一种转子轴向力快速数值计算方法技术

本发明专利技术属于航空发动机或燃气轮机进行台架试验时轴向力的实时计算或试验后数据分析技术领域，具体涉及一种转子轴向力快速数值计算方法；将转子轴向力划分为流道轴向力和容腔轴向力；计算各级压气机叶片受到的轴向力和各级涡轮叶片受到的轴向力；结合有限元方法的思维，将流道、容腔由一个整体分解为多个小单元，根据小单元的局部流体特性计算小单元轴向力，依据流道特性控制小单元尺寸大小，获得较为精确的计算结果，可以达到在保证计算精度的同时大幅缩短计算时间。在航空发动机或燃气轮机开展台架试验时，本方法可直接根据试验数据实时计算轴向力，做到轴向力的快速分析，保证试验过程中轴承工作的安全。过程中轴承工作的安全。过程中轴承工作的安全。

【技术实现步骤摘要】
一种转子轴向力快速数值计算方法


[0001]本专利技术属于航空发动机或燃气轮机进行台架试验时轴向力的实时计算或试验后数据分析
，具体涉及一种转子轴向力快速数值计算方法。

技术介绍

[0002]航空发动机或燃气轮机转子所承受的轴向力大小是止推轴承选用时的重要依据，同时也是分析轴承工作过程中所承受载荷的重要依据。
[0003]当前，通用的转子轴向力分析主要有两种方法，第一种方法是经验公式法，即是将转子轴向力分为流道轴向力和容腔轴向力，流道轴向力是指在发动机主流道内，流体对叶片和流道边界产生的轴向力。容腔轴向力是指包围转子非流道区域的压力腔作用在转子上的轴向压力；但是这种经验公式法是将流道和容腔作为一个整体计算平均值，往往存在计算精度不够的问题，适合于粗略的计算分析，而无法适应高精度的计算需求。第二种方法是采用有限元仿真分析，有限元仿真分析能够获得较为精确的计算结果，但在计算过程中，由于边界定义复杂、输入数据要求高、计算周期长、工作量大等问题，难以适用于快速计算，尤其是无法满足航空发动机或燃气轮机的台架在试验过程中进行实时计算的需求。
[0004]因此，在航空发动机或燃气轮机进行台架试验时，有必要设计一种可直接根据试验数据进行轴向力实时计算，做到轴向力的快速分析，保证试验过程中轴承工作的安全的计算方法。

技术实现思路

[0005]为了在航空发动机或燃气轮机进行台架试验时，根据试验数据进行实时计算轴向力，做到轴向力的快速分析，本方案提供了一种转子轴向力快速数值计算方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案为：一种转子轴向力快速数值计算方法：将转子轴向力F
axial
划分为流道轴向力F
b
和容腔轴向力F
cav
；F
axial
=F
b
+F
cav
；计算各级压气机叶片受到的轴向力F
c,e
和各级涡轮叶片受到的轴向力F
t,f
，e为当前计算的压气机转子叶片的级数，c为压气机的总级数,1≤e≤c，t为涡轮级数，f级当前计算的涡轮叶片的级数，1≤f≤t；计算各级压气机叶片受到的轴向力F
c,e
：F
c,e
=（F5ꢀ‑ꢀ
F7）+F6；F5为压气机叶身气流进口方向受到的轴向力；F6为压气机叶尖受到的轴向力；F7为压气机叶身气流出口方向受到的轴向力；沿流道切面的径向方向将叶身划分为n
‑
1个环形通道，每个环形通道处进口方向受到的轴向力之和等于F5，每个环形通道处气流出口受到的轴向力之和等于F7；
计算各级涡轮叶片受到的轴向力F
t,f
：F
t,f
=（F5´
‑ꢀ
F7´
）+F
a
；F5´
为涡轮叶片气流进口方向受到的轴向力；F7´
为涡轮叶片气流出口方向受到的轴向力；F
a
为涡轮叶片缘板的轴向力；沿流道切面的径向方向将叶身划分为m
‑
1个环形通道，每个环形通道处进口方向受到的轴向力之和等于F5´
，每个环形通道处气流出口受到的轴向力之和等于F7´ꢀ
；将涡轮转子和压气机转子上的节流元件分割开的每个相对独立空间作为一个容腔，容腔编号为1~v，计算第k个容腔产生的轴向力F
cav，k
；容腔轴向力F
cav
为：作为上述计算方法的备选：压气机叶身气流进口方向受到的轴向力F5在计算时，采用以下公式：式中：n为压气机叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i+1个划分边界处的流道半径；R
1,i
为压气机叶片气流进口第i个划分边界的流道半径；P
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i+1个划分边界处的静压；P
1,i
为压气机叶片气流进口第i个划分边界处的静压；m
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量；v
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流轴向平均速度；π为圆周率常数。
[0007]作为上述计算方法的备选：压气机叶尖受到的轴向力F6在计算时，采用以下公式：式中：π为圆周率常数；n为压气机叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
1,n
为压气机叶片气流进口第n个划分边界处的流道半径；R
2,n
为压气机叶片气流出口第n个划分边界的流道半径；P
1,n
为压气机叶片气流进口第n个划分边界处的静压；P
2,n
为压气机叶片气流出口第n个划分边界处的静压。
[0008]作为上述计算方法的备选：压气机叶身气流出口方向受到的轴向力F7在计算时，采用以下公式：式中：n为压气机叶片叶身沿径向划分的边界数量;R
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i+1个划分边界处的流道半径;R
2,i
为压气机叶片气流出口第i个划分边界的流道半径;P
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i+1个划分边界处的静压;P
2,i
为压气机叶片气流出口第i个划分边界处的静压;m
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量;v
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i个划分边界到第i+1个划分边
界形成的环形通道内的流道气流轴向平均速度；π为圆周率常数。
[0009]作为上述计算方法的备选：涡轮叶片气流进口方向受到的轴向力F5´
在计算时，采用以下公式：式中：m为涡轮叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j+1个划分边界处的流道半径；R
1,j
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界的流道半径；P
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j+1个划分边界处的静压；P
1,j
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界处的静压；m
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界到第j+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量；v
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界到第j+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流轴向平均速度。
[0010]作为上述计算方法的备选：涡轮叶片气流出口方向受到的轴向力F7'在计算时，采用以下公式：式中：m为涡轮叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
2,j+1
为涡轮叶片气流出口第j+1个划分边界处的流道半径；R
2,j
为涡轮叶片气流出口第j个划分边界的流道半径；P
2,j+1
为涡轮叶片气流出口第j+1个划分边界处的静压；P<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：将转子轴向力F
axial
划分为流道轴向力F
b
和容腔轴向力F
cav
；F
axial
=F
b
+F
cav
；计算各级压气机叶片受到的轴向力F
c,e
和各级涡轮叶片受到的轴向力F
t,f
，e为当前计算的压气机转子叶片的级数，c为压气机的总级数,1≤e≤c，t为涡轮级数，f级当前计算的涡轮叶片的级数，1≤f≤t；计算各级压气机叶片受到的轴向力F
c,e
：F
c,e
=（F5ꢀ‑ꢀ
F7）+F6；F5为压气机叶身气流进口方向受到的轴向力；F6为压气机叶尖受到的轴向力；F7为压气机叶身气流出口方向受到的轴向力；沿流道切面的径向方向将叶身划分为n
‑
1个环形通道，每个环形通道处进口方向受到的轴向力之和等于F5，每个环形通道处气流出口受到的轴向力之和等于F7；计算各级涡轮叶片受到的轴向力F
t,f
：F
t,f
=（F5´ꢀ
‑ꢀ
F7´ꢀ
）+F
a
；F5´ꢀ
为涡轮叶片气流进口方向受到的轴向力；F7´ꢀ
为涡轮叶片气流出口方向受到的轴向力；F
a
为涡轮叶片缘板的轴向力；沿流道切面的径向方向将叶身划分为m
‑
1个环形通道，每个环形通道处进口方向受到的轴向力之和等于F5´ꢀ
，每个环形通道处气流出口受到的轴向力之和等于F7´ꢀ
；将涡轮转子和压气机转子上的节流元件分割开的每个相对独立空间作为一个容腔，容腔编号为1~v，计算第k腔产生的轴向力F
cav，k
；容腔轴向力F
cav
为：。2.根据权利要求1所述的转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：各级压气机叶身气流进口方向受到的轴向力F5在计算时，均采用以下公式：式中：n为压气机叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i+1个划分边界处的流道半径；R
1,i
为压气机叶片气流进口第i个划分边界的流道半径；P
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i+1个划分边界处的静压；P
1,i
为压气机叶片气流进口第i个划分边界处的静压；m
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量；v
1,i+1
为压气机叶片气流进口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流轴向平均速度。3.根据权利要求1所述的转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：压气机叶尖受到的轴向力F6在计算时，采用以下公式：
式中：π为圆周率常数；n为压气机叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
1,n
为压气机叶片气流进口第n个划分边界处的流道半径；R
2,n
为压气机叶片气流出口第n个划分边界的流道半径；P
1,n
为压气机叶片气流进口第n个划分边界处的静压；P
2,n
为压气机叶片气流出口第n个划分边界处的静压。4.根据权利要求1所述的转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：压气机叶身气流出口方向受到的轴向力F7在计算时，采用以下公式：式中：n为压气机叶片叶身沿径向划分的边界数量;R
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i+1个划分边界处的流道半径;R
2,i
为压气机叶片气流出口第i个划分边界的流道半径;P
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i+1个划分边界处的静压;P
2,i
为压气机叶片气流出口第i个划分边界处的静压;m
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量;v
2,i+1
为压气机叶片气流出口第i个划分边界到第i+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流轴向平均速度。5.根据权利要求1所述的转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：涡轮叶片气流进口方向受到的轴向力F5´ꢀ
在计算时，采用以下公式：式中：m为涡轮叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j+1个划分边界处的流道半径；R
1,j
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界的流道半径；P
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j+1个划分边界处的静压；P
1,j
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界处的静压；m
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界到第j+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量；v
1,j+1
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界到第j+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流轴向平均速度。6.根据权利要求1所述的转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：为涡轮叶片气流出口方向受到的轴向力F7´ꢀ
在计算时，采用以下公式：式中：m为涡轮叶片叶身沿径向划分的边界数量；R
2,j+1
为涡轮叶片气流出口第j+1个划分边界处的流道半径；R
2,j
为涡轮叶片气流出口第j个划分边界的流道半径；P
2,j+1
为涡轮叶片气流出口第j+1个划分边界处的静压；P
2,j
为涡轮叶片气流出口第j个划分边界处的静压；m
2,j+1
为涡轮叶片气流出口第j个划分边界到第j+1个划分边界形成的环形通道内的流道气流质量流量；v
2,j+1
为涡轮叶片气流进口第j个划分边界到第j+1个划分边界形成的环形通道
内的流道气流轴向平均速度。7.根据权利要求1所述的转子轴向力快速数值计算方法，其特征在于：涡轮叶片缘板的轴向力F
a
在计算时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中健，王鸣，杨惠，赵月彬，方圆，王向辉，
申请(专利权)人：成都中科翼能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：