一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法技术

本发明专利技术公开了一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，该方法面向航空发动机瞬态叶尖间隙预估问题

【技术实现步骤摘要】
一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法


[0001]本专利技术涉及一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，具体涉及一种结合一维瞬态流体网络法
、
二维轴对称有限元法
、
温度与位移的工程算法的瞬态叶尖间隙计算方法，属于航空发动机叶尖间隙预估

。

技术介绍

[0002]叶尖间隙作为航空燃气涡轮发动机设计中的一项重要内容，直接影响着发动机的运行安全性和性能，合理的热态间隙可以在保证不发生碰摩的前提下提高发动机的性能，因此在发动机设计期间需要建立叶尖间隙预估方法
。
[0003]在一维简化间隙预估方面，王宝官等以一级压气机为研究对象，考虑热载荷与离心载荷情况下，将研究对象分为机匣
、
叶片
、
轮盘三部分计算
。
其中机匣采用集中参数法计算瞬态温度，而叶片和轮盘采用一维导热模型计算热载荷并加载离心载荷，最终得到了该级压气机由最大状态过渡到巡航状态的间隙变化曲线
。
在此过程中对实际模型做了大量的简化，且对于结构复杂的机匣采用零维算法，其瞬态过程中一些重要的特征很难得到全面的体现
。
[0004]为提高间隙计算精度，詹江正等在对机匣做了一定的简化之后，建立了一个高压压气机第
12
级转静子的三维模型，使用
ANSYS
软件对该模型的各工况进行气热固单向耦合计算，得到了叶顶前
、
中
、
后三个位置的瞬态间隙/>。
凌季等采用同样耦合方法，较为全面的保留了涡轮机匣和叶片的真实结构，特别是叶片内部冷却通道，使得叶尖间隙的三维特征得到了更准确的体现，但是部分时间范围内与实验值还有一定误差，这是由于单向气热固耦合对稳态计算适用，而在瞬态过程中忽略了各物理场之间信息的实时交互
。
同时三维模型的网格量大幅增加，导致了计算效率降低，特别是在瞬态工况下，对核心机等较大模型进行气热固双向耦合的间隙计算，时间成本过高甚至难以开展
。
[0005]根据发动机结构特征，有学者以二维轴对称模型为基础开展间隙研究，以期在一维模型的计算效率和三维模型的计算精度间达到一种平衡
。Ganine
等将高压涡轮流体域细化为二维模型进行
CFD
计算，同时对固体域采用有限元法求解其瞬态过程中的温度和位移，不过由于周向离散孔的存在，使得该方法难以兼顾流体域和固体域的连续性
。
因此以二维模型为主体，建立跨尺度气热固双向耦合方法解决流体域与固体域连续问题，对叶尖间隙预估具有重要意义
。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，采用流固弱耦合方法，计算过程中建立多维度计算模型，并考虑各物理场间信息的双向传递，在进一步提高叶尖间隙计算精度的同时，减少计算耗时
。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008]一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，所述预估方法具体如下：
[0009]建立发动机空气系统的一维网络模型
、
轮盘与机匣的二维轴对称模型以及叶片的参数化模型；
[0010]利用空气系统瞬态一维流体网络法对一维网络模型进行求解，得到发动机轮盘与机匣的换热边界；考虑轮盘与机匣非稳态导热过程中的热载荷与离心载荷，并对其划分有限元网格，使用二维轴对称有限元法对二维轴对称模型进行求解，得到轮盘与机匣的径向位移；使用工程算法对叶片的参数化模型进行求解，得到叶片的径向位移；
[0011]综合轮盘
、
机匣和叶片的径向位移以及初始叶尖间隙值，得到瞬态过程中的叶尖间隙值；
[0012]在轮盘与机匣的径向位移求解过程中，空气系统流场向固体域温度场传递换热边界条件，固体域温度场向固体域位移计算传递热载荷与材料物性的定性温度，利用固体域位移计算结果更新空气系统流场节流元件的几何参数；反之，固体域位移计算向固体域温度场提供网格节点坐标及换热面积的变化，固体域温度场向空气系统流场提供固体域壁面温度，实现流体域与固体域间参数的双向交互
。
[0013]作为本专利技术的一种优选方案，所述轮盘与机匣的径向位移，求解过程如下：
[0014](1)
设定固体域时间步长为
Δ
t2，流体域时间步长为
Δ
t1，在当前固体域时间步长内，参考当前固体域时间步长壁面温度，空气系统采用瞬态一维流体网络法，进行流固间气热耦合迭代计算，达到预定迭代步数后，将计算所得换热边界传递至固体域温度场计算；
[0015](2)
结合
(1)
中换热边界，采用二维轴对称有限元法开展瞬态温度场计算，计算所得固体域温度增量作为热载荷传递至固体域位移计算中，同时将固体域壁面温度在下一个固体域时间步长内传递至空气系统计算中，参与气热耦合计算；
[0016](3)
使用
(2)
中计算所得热载荷，并且转子叠加其离心载荷，采用二维轴对称有限元法开展轮盘和机匣的固体域位移求解，将计算所得各网格节点的位移在下一个固体域时间步长内，传递至固体域温度场及位移计算中，更新网格节点坐标，同时由转静子位移计算得到篦齿间隙值，将篦齿间隙值反馈至空气系统计算中，更新空气系统元件几何信息；
[0017](4)
重复
(1)
至
(3)
即能够得到各固体域时间步长下轮盘和机匣的径向位移
。
[0018]作为本专利技术的一种优选方案，所述叶片的径向位移，求解过程如下：
[0019](1)
根据叶片高度将叶身沿径向划分为若干分段，提取各截面几何信息，建立叶片的参数化模型；
[0020](2)
对各分段建立能量守恒方程如下：
[0021]Q
＝
hA1Δ
T1+
λ
A2Δ
T2‑
λ
A3Δ
T3[0022]Q
Δ
t2＝
c
p
m
Δ
T
[0023]其中，
Q
为叶片分段的净热流量，
h
为气流与壁面的换热系数，
A1为气固对流换热面积，
Δ
T1为气固间传热温差，
λ
为叶片分段的导热系数，
A2为叶片分段导入热量端面面积，
Δ
T2为导入热量端面上下两分段各自的平均温度之差，
A3为叶片分段导出热量的端面面积，
Δ
T3为导出热量端面上下两分段的平均温度之差，
Δ
t2为固体域时间步长，
c
p
为叶片分段的比热容，
m
为叶片分段质量，
Δ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，其特征在于，所述预估方法具体如下：建立发动机空气系统的一维网络模型
、
轮盘与机匣的二维轴对称模型以及叶片的参数化模型；利用空气系统瞬态一维流体网络法对一维网络模型进行求解，得到发动机轮盘与机匣的换热边界；考虑轮盘与机匣非稳态导热过程中的热载荷与离心载荷，并对其划分有限元网格，使用二维轴对称有限元法对二维轴对称模型进行求解，得到轮盘与机匣的径向位移；使用工程算法对叶片的参数化模型进行求解，得到叶片的径向位移；综合轮盘
、
机匣和叶片的径向位移以及初始叶尖间隙值，得到瞬态过程中的叶尖间隙值；在轮盘与机匣的径向位移求解过程中，空气系统流场向固体域温度场传递换热边界条件，固体域温度场向固体域位移计算传递热载荷与材料物性的定性温度，利用固体域位移计算结果更新空气系统流场节流元件的几何参数；反之，固体域位移计算向固体域温度场提供网格节点坐标及换热面积的变化，固体域温度场向空气系统流场提供固体域壁面温度，实现流体域与固体域间参数的双向交互
。2.
根据权利要求1所述的跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，其特征在于，所述轮盘与机匣的径向位移，求解过程如下：
(1)
设定固体域时间步长为
Δ
t2，流体域时间步长为
Δ
t1，在当前固体域时间步长内，参考当前固体域时间步长壁面温度，空气系统采用瞬态一维流体网络法，进行流固间气热耦合迭代计算，达到预定迭代步数后，将计算所得换热边界传递至固体域温度场计算；
(2)
结合
(1)
中换热边界，采用二维轴对称有限元法开展瞬态温度场计算，计算所得固体域温度增量作为热载荷传递至固体域位移计算中，同时将固体域壁面温度在下一个固体域时间步长内传递至空气系统计算中，参与气热耦合计算；
(3)
使用
(2)
中计算所得热载荷，并且转子叠加其离心载荷，采用二维轴对称有限元法开展轮盘和机匣的固体域位移求解，将计算所得各网格节点的位移在下一个固体域时间步长内，传递至固体域温度场及位移计算中，更新网格节点坐标，同时由转静子位移计算得到篦齿间隙值，将篦齿间隙值反馈至空气系统计算中，更新空气系统元件几何信息；
(4)
重复
(1)
至
(3)
即能够得到各固体域时间步长下轮盘和机匣的径向位移
。3.
根据权利要求1所述的跨尺度气热固双向耦合的叶尖间隙预估方法，其特征在于，所述叶片的径向位移，求解过程如下：
(1)
根据叶片高度将叶身沿径向划分为若干分段，提取各截面几何信息，建立叶片的参数化模型；
(2)
对各分段建立能量守恒方程如下：
Q
＝
hA1Δ
T1+
λ
A2Δ
T2‑
λ
A3Δ
T3Q
Δ
t2＝
c
p
m
Δ
T
其中，
Q
为叶片分段的净热流量，
h
为气流与壁面的换热系数，
A1为气固对流换热面积，
Δ
T1为气固间传热温差，
λ
为叶片分段的导热系数，
A2为叶片分段导入热量端面面积，
Δ
T2为导入热量端面上下两分段各自的平均温度之差，
A3为叶片分段导出热量的端面面积，
Δ
T3为导
出热量端面上下两分段的平均温度之差，
Δ
t2为固体域时间步长，
c
p

【专利技术属性】
技术研发人员：郭纳贤，毛军逵，付鹏哲，邵发宁，王飞龙，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：