CN117932984B - 一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法及装置，选取转速和压气机出口截面温度建立基于发动机性能参数的轮盘过渡态温度快速计算模型，计算获得发动机工作转速下的压气机出口截面温度；最后通过轮盘结构特性、发动机工作转速、压气机出口截面温度分别获得转速引起的轮盘径向变形、温度引起的轮盘径向变形，将转速引起的轮盘径向变形与温度引起的轮盘径向变形进行线性叠加，获得轮盘过渡态径向变形量。在发动机轮盘材料、结构确定的情况下，可以基于发动机性能参数快速获得在不同的发动机用法下的轮盘径向变形，计算效率高、精度高，便于开展全包线范围内的间隙优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法及装置。
背景技术
航空发动机叶尖间隙与发动机性能密切相关，轮盘作为航空发动机关键件，其工作过程中的径向变形影响着发动机叶尖间隙，从而影响发动机性能及工作安全。传统的有限元分析方法无法直接获取发动机性能参数对轮盘径向变形的影响规律，同时发动机实际试车过程中存在大量的过渡过程，依赖有限元计算轮盘变形费时费力，无法满足间隙的快速评价以及迭代优化设计要求。
现有技术中常采用多参数拟合的方法建立总体性能参数与轮盘径向变形的关系，但该方法过度依赖样本数，样本数足够多，分析结果才能准确，对于超出样本用法的轮盘变形计算，精度将大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法及装置，可以基于发动机性能参数快速获得在不同的发动机用法下的轮盘径向变形，计算效率高、精度高，便于开展全包线范围内的间隙优化设计。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法，包括：
根据发动机试车试验，获取发动机试车历程的性能数据，所述性能数据包括转速和压气机出口截面温度；以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型；
将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘各时刻温度值，并根据轮盘温度、轮盘材料性能、轮盘结构参数，分析获得温度引起的轮盘径向变形；
根据发动机的工作转速、轮盘结构参数、轮盘材料性能参数，分析获得转速引起的轮盘径向变形；
将转速引起的轮盘径向变形与温度引起的轮盘径向变形进行线性叠加，获得轮盘过渡态径向变形量。
进一步地，进行所述函数模型拟合时，将以试车历程中的转速和对应的压气机出口截面温度代入拟合函数，其中，/>为压气机出口截面温度，/>为发动机工作转速，/>为发动机慢车状态的发动机转速，/>、/>、/>、/>、/>分别为拟合系数。
进一步地，分析获得温度引起的轮盘径向变形的方法包括：
根据压气机出口截面温度，采用计算模型分别获得轮盘的盘缘、盘心处在各时刻的温度值/>，其中/>，/>代表盘心，/>代表盘缘；/>为压气机出口截面温度，/>为盘心或盘缘处相对当前时刻的/>时刻前的温度，/>为盘缘或盘心处的时间常数，/>为自然常数；
根据盘缘温度、盘心温度、轮盘结构参数，采用获得轮盘沿半径/>的温度分布，其中/>为轮盘半径/>处的温度，/>为轮盘盘心温度，/>为轮盘盘缘温度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸；
根据轮盘的温度分布、轮盘材料性能、轮盘结构参数，采用积分获得温度引起的轮盘径向变形/>，其中/>为轮盘材料线膨胀系数，/>为轮盘材料的泊松比，/>为微分符号。
进一步地，采用分析获得转速引起的轮盘径向变形，其中/>为轮盘材料密度，/>为轮盘材料的弹性模量，/>为发动机工作转速/>对应的角速度。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析装置，用于实施所述的航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法，包括：
数据拟合模块，用于根据发动机试车历程的性能数据，以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型；
第一分析模块，用于将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘各时刻温度值，并根据轮盘温度、轮盘材料性能、轮盘结构参数，分析获得温度引起的轮盘径向变形；
第二分析模块，用于根据发动机的工作转速、轮盘结构参数、轮盘材料性能参数，分析获得转速引起的轮盘径向变形；
输出模块。用于将转速引起的轮盘径向变形与温度引起的轮盘径向变形进行线性叠加，获得轮盘过渡态径向变形量。
进一步地，所述数据拟合模块中进行所述函数模型拟合时，将以试车历程中的转速和对应的压气机出口截面温度代入拟合函数，其中，/>为压气机出口截面温度，/>为发动机工作转速，/>为发动机慢车状态的发动机转速，、/>、/>、/>、/>分别为拟合系数。
进一步地，所述第一分析模块根据压气机出口截面温度，采用计算模型分别获得轮盘的盘缘、盘心处在各时刻的温度值/>，其中，/>代表盘心，/>代表盘缘；/>为压气机出口截面温度，/>为盘心或盘缘处相对当前时刻的/>时刻前的温度，/>为盘缘或盘心处的时间常数，/>为自然常数；
根据盘缘温度、盘心温度、轮盘结构参数，采用获得轮盘沿半径/>的温度分布，其中/>为轮盘半径/>处的温度，/>为轮盘盘心温度，/>为轮盘盘缘温度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸；
根据轮盘的温度分布、轮盘材料性能、轮盘结构参数，采用积分获得温度引起的轮盘径向变形/>，其中/>为轮盘材料线膨胀系数，/>为轮盘材料的泊松比，/>为微分符号。
进一步地，所述第二分析模块采用分析获得转速引起的轮盘径向变形/>，其中/>为轮盘材料密度，/>为轮盘材料的弹性模量，/>为发动机工作转速/>对应的角速度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过选取转速和压气机出口截面温度建立基于发动机性能参数的轮盘过渡态温度快速计算模型，计算获得发动机工作转速下的压气机出口截面温度；最后通过轮盘结构特性、发动机工作转速、压气机出口截面温度分别获得转速引起的轮盘径向变形、温度引起的轮盘径向变形，将转速引起的轮盘径向变形与温度引起的轮盘径向变形进行线性叠加，获得轮盘过渡态径向变形量。可以在发动机轮盘材料、结构确定的情况下，可以基于发动机性能参数快速获得在不同的发动机用法下的轮盘径向变形，计算效率高、精度高，便于开展全包线范围内的间隙优化设计。
附图说明
图1为实施例1或2中航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法流程图；
图2为实施例1中航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析装置结构框图；
图3为实施例1或2中轮盘的盘缘和盘心的结构尺寸示意图；
其中，1、轮盘；2、数据拟合模块；3、第一分析模块；4、第二分析模块；5、输出模块。
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-图3，一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法，包括：
根据发动机试车试验，获取发动机试车历程的性能数据，所述性能数据包括转速和压气机出口截面温度；以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型；
将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘1各时刻温度值，并根据轮盘1温度、轮盘1材料性能、轮盘1结构参数，分析获得温度引起的轮盘1径向变形；
将转速引起的轮盘1径向变形与温度引起的轮盘1径向变形进行线性叠加，获得轮盘1过渡态径向变形量。
在本实施例中，通过对发动机性能参数进行筛选，选取发动机性能参数中影响轮盘1径向变形的转速和压气机出口截面温度，然后结合过渡态下轮盘1热响应规律，建立基于发动机性能参数的轮盘1过渡态温度快速计算模型，通过轮盘1过渡态温度快速计算模型计算获得发动机工作转速下的压气机出口截面温度；最后通过轮盘1结构特性、发动机工作转速、压气机出口截面温度分别获得转速引起的轮盘1径向变形、温度引起的轮盘1径向变形，将转速引起的轮盘1径向变形与温度引起的轮盘1径向变形进行线性叠加，获得轮盘1过渡态径向变形量。本发明可以在发动机轮盘1材料、结构确定的情况下，可以基于发动机性能参数快速获得在不同的发动机用法下的轮盘1径向变形，计算效率高，计算精度高，便于开展全包线范围内的间隙优化设计。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析装置，用于实施所述的航空发动机轮盘1过渡态径向变形快速分析方法，包括：
数据拟合模块2，用于根据发动机试车历程的性能数据，以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型；
第一分析模块3，用于将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘1各时刻温度值，并根据轮盘1温度、轮盘1材料性能、轮盘1结构参数，分析获得温度引起的轮盘1径向变形；
第二分析模块4，用于根据发动机的工作转速、轮盘1结构参数、轮盘1材料性能参数，分析获得转速引起的轮盘1径向变形；
输出模块5。用于将转速引起的轮盘1径向变形与温度引起的轮盘1径向变形进行线性叠加，获得轮盘1过渡态径向变形量。
本实施例中，所述数据拟合模块2中进行所述函数模型拟合时，将以试车历程中的转速和对应的压气机出口截面温度代入拟合函数，其中，/>为压气机出口截面温度，/>为发动机工作转速，/>为发动机慢车状态的发动机转速，、/>、/>、/>、/>分别为拟合系数。
所述第一分析模块3根据压气机出口截面温度，采用计算模型分别获得轮盘1的盘缘、盘心处在各时刻的温度值/>，其中，/>代表盘心，/>代表盘缘；/>为压气机出口截面温度，/>为盘心或盘缘处相对当前时刻的/>时刻前的温度，/>为时间常数，/>为自然常数；
根据轮盘1盘缘温度、盘心温度、轮盘1结构参数，采用获得轮盘沿半径/>的温度分布，其中/>为轮盘半径/>处的温度，/>为轮盘盘心温度，/>为轮盘盘缘温度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸；
根据轮盘的温度分布、轮盘材料性能、轮盘结构参数，采用积分获得温度引起的轮盘径向变形/>，其中/>为轮盘材料线膨胀系数，/>为轮盘材料的泊松比，/>为微分符号。
所述第二分析模块4采用分析获得转速引起的轮盘1径向变形/>，其中/>为轮盘1材料密度，/>为轮盘1材料的弹性模量，/>为发动机工作转速/>对应的角速度。
实施例2
参见图1和图3，本实施例以某航空发动机轮盘过渡态径向变形分析为例，对本发明的分析方法进行详细说明，具体包括如下步骤：
步骤1、根据发动机试车试验，获取发动机试车历程的性能数据，所述性能数据包括转速和压气机出口截面温度；以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型；
本实施例中，进行所述函数模型拟合时，将以试车历程中的转速和对应的压气机出口截面温度代入拟合函数，其中，/>为压气机出口截面温度，/>为发动机工作转速，/>为发动机慢车状态的发动机转速，/>、/>、/>、/>、/>分别为拟合系数。
步骤2、将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘1各时刻温度值，并根据轮盘1温度、轮盘1材料性能、轮盘1结构参数，分析获得温度引起的轮盘1径向变形；
本实施例中，首先根据压气机出口截面温度，采用计算模型分别获得轮盘1的盘缘、盘心处在各时刻的温度值/>，其中，/>代表盘心，/>代表盘缘；/>为压气机出口截面温度，/>为盘心或盘缘处相对当前时刻的/>时刻前的温度，/>为自然常数；/>为盘缘或盘心处的时间常数，，/>为盘缘或盘心的径向尺寸，/>为盘缘或盘心厚度（即/>为盘心厚度，/>为盘缘厚度），/>为/>时间段前后的发动机转速变化量，/>为/>时间段前后的压气机出口截面温度变化量，/>为以/>为自变量的时间常数表达式，在轮盘1材料、结构确定的情况下，/>根据有限元分析拟合得到。
根据轮盘1盘缘温度、盘心温度、轮盘1结构参数，采用获得轮盘沿半径/>的温度分布，其中/>为轮盘半径/>处的温度，/>为轮盘盘心温度，/>为轮盘盘缘温度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸；
根据轮盘的温度分布、轮盘材料性能、轮盘结构参数，采用积分获得温度引起的轮盘径向变形/>，其中/>为轮盘材料线膨胀系数，/>为轮盘材料的泊松比，/>为微分符号。
步骤3、根据发动机的工作转速、轮盘1结构参数、轮盘1材料性能参数，分析获得转速引起的轮盘1径向变形；
本实施例中，采用分析获得转速引起的轮盘1径向变形/>，其中/>为轮盘1材料密度，/>为轮盘1材料的弹性模量，/>为发动机工作转速/>对应的角速度。
步骤4、将转速引起的轮盘1径向变形与温度引起的轮盘1径向变形进行线性叠加，获得轮盘1过渡态径向变形量。
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)
1.一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法，其特征在于，包括：
根据发动机试车试验，获取发动机试车历程的性能数据，所述性能数据包括转速和压气机出口截面温度；以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型，其中，/>为压气机出口截面温度，/>为发动机工作转速，/>为发动机慢车状态的发动机转速，/>、/>、/>、/>、/>分别为拟合系数；
将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘各时刻温度值，并根据轮盘温度、轮盘材料性能、轮盘结构参数，分析获得温度引起的轮盘径向变形；其中采用计算模型分别获得轮盘的盘缘、盘心处在各时刻的温度值/>，其中，/>代表盘心，/>代表盘缘；/>为压气机出口截面温度，/>为盘心或盘缘处相对当前时刻的/>时刻前的温度，/>为盘缘或盘心处的时间常数，/>为自然常数；根据盘缘温度、盘心温度、轮盘结构参数，采用/>获得轮盘沿半径/>的温度分布，其中/>为轮盘半径/>处的温度，/>为轮盘盘心温度，/>为轮盘盘缘温度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸；根据轮盘的温度分布、轮盘材料性能、轮盘结构参数，采用/>积分获得温度引起的轮盘径向变形，其中/>为轮盘材料线膨胀系数，/>为轮盘材料的泊松比，/>为微分符号；
根据发动机的工作转速、轮盘结构参数、轮盘材料性能参数，分析获得转速引起的轮盘径向变形，其中/>为轮盘材料密度，/>为轮盘材料的弹性模量，为发动机工作转速/>对应的角速度；
将转速引起的轮盘径向变形与温度引起的轮盘径向变形进行线性叠加，获得轮盘过渡态径向变形量。
2.一种航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析装置，用于实施权利要求1所述的航空发动机轮盘过渡态径向变形快速分析方法，其特征在于，包括：
数据拟合模块，用于根据发动机试车历程的性能数据，以试车历程中的转速为自变量，对应的压气机出口截面温度为因变量，拟合得到压气机出口截面温度与转速之间的函数模型，其中，/>为压气机出口截面温度，/>为发动机工作转速，/>为发动机慢车状态的发动机转速，/>、/>、/>、/>、/>分别为拟合系数；
第一分析模块，用于将航空发动机工作状态的工作转速代入所述函数模型，获得压气机出口截面温度；根据压气机出口截面温度，分析获得轮盘各时刻温度值，并根据轮盘温度、轮盘材料性能、轮盘结构参数，分析获得温度引起的轮盘径向变形；其中采用计算模型分别获得轮盘的盘缘、盘心处在各时刻的温度值/>，其中，/>代表盘心，/>代表盘缘；/>为压气机出口截面温度，/>为盘心或盘缘处相对当前时刻的/>时刻前的温度，/>为盘缘或盘心处的时间常数，/>为自然常数；根据盘缘温度、盘心温度、轮盘结构参数，采用/>获得轮盘沿半径/>的温度分布，其中/>为轮盘半径/>处的温度，/>为轮盘盘心温度，/>为轮盘盘缘温度，/>为轮盘盘心径向尺寸，/>为轮盘盘缘径向尺寸；根据轮盘的温度分布、轮盘材料性能、轮盘结构参数，采用/>积分获得温度引起的轮盘径向变形，其中/>为轮盘材料线膨胀系数，/>为轮盘材料的泊松比，/>为微分符号；
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