【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空涡轮发动机运行状态评估，更具体的说是涉及一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法。
技术介绍
1、航空涡轮发动机是一种旋转机械，其内部的流动和换热均会受到旋转因素的影响，最终影响发动机的性能和安全性。尤其是在航空涡轮发动机的空气系统中，存在着诸多由旋流主导的过程，例如盘腔流动等。因此，有必要在航空涡轮发动机特别是空气系统的设计和分析中考虑旋流因素。但是，该过程存在以下两方面耦合效应。一方面，空气系统与主流道交互处的引/排气参数由叶轮机械的工作状态决定，而叶轮机械的进、出口边界条件通常由发动机主流道部件匹配工作点确定；另一方面，引/排气参数给定空气系统的边界，旋流系数等参数在空气系统内部沿程传递，通过旋流压升和风阻温升等效应，显著影响空气系统内部的气动热力学参数，进而通过空气系统引/排气比例影响主流道部件的匹配工作点。因此，在不同非设计点及过渡态状态下，以上耦合过程难以高效地定量计算发动机匹配工作点及空气系统内部的旋流系数等参数。这不利于航空涡轮发动机及其空气系统的设计和分析。对于航空涡轮发动机整机建模及空气系统参数计算方法，现有技术主要包括以下两种：（1）叶轮机械三维建模结合带有局部旋流计算的空气系统流体网络建模及求解；（2）整机全三维建模和求解。
2、对于现有技术至少存在如下问题：
3、（1）难以自动匹配计算空气系统与主流道交互处的引/排气参数。对于叶轮机械三维建模结合带有局部旋流计算的空气系统流体网络建模及求解方法，需要首先通过航空涡轮发动机总体性能计算模型，获得叶轮机械
4、（2）难以实现空气系统内部各部件之间的旋流参数传递。对于当前空气系统流体网络建模方法，往往仅在盘腔等旋流影响显著的环节中考虑旋流影响，其进口旋流比一般基于工程经验给定。这种方法不仅忽视了空气系统内部上下游部件之间的旋流参数传递关系，而且难以考虑发动机过渡过程中惯性对于旋流参数变化的影响。
5、（3）计算效率低。对于叶轮机械三维建模结合带有局部旋流计算的空气系统流体网络建模及求解，涉及多个专业和时空尺度的模型，需要迭代求解；而整机全三维建模和求解网格量巨大，需要消耗较高的计算资源。
6、因此，提出一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，建立的整机瞬态模型可以用于航空涡轮发动机稳态及过渡过程中气动热力学匹配状态的评估。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，包括以下步骤：
4、s1、获取发动机数据，并对发动机数据进行预处理；
5、s2、根据s1中预处理后的发动机数据，考虑发动机空气系统旋流传递，建立描述发动机中气动热力学匹配守恒关系的整机瞬态模型；
6、s3、求解s2中建立的整机瞬态模型，获得发动机运行状态参数，实现发动机匹配状态评估。
7、可选的，s2中建立涡轮发动机模型具体为：
8、将涡轮发动机模化为节点和元件的组合，涡轮发动机作为流-热机械，其节点类型包括可压缩流体节点、热节点和机械节点；其中，可压缩流体节点按照是否考虑了旋流参数传递，分为主流道和空气系统两类节点；元件包括主流道元件、引/排气元件和空气系统元件。
9、可选的，主流道节点处存在可压缩流体的质量、能量、水气组分和油气组分守恒方程具体如下：
10、
11、
12、
13、
14、其中，代表节点的容积，代表可压流体的密度，代表可压流体的温度，代表可压气体的定容比热比，代表可压流体的油气质量分数，代表可压流体的水气质量分数，代表时间；代表与节点相连接的元件个数，代表流入或流出节点的质量流量。
15、可选的，空气系统节点在主流道节点守恒方程的基础上，还存在角动量守恒关系具体如下：
16、
17、其中，代表节点处的平均旋转半径，代表可压缩流体的角速度。
18、可选的，发动机中固体域的传递过程模化为热节点，在热节点处存在以下能量守恒关系：
19、
20、其中，代表可压气体的定压比热，为流入或流出节点的热流，流入节点为正，流出节点为负。
21、可选的，在机械节点处实现功率产生端和消耗端之间的能量守恒关系如下：
22、
23、其中，为转子的角速度，为转子的转动惯量，代表功率产生端或消耗端与轴之间传递的功率。
24、可选的，空气系统元件的控制方程分别代表元件中进出口的流量、风阻温升、组分和旋流关系具体为：
25、
26、
27、
28、
29、
30、其中，下标和分别代表元件的进、出口；代表流经元件的流体质量流量，代表可压流体的温度，代表可压气体的定压比热，代表可压流体的油气质量分数，代表可压流体的水气质量分数，代表元件的平均旋转半径，代表可压缩流体的角速度；代表了风阻扭矩，
31、代表了元件和热节点之间的换热量；分别代表转子和静子对气流施加的扭矩。
32、可选的，首先定义叶轮机械的焓升比系数：
33、
34、其中，分表代表叶轮机械进口位置、出口位置和引/排气位置流体的总焓；基于叶轮机械进口温度、进口压力和出口压力，通过特性图插值的方法获得叶轮机械出口的总焓，进而基于焓升比系数获得叶轮机械引/排气位置处的总焓：
35、
36、通过绝热过程计算得到叶轮机械引/排气位置处的总压：
37、
38、其中，分别为叶轮机械进口和引/排气位置处的总压和总温，代表此热力过程的多变指数。
39、可选的，基于气动热力学函数，可以计算得到引/排气位置处的轴向速度系数：
40、
41、其中，为主流道燃气的无量纲密流，为主流道燃气的质量流量，为燃气通道的有效流通面积，是与燃气比热比相关的常数；分别为叶轮机械引/排气位置处的总压和总温；
42、周向速度系数通过三角函数求得：
43、
44、其中，分别为相对周向速度系数和轴向速度系数，为叶片结构出口位置与发动机轴向的夹角；
45、对于导叶后的气流角，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，S2中建立涡轮发动机模型具体为：
3.根据权利要求2所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，主流道节点处存在可压缩流体的质量、能量、水气组分和油气组分守恒方程具体如下：
4.根据权利要求3所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，空气系统节点在主流道节点守恒方程的基础上，还存在角动量守恒关系具体如下：
5.根据权利要求3所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，发动机中固体域的传递过程模化为热节点，在热节点处存在以下能量守恒关系：
6.根据权利要求3所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，在机械节点处实现功率产生端和消耗端之间的能量守恒关系如下：
7.根据权利要求3所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态
8.根据权利要求3所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，首先定义叶轮机械的焓升比系数：
9.根据权利要求8所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，s2中建立涡轮发动机模型具体为：
3.根据权利要求2所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，主流道节点处存在可压缩流体的质量、能量、水气组分和油气组分守恒方程具体如下：
4.根据权利要求3所述的一种考虑空气系统旋流传递的涡轮发动机匹配状态评估方法，其特征在于，空气系统节点在主流道节点守恒方程的基础上，还存在角动量守恒关系具体如下：
5.根据权利要求3所述的一种考虑空气系...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁水汀，马清琳，邱天，刘传凯，刘鹏，王承昊，甘宸宇，王鑫铭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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