结合发动机的不同工况条件对冷却气参数进行试算，确定最优引气位置。

2.根据权利要求1所述的航空发动机冷却与冷却空气的一体化设计方法，其特征在于：步骤5中所述冷气在涡轮内的气体流路有两个，一部分冷气从高压涡轮导向叶片上端的气孔流入并冷却高压涡轮叶片，未从气膜孔流出的气体从叶片腔中流出，经过集气罩，对高压涡轮轮盘前表面、工作叶片榫头进行冷却；另一部分冷气在对燃烧室进行冷却后，进入低压涡轮导向器，并分成两路：一路冷却低压涡轮导向叶片和内外环，另一路经过低压涡轮外部的集气环、叶片中的通气管、低压涡轮内环、预旋喷嘴，对高压涡轮盘后表面、低压涡轮前表面和高压涡轮轴颈进行冷却。

3.根据权利要求1所述的航空发动机冷却与冷却空气的一体化设计方法，其特征在于：步骤2中所述离心增压和冷却的相关参数包括，

A、首先计算内部换热系数h_in：

计算摩阻系数雷诺数：

采用Karman-Nikuradse近似式计算摩阻系数：

故流道内压降为：

计算h_in：

采用Petukhov-Kirillor式计算通道内部努赛尔数：

其中内部雷诺数：

所以得到通道内部换热系数：

B、下面计算外部换热：

估计叶片外表面的空气平均马赫数为

则通过查表，有

查得故叶片外部气体温度

查得故叶片外部气体压力

查得故叶片外部气体密度

所以外部气体的音速值为外部气体流速为为估计叶片外表面的空气平均马赫数；

查得物性：

动力粘度μ₁

粘性系数

导热系数λ₁

由外部雷诺数：

流动若为湍流，选取传热学湍流换热关系式，计算风扇叶片外部努赛尔数：

Pr为普朗特数；

以及外部换热系数：

C、下面计算总当量换热系数：

外部换热面积A_out＝2bL

内部换热面积A_in＝2·4(x+y)L，y和x分别为通道的高和宽；

导热面积估为A_λ＝A_out，钛合金导热系数λ

导热壁厚为δ

则当量换热系数

h_out和h_in分别为通道外部换热系数和通道内部换热系数；

D、下面计算风扇内部通道出口，即风扇叶冠处气体的温度：

式中即为泵功增温项；其中泵功增温系数其中r₁为风扇叶根的回转半径，r₂为风扇叶冠的回转半径；c_p2为定压比热容；

所以温增ΔT＝(T₃-T₄)，若ΔT为负即代表气体流经风扇叶片后增温；

其中T₃为从风扇叶根处进入的气体温度；T₄为风扇叶冠302处气体的温度；

E、下面计算增压：

对于：无粘性，一维定常等熵，沿流线，原始微分动量方程：

其中p为压力，ρ为密度，v为速度，z为沿加速度方向的距离；

在旋转离心力场中加速度为：

g＝ω²r

对于入口回转半径r₁和出口回转半径r₂，所有变量角标，入口1、出口2，在此坐标系下积分：

ω表示角速度；ν₁为粘性系数；r₁为入口回转半径，r₂为出口回转半径；

已知ρ₁、p₁、v₁、r₁、r₂、ω，若流量给定且通道截面面积A恒定，则对每一个假设的ρ₂，可以求得一个

则解得p₂，通过式

得到新的ρ₂，迭代直到符合要求，最终求得出口压力P′；

最终算得通道增压值：