CN116542114B - 基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机涡轮叶片设计技术领域，公开了基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法及装置，利用发动机飞行包线内的典型状态点分部建立压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型，用于分部计算待测状态的温度值、等效应力值及变形值，拟合模型不仅能够完全覆盖发动机工作状态点，而且避免出现数据外插的问题，保证了各个函数模型的计算精度，且能够获得数以千倍的计算效率提升，达到缩短设计周期和降低设计成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片设计技术领域，公开了基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法及装置。
背景技术
压气机转子是压气机部件的重要组成部分，由于压气机转子为高速转动结构，若其发生故障，将直接影响到发动机使用安全，压气机转子的安全性设计的关键内容为：温度、应力和位移结果的求解与分析。
当下，压气机转子的温度应力和位移求解，主要依靠商业有限元。以某发动机压气机转子设计为例，一个发动机状态点的完整有限元评估流程为：根据飞行包线状态点计算发动机总体参数，根据总体参数计算气动边界，根据总体参数和气动边界计算温度边界，根据气动边界和温度边界求解转子的温度、应力和位移。
以某发动机为例，其设计包线内的工作点多达数百个，若全部开展有限元分析，将耗费巨大的时间成本和人力成本，不利于发动机设计。
为缩短发动机设计周期、降低设计成本，传统的压气机转子在设计时往往采用简化状态点的方法，根据不同的研制阶段，采用不同的简化策略。如：设计初期往往将数百个状态点简化到几个典型点，快速完成初步设计迭代；设计后期往往将状态点简化为数十个关键点，尽可能涵盖发动机工作的重要状态点。这种简化方法，在设计初期，其优点是能快速完成设计迭代，其缺点是存在着遗漏危险状态点的可能；在设计后期，其优点是能覆盖大多数关键的状态点，其缺点是仍未完全覆盖发动机工作状态点，同时又导致有限元计算量增大，时间成本和人力成本也相应增大。
发明内容
本发明的目的在于提供基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法及装置，通过建立基于总体参数的温度、等效应力和总位移的函数模型，并根据对应函数模型快速计算求解待测状态下的压气机转子温度、等效应力和总位移。尤其是针对压气机需要进行数百个甚至数千个状态点上的温度、等效应力和总位移结果计算时，建立的函数模型适应性好，能够完全覆盖发动机工作状态点，同时也能缩短设计周期并降低设计成本。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法，包括：
从航空发动机飞行包线图中选取样本状态点，所述飞行包线图横轴为马赫数，纵轴为飞行高度；所述样本状态点包括马赫数为零且高度为零的第一点、马赫数最大且高度为零的第二点、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点、高度最大且马赫数最小对应的第五点；马赫数为零且高度最大对应的第六点，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点；
获取各样本状态点中的总体参数，所述总体参数包括压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速；
通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移，所述总位移为压气机转子对应工况下轴向变形量、周向变形量以及径向变形量的矢量和；
以压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度、等效应力和总位移为因变量，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型；
将压气机待测状态下的总体参数输入对应的函数模型，分别计算待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。
进一步地，压气机温度与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，其中/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>、/>、/>均为拟合系数。
进一步地，压气机等效应力与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，其中/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>为压气机进口总压，/>为压气机出口总压，/>为压气机转子转速，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数。
进一步地，压气机总位移与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，其中/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>为压气机进口总压，/>为压气机出口总压，/>为压气机转子转速，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数。
为实现上述技术效果，本发明还提供了基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析装置，包括：
状态点选取模块，所述状态点选取模块用于从航空发动机飞行包线图中选取样本状态点，所述飞行包线图横轴为马赫数，纵轴为飞行高度；所述样本状态点包括马赫数为零且高度为零的第一点、马赫数最大且高度为零的第二点、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点、高度最大且马赫数最小对应的第五点；马赫数为零且高度最大对应的第六点，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点；
参数获取模块，所述参数获取模块用于获取各样本状态点中的总体参数，所述总体参数包括压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速；
有限元分析模块，所述有限元分析模块用于通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移，所述总位移为压气机转子对应工况下轴向变形量、周向变形量以及径向变形量的矢量和；
模型拟合模块，所述模型拟合模块用于以压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度、等效应力和总位移为因变量，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型；
预测模块，所述预测模块用于接收压气机待测状态下的总体参数，并根据对应的函数模型分别计算待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。
进一步地，所述模型拟合模块中，压气机温度与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，、/>、/>均为拟合系数。
进一步地，所述模型拟合模块中，压气机等效应力与总体参数之间的函数模型根据/>拟合获得，其中/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>为压气机进口总压，/>为压气机出口总压，/>为压气机转子转速，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数。
进一步地，所述模型拟合模块中，压气机总位移与总体参数之间的函数模型根据/>拟合获得，其中/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>为压气机进口总压，/>为压气机出口总压，/>为压气机转子转速，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明利用发动机飞行包线内的典型状态点分部建立压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型，用于分部计算待测状态的温度值、等效应力值及总位移值，拟合模型不仅能够完全覆盖发动机工作状态点，而且避免出现数据外插的问题，保证了各个函数模型的计算精度，且能够获得数以千倍的计算效率提升，达到缩短设计周期和降低设计成本的目的。
附图说明
图1为实施例1或2中发动机飞行包线图内选取的样本状态点示意图；
图2为实施例2中压气机等效应力与总体参数之间的函数模型预估的等效应力与有限元结果偏差对比图；
图 3为实施例2中压气机温度与总体参数之间的函数模型预估的温度与有限元结果偏差对比图；
图 4为实施例2中压气机总位移与总体参数之间的函数模型预估的总位移与有限元结果偏差对比图；
图5为实施例1中基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析装置结构框图；
其中，1、状态点选取模块；2、参数获取模块；3、有限元分析模块；4、模型拟合模块；5、预测模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
参见图1，基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法，包括：
从航空发动机飞行包线图中选取样本状态点，所述飞行包线图横轴为马赫数Ma，纵轴为飞行高度H；所述样本状态点包括马赫数为零且高度为零的第一点A、马赫数最大且高度为零的第二点B、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点C、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点D、高度最大且马赫数最小对应的第五点E；马赫数为零且高度最大对应的第六点F，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点G、K；
获取各样本状态点中的总体参数，所述总体参数包括压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速；
通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移；
以压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度、等效应力和总位移为因变量，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型；
将压气机待测状态下的总体参数输入对应的函数模型，分别计算待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。
在本实施例中，从航空发动机飞行包线图内选取多个样本状态点，样本状态点至少包含了马赫数为零且高度为零的第一点A、马赫数最大且高度为零的第二点B、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点C、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点D、高度最大且马赫数最小对应的第五点E；马赫数为零且高度最大对应的第六点F，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点G、K，对发动机飞行谱的工作状态点进行了简化；然后基于发动机各状态点对应的总体参数以及仿真获得对应各状态的温度、等效应力和总位移，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型，将发动机待测状态的总体参数数据输入对应的函数模型，即可获得待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。相对于传统的有限元分析方法，本发明利用发动机飞行包线内的典型状态点建立压气机转子温度、等效应力、总位移的函数模型，用于计算待测状态的温度值、等效应力值及总位移值，拟合模型不仅能够完全覆盖发动机工作状态点，而且避免出现数据外插的问题，保证了函数模型的计算精度，且能够获得数以千倍的计算效率提升，达到缩短设计周期和降低设计成本的目的。
参见图1和图5，基于同一发明构思，本实施例还提供了基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析装置，包括：
状态点选取模块1，所述状态点选取模块1用于从航空发动机飞行包线图中选取样本状态点，所述飞行包线图横轴为马赫数Ma，纵轴为飞行高度H；所述样本状态点包括马赫数为零且高度为零的第一点A、马赫数最大且高度为零的第二点B、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点C、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点D、高度最大且马赫数最小对应的第五点E；马赫数为零且高度最大对应的第六点F，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点G、K；
参数获取模块2，所述参数获取模块2用于获取各样本状态点中的总体参数，所述总体参数包括压气机进口总温、出口总温/>、进口总压/>、出口总压/>和压气机转子转速/>；
有限元分析模块3，所述有限元分析模块3用于通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移，所述总位移为压气机转子对应工况下轴向变形量、周向变形量以及径向变形量的矢量和；
模型拟合模块4，所述模型拟合模块4用于以压气机进口总温、出口总温/>、进口总压/>、出口总压/>和压气机转子转速/>为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度、等效应力和总位移为因变量，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型。本实施例模型拟合模块4中，压气机温度/>与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，其中/>、/>、/>均为拟合系数。压气机温度/>与总体参数之间的函数模型是采用压气机进口总温/>、出口总温/>为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度为因变量，将原本需要有限元迭代求解矩阵的过程，转化为系数方程代数求解，极大的降低了计算量。压气机等效应力/>与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，其中/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数。压气机等效应力/>与总体参数之间的函数模型是采用压气机进口总温/>、出口总温/>、进口总压/>、出口总压/>和压气机转子转速/>为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的等效应力为因变量，将原本需要有限元迭代求解矩阵的过程，转化为系数方程代数求解，极大的降低了计算量。压气机总位移/>与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，其中/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数。压气机总位移/>与总体参数之间的函数模型是采用压气机进口总温/>、出口总温/>、进口总压/>、出口总压/>和压气机转子转速/>为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的总位移为因变量，将原本需要有限元迭代求解矩阵的过程，转化为系数方程代数求解，极大的降低了计算量。
预测模块5，所述预测模块5用于接收压气机待测状态下的总体参数，并根据对应的函数模型分别计算待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。
实施例2
为验证本发明的可靠性，本实施例选取了某发动机的8个状态点，建立了计算模型，各个函数模型的建立过程如下：
步骤1，对于压气机转子，压气机转子温度主要受压气机进口总温和出口总温影响，因此选定/>和/>作为拟合参数；压气机转子等效应力主要受与压气机转子转速/>相关的离心力、进口总压/>和出口总压/>相关的气动力、进口总温/>和出口总温相关的热等效应力的影响，因此选定/>、/>、/>、/>和/>作为拟合参数；压气机转子总位移主要与压气机转子转速/>相关的离心变形、进口总压/>和出口总压/>相关的气动变形、进口总温/>和出口总温/>相关的热变形的影响，因此选定/>、/>、/>、和/>作为拟合参数。
发动机飞行包线内，稳定工作点多达数百个。为保证计算精度，各个函数模型应避免数据外插。因此在筛选搭建计算模型的样本状态点时，需避免步骤1筛选的5个关键参数、/>、/>、/>和/>出现外插。本实施例选取的样本状态点如图1所示，右边界点的第二点B、第三点C和第四点D，可保证/>、/>、/>、/>和/>这五个参数的上限；左边界点中的第一点A、第六点F和第五点E，可保证/>、/>、/>、/>和/>这五个参数的下限；长时工作点中的长一点G和长二点K可保证在重要工况结果的可靠性，同时保证状态点数目至少达到8个，大于计算模型系数最大个数（如本实施例中的/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>这7个系数），确保了线性回归算法的可靠性。
步骤2，通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移；
步骤3，对于等效应力的计算模型，其与总体参数/>、/>、/>、/>和/>的函数关系可表示为/>；
因为在等效应力中，离心力占主导，且与压气机转子转速平方/>为线性关系，因此，函数/>对压气机转子转速/>的展开项需保留到二次项；气动力相关项/>和热等效应力的相关项/>对等效应力影响较小，因此函数/>对/>的展开项保留到一次项。将上述过程应用到压气机等效应力/>与总体参数之间的函数模型中，即可得到。
同样的，对于温度的函数模型，其与总体参数/>的函数关系可表示为；
由于压气机转子不涉及燃烧和气膜换热等复杂的温度变化，将函数对/>保留展开的一次项即得/>。
同样的，对于总位移的函数模型，其与/>、/>、/>、/>和/>的函数关系可表示为/>；
总位移与等效应力/>类似，压气机转子转速/>保留到二次项，其余项均保留到一次项，因此可得到。
然后，根据步骤2的有限元计算结果，通过线性回归算法，可以求解等效应力、温度/>和总位移/>的计算模型系数。
步骤4，通过函数模型，代入各个待测状态点的相关总体参数（），可直接计算发动机全包线工作点的压气机转子温度、等效应力和总位移结果。
求解出67个状态点的等效应力、温度和总位移的结果，并与采用有限元分析67个状态点的对应数据结果进行对比。对比结果如图2-图4所示：
由图2可知采用本发明的基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法，获得的等效应力预估值的相对等效应力偏差可控制在-2%~1%，压气机转子等效应力通常不超过1200Mpa，因此等效应力偏差可控制在-24~12Mpa，满足工程需要。
由图3可知，采用本发明的基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法获得的温度预估值的相对温度偏差可控制在±1%，压气机转子温度通常不超过600℃，因此温度偏差可控制在±6℃，满足工程需要。
由图4可知，采用本发明的基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法获得的总位移预估值的相对总位移偏差可控制在-1%~3.5%，压气机转子变形通常不超过3mm，因此，总位移偏差可控制在-0.03~0.105mm，满足工程需要。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析方法，其特征在于，包括：
从航空发动机飞行包线图中选取样本状态点，所述飞行包线图横轴为马赫数，纵轴为飞行高度；所述样本状态点包括马赫数为零且高度为零的第一点、马赫数最大且高度为零的第二点、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点、高度最大且马赫数最小对应的第五点；马赫数为零且高度最大对应的第六点，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点；
获取各样本状态点中的总体参数，所述总体参数包括压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速；
通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移，所述总位移为压气机转子对应工况下轴向变形量、周向变形量以及径向变形量的矢量和；
以压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度、等效应力和总位移为因变量，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型；其中，压气机温度与总体参数之间的函数模型根据拟合获得，/>、/>、/>均为拟合系数；压气机等效应力/>与总体参数之间的函数模型根据
拟合获得，、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数；压气机总位移/>与总体参数之间的函数模型根据
拟合获得，、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数，/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>为压气机进口总压，/>为压气机出口总压，/>为压气机转子转速；
将压气机待测状态下的总体参数输入对应的函数模型，分别计算待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。
2.基于总体参数的压气机转子温度应力变形分析装置，其特征在于，包括：
状态点选取模块，所述状态点选取模块用于从航空发动机飞行包线图中选取样本状态点，所述飞行包线图横轴为马赫数，纵轴为飞行高度；所述样本状态点包括马赫数为零且高度为零的第一点、马赫数最大且高度为零的第二点、马赫数最大且发动机飞行包线内最小高度对应的第三点、马赫数最大且发动机飞行包线内最大高度对应的第四点、高度最大且马赫数最小对应的第五点；马赫数为零且高度最大对应的第六点，以及飞行包线内发动机工作时长最长的两个状态点；
参数获取模块，所述参数获取模块用于获取各样本状态点中的总体参数，所述总体参数包括压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速；
有限元分析模块，所述有限元分析模块用于通过有限元分析获得各样本状态点对应的温度、等效应力和总位移，所述总位移为压气机转子对应工况下轴向变形量、周向变形量以及径向变形量的矢量和；
模型拟合模块，所述模型拟合模块用于以压气机进口总温、出口总温、进口总压、出口总压和压气机转子转速为自变量，有限元分析获得的各样本点对应的温度、等效应力和总位移为因变量，分别拟合压气机温度与总体参数之间的函数模型、压气机等效应力与总体参数之间的函数模型和压气机总位移与总体参数之间的函数模型；其中，压气机温度与总体参数之间的函数模型根据/>拟合获得，/>、/>、/>均为拟合系数；压气机等效应力/>与总体参数之间的函数模型根据
拟合获得，、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数；压气机总位移/>与总体参数之间的函数模型根据
拟合获得，、/>、/>、/>、/>、/>、/>均为拟合系数，/>为压气机进口总温，/>为压气机出口总温，/>为压气机进口总压，/>为压气机出口总压，/>为压气机转子转速；
预测模块，所述预测模块用于接收压气机待测状态下的总体参数，并根据对应的函数模型分别计算待测状态点对应的温度、等效应力和总位移结果。
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