[发明专利]多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法

说明书

本发明公开了一种多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，该方法考虑了封严篦齿与盘腔的耦合作用，通过分析篦齿元件和盘腔元件中的容积效应，建立相应的一维瞬态数学模型，输入元件几何参数与瞬态边界工况后，通过对盘腔空气系统一维瞬态网络求解，得到了瞬态工况下多级封严盘腔内流体参数随时间响应规律。相比现有技术，本发明可准确描述瞬态工况下多级封严盘腔内流体温度、压力随时间的响应变化，从而为航空发动机空气系统设计、试验提供重要理论基础。

技术领域

本发明涉及多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，属于航空宇航推进理论与工程中的空气系统建模与仿真领域。

背景技术

当航空发动机处于过渡工况(如起动、加速、停车、快速机动过程等)，尤其在极端工况(如主轴断裂、空中停车等)下，空气系统内部会出现复杂的瞬态响应现象。当发动机过渡状态和极端工况下产生的边界扰动作用于空气系统时，在各腔室的容积效应和内部流动非定常性作用下，可能会诱发短时的危险瞬态载荷，进而威胁发动机的安全运行和使用寿命，因此空气系统瞬态响应问题逐渐成为现代航空发动机研制中的关注重点之一。

2015年，刘传凯在《航空动力学报》上发表的一篇论文《强瞬变空气系统的模块化仿真建模》中，提出了一种空气系统强瞬变过程的模拟方法，将空气系统分解为容腔、节点、管道和节流四种基本元件，考虑元件的容腔效应和流体惯性，建立了空气系统非线性方程组，并采用残点法求解，基于此开发了空气系统仿真程序。2017年，西北工业大学的朱鹏飞在其博士论文《航空发动机空气系统瞬态过程的数值模拟与实验研究》中将管道和盘腔视作瞬态响应元件，提出了空气系统的瞬态网络算法，获得各类元件的截面流量关系式，进而建立瞬态网络节点压力残量方程，通过迭代求解，最终计算得到不同时刻的空气系统流量分配、压力和温度分布。2019年，毛莎莎在《推进技术》发表的《典型进气函数下转静盘腔瞬态响应特性研究》一文中指出，盘腔出口流场的迟滞时间与进口边界工况和盘腔的几何特征有关。

但上述研究中没有考虑元件内流体的瞬态换热特性，且忽略了篦齿元件内容积效应可能带来的误差，无法准确描述多级封严盘腔空气系统中流体参数随时间的瞬态响应。在发动机实际运行中，高温涡轮盘腔内冷气流量、温度偏离设计要求，可能会引发严重的热载荷从而影响发动机正常工作。因此，建立多级封严盘腔瞬态响应的一维模型对空气系统设计、试验、降低研发成本有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，可准确描述盘腔及篦齿元件的容积效应，并进一步的计算出多级封严盘腔空气系统中流体参数随时间的瞬态响应，对于航空发动机空气系统设计、试验、降低研发成本具有重要意义。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

多级封严盘腔瞬态响应的一维建模方法，该方法将多级封严盘腔结构中的转静盘腔视为盘腔元件，将封严篦齿视为篦齿元件，并提出一种篦齿拆分模型对篦齿元件进行拆分，该篦齿拆分模型将篦齿元件拆分为不考虑瞬态效应的压力损失元件和需要考虑容积效应的齿腔元件，且定义压力损失元件为篦齿齿顶与衬套之间的区域，该区域的宽度为齿厚，齿腔元件为相邻两个齿之间的空腔区域；

对于盘腔元件和齿腔元件，建立一维瞬态数学模型，对模型输入元件几何参数与瞬态边界工况后，通过对盘腔空气系统一维瞬态网络求解得到盘腔内流体参数随时间响应变化。

作为本发明的一种优选方案，所述对于盘腔元件和齿腔元件，建立的一维瞬态数学模型相同，且所述一维瞬态数学模型包括腔内平均压力变化率和腔内平均温度变化率；

腔内平均压力变化率的计算公式为：

式中，和分别为腔室内的平均静压和平均静温，V_cv为腔室容积，和分别为腔室的进口和出口流量，t为时间，R为气体常数；

腔内平均温度变化率的计算公式为：