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压气机盘温度场计算方法

阅读：1014发布：2020-11-26

IPRDB可以提供压气机盘温度场计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种压气机盘温度场计算方法，包括：给定压气机盘的初始温度场；根据初始温度场，计算压气机盘的温度场。在本发明的优选技术方案中，综合考虑风阻做功和热平衡的影响，通过流固热耦合的方式对压气机盘的温度场进行准确求解，既能保证较高的计算精度，又能节省计算量，实现快速迭代求解压气机盘温度场的目的。，下面是压气机盘温度场计算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种压气机盘温度场计算方法，其特征在于，所述计算方法包括给定所述压气机盘的初始温度场；

根据所述初始温度场，计算所述压气机盘的温度场。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，“根据所述初始温度场，计算所述压气机盘的温度场”包括将所述压气机盘分为多个热平衡腔；

计算各个所述热平衡腔内的流体温度；

根据各个所述热平衡腔内的流体温度和所述热平衡腔每个单元的换热系数，计算所述压气机盘的第一温度场；

根据所述热平衡腔内的流体温度，重复上述步骤，计算得到所述压气机盘的第二温度场；

根据所述第一温度场和所述第二温度场判断结果是否收敛；

若计算结果收敛，则结束计算；

若计算结果不收敛，则重新计算所述压气机盘的温度场，直到计算结果收敛。

3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，“计算各个所述热平衡腔内的流体温度”包括选取某一个所述热平衡腔，作为第一腔；

提取所述第一腔固体壁面各单元的温度；

计算所述第一腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与上游流体掺混后的流体温度；

选取与所述第一腔相邻的所述热平衡腔，作为第二腔；

提取所述第二腔固体壁面各单元的温度；

计算所述第二腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与第一腔流体掺混后的流体温度；

重复上述步骤，计算各个所述热平衡腔内的流体温度。

4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，“计算所述热平衡腔固体壁面各单元的面积”的方法：通过以下公式计算：

式中，r1为各单元上距离旋转轴轴心较远的节点与轴心之间的距离，r2为各单元上距离旋转轴轴心较近的节点与轴心之间的距离。

5.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，计算所述热平衡腔内流体温度以及所述热平衡腔内流体与上游流体掺混后的流体温度的方法：通过如下公式计算所述热平衡腔内流体温度：通过如下公式计算所述热平衡腔内流体与上游流体掺混后的流体温度：式中，Tf为气流温度，Tm为流体温度，Ts为边界表面温度，s为沿着边界表面的相对距离，h为换热系数，cP为定压比热，W为流量，G为功，Tstream为上游流体温度。

6.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，“根据所述第一温度场和所述第二温度场判断结果是否收敛”包括计算所述第一温度场和所述第二温度场的差值；

如果所述差值小于等于设定阈值，则所述计算结果收敛；

如果所述差值大于所述设定阈值，则所述计算结果不收敛。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的计算方法，其特征在于，“给定所述压气机盘的初始温度场”包括建立所述压气机盘的有限元模型；

根据所述压气机盘的整体温度水平，给定一个初始边界条件；

计算得出一个初始温度场；

其中，所述边界条件包括：换热系数、换热温度。

说明书全文

压气机盘温度场计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种压气机盘温度场计算方法。

背景技术

[0002] 在航空发动机领域，压气机盘温度场对压气机的结构设计和叶尖间隙控制具有重要意义，决定压气机盘温度场的重要因素是沿程的气流温度变化以及气流与盘之间的传热关系，其中有两个重要的影响因素，分别是风阻做功和热平衡。风阻做功是指压气机盘旋转对其附近的气流通过粘性产生了摩擦做功，这部分功转化为粘性耗散热被气流吸收，气流随之产生了一定的温度变化；热平衡是指沿程气流与旋转盘之间存在温差，热量在旋转盘和气流之间通过对流换热的方式传递，达到平衡。

[0003] 现有技术中关于压气机盘温度场的计算方法主要包括：通过风阻做功的准则公式仅考虑风阻做功对气流温度的影响，而选择性的忽略热平衡的影响，这种方式处理起来比较简单，相当于仅针对流体自身的温增做了计算，没考虑与固体温度在传热方面的耦合，也即没有考虑热平衡，计算精度较差；CFD流固热耦合仿真，CFD计算工具的出现，对解决这一问题提出了明确的技术方案，通过对旋转盘及周边气流的数值模拟计算，综合流固热的影响，耦合求解得出较为准确的旋转盘温度场，这一方案的缺点是计算量大，计算效率低，适合科学研究，但无法满足工程上快速迭代的需求。

[0004] 因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种压气机盘温度场计算方法来克服或至少减轻现有技术中的至少一个上述问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种压气机盘温度场计算方法，所述计算方法包括：给定所述压气机盘的初始温度场；根据所述初始温度场，计算所述压气机盘的温度场。

[0007] 在上述计算方法的优选技术方案中，“根据所述初始温度场，编制考虑风阻、热平衡的算法配置文件”包括：将所述压气机盘腔分为多个热平衡腔；计算各个所述热平衡腔内的流体温度；根据各个所述热平衡腔内的流体温度和所述热平衡腔内个单元的换热系数，计算所述压气机盘的第一温度场；重复上述步骤，计算得到所述压气机盘的第二温度场；根据所述第一温度场和所述第二温度场判断结果是否收敛；若计算结果收敛，则结束计算；若计算结果不收敛，则重新计算所述压气机盘的温度场，直到计算结果收敛。

[0008] 在上述计算方法的优选技术方案中，“计算各个所述热平衡腔内的流体温度”包括：选取某一个所述热平衡腔，作为第一腔；提取所述第一腔固体壁面各单元的温度；计算所述第一腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与上游流体掺混后的流体温度；选取与所述第一腔相邻的所述热平衡腔，作为第二腔；提取所述第二腔固体壁面各单元的温度；计算所述第二腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与第一腔流体掺混后的流体温度；重复上述步骤，计算各个所述热平衡腔内的流体温度。

[0009] 在上述计算方法的优选技术方案中，“计算所述热平衡腔固体壁面各单元的面积”的方法：

[0010] 通过以下公式计算：

[0011]

[0012] 式中，r1为各单元上距离旋转轴轴心较远的节点与轴心之间的距离，r2为各单元上距离旋转轴轴心较近的节点与轴心之间的距离。

[0013] 在上述计算方法的优选技术方案中，计算所述热平衡腔内流体温度以及所述热平衡腔内流体与上游流体掺混后的流体温度的方法：

[0014] 通过如下公式计算所述热平衡腔内流体温度：

[0015]

[0016] 通过如下公式计算所述热平衡腔内流体与上游流体掺混后的流体温度：

[0017]

[0018] 式中，Tf为气流温度，Tm为流体温度，Ts为边界表面温度，s为沿着边界表面的相对距离，h为换热系数，cP为定压比热，W为流量，G为功，Tstream为上游流体温度。

[0019] 在上述计算方法的优选技术方案中，“根据所述第一温度场和所述第二温度场判断结果是否收敛”包括：计算所述第一温度场和所述第二温度场的差值；如果所述差值小于等于设定阈值，则所述计算结果收敛；如果所述差值大于所述设定阈值，则所述计算结果不收敛。

[0020] 在上述计算方法的优选技术方案中，“给定所述压气机盘的初始温度场”包括：建立所述压气机盘的有限元模型；根据所述压气机盘的整体温度水平，给定一个初始边界条件；计算得出一个初始温度场；其中，所述边界条件包括：换热系数、换热温度。

[0021] 本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，综合考虑风阻做功和热平衡的影响，通过流固热耦合的方式对压气机盘的温度场进行准确求解，既能保证较高的计算精度，又能节省计算量，实现快速迭代求解压气机盘温度场的目的。

附图说明

[0022] 图1是本发明实施例提供的压气机盘温度计算方法的流程示意图；

[0023] 图2是本发明实施例提供的根据初始温度场计算压气机盘的温度场的流程示意图；

[0024] 图3是本发明实施例提供的计算各个热平衡腔内的流体温度的流程示意图；

[0025] 图4是本发明实施例提供的压气机典型流路示意图；

[0026] 图5是本发明实施例提供的热平衡腔典型流路示意图。

具体实施方式

[0027] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

[0028] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0029] 本发明的实施例提供一种压气机盘温度场计算方法，在考虑风阻做功和热平衡的影响前提下，用于计算压气机盘温度场，通过流固热耦合的方式对压气机盘的温度场进行准确求解，既能保证较高的计算精度，又能节省计算量，实现快速迭代求解压气机盘温度场的目的。

[0030] 本发明的实施例提供的压气机盘温度场计算方法，是在ANSYS(有限元分析)软件上的仿真计算。

[0031] 如图4所示，压气机典型流动主要有两股流路，途中箭头表征了气体的流向，最外侧为压气机主流道，主要决定压气机叶片的温度场，同时会通过导热影响压气机盘的温度场；其次是盘心流路，主要决定压气机盘的温度场。

[0032] 图1是本发明实施例提供的压气机盘温度计算方法的流程示意图。如图1所示，压气机盘温度场计算方法包括以下步骤：

[0033] s101，给定压气机盘的初始温度场。

[0034] s102，根据初始温度场，计算压气机盘的温度场。

[0035] 本发明的实施例中，给定压气机盘的初始温度场的方法为：

[0036] 首先，建立压气机盘的有限元模型；其次，根据压气机盘的整体温度水平，给定一个初始边界条件；最后，计算得出一个初始温度场。

[0037] 其中，边界条件包括：换热系数、换热温度。计算初始温度场可以用ANSYS软件来进行计算。

[0038] 如图2所示，根据初始温度场计算压气机盘的温度场方法包括：

[0039] s201，将压气机盘腔分为多个热平衡腔。

[0040] 其中，将压气机盘腔分为多个热平衡腔可以根据压气机盘本身的结构将某两个压气机盘之间的空腔作为一个热平衡腔，也可以将某几个压气机盘之间的空腔共同作为一个热平衡腔，其具体划分方法，可以根据实际需要来进行选择。

[0041] s202，计算各个热平衡腔内的流体温度。

[0042] 其中，热平衡腔内的流体温度通过以下公式计算：

[0043]

[0044]

[0045] 式中，Tf为气流温度，Tm为流体温度，Ts为边界表面温度，s为沿着边界表面的相对距离，h为换热系数，cP为定压比热，W为流量，G为功，Tstream为上游流体温度。

[0046] s203，根据各个热平衡腔内的流体温度和热平衡腔内个单元的换热系数，计算压气机盘的第一温度场。

[0047] 其中，上述步骤计算得到的第一温度场为考虑了风阻做功和热平衡的影响而计算得到的温度场。

[0048] s204，重复上述步骤，计算得到压气机盘的第二温度场。

[0049] 需要说明的是，由于压气机盘内的流体温度不是一个固定的数值，而是随时变化的，因此，不同时刻计算得到的温度场的数值不同。

[0050] s205，根据第一温度场和第二温度场判断结果是否收敛。

[0051] 其中，判断结果是否收敛可以采用以下步骤：

[0052] 计算第一温度场和第二温度场的差值；

[0053] 如果差值小于等于设定阈值，则计算结果收敛；

[0054] 如果差值大于设定阈值，则计算结果不收敛。

[0055] 需要说明的是，设定阈值的设定可以根据实际需要来具体的设定，优选的，设定阈值可以为0.01摄氏度，也可以为0.02摄氏度，还可以是其他的数值，在此不作限定。

[0056] s206，若计算结果收敛，则结束计算。

[0057] s207，若计算结果不收敛，则重新计算压气机盘的温度场，直到计算结果收敛。

[0058] 本发明实施例中，通过上述步骤反复迭代计算，最终能够得出综合考虑风阻以及热平衡的压气机盘温度场。

[0059] 图3是本发明实施例提供的计算各个热平衡腔内的流体温度的流程示意图。计算热平衡腔内的流体温度时，需要考虑与其相邻的热平衡腔内的流体对其影响，即需要考虑上游流体的温度，具体地，如图3所示，热平衡腔内的流体温度的计算方法主要包括以下步骤：

[0060] s301，选取某一个热平衡腔，作为第一腔。

[0061] s302，提取第一腔固体壁面各单元的温度。

[0062] 其中，第一腔固体壁面各单元的温度可以通过ANSYS软件直接提取出来。

[0063] s303，计算第一腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与上游流体掺混后的流体温度。

[0064] 其中，热平衡腔固体壁面各单元的面积通过以下公式计算：

[0065]

[0066] 式中，r1为各单元上距离旋转轴轴心较远的节点与轴心之间的距离，r2为各单元上距离旋转轴轴心较近的节点与轴心之间的距离。

[0067] 腔内流体温度以及腔内流体与上游流体掺混后的流体温度通过以下公式计算：

[0068]

[0069]

[0070] 式中，Tf为气流温度，Tm为流体温度，Ts为边界表面温度，s为沿着边界表面的相对距离，h为换热系数，cP为定压比热，W为流量，G为功，Tstream为上游流体温度。

[0071] s304，选取与第一腔相邻的热平衡腔，作为第二腔；

[0072] s305，提取第二腔固体壁面各单元的温度；

[0073] 其中，第二腔固体壁面各单元的温度的提取方式与第一腔固体壁面各单元温度的提取方式相同。

[0074] s306，计算第二腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与第一腔流体掺混后的流体温度；

[0075] 其中，第二腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与第一腔流体掺混后的流体温度的计算方法与第一腔固体壁面各单元的面积、腔内流体温度以及腔内流体与上游流体掺混后的流体温度的计算方法相同。

[0076] s307，重复上述步骤，计算各个热平衡腔内的流体温度。

[0077] 可以理解的是，选取一个热平衡腔，如图5所示，虚线区域为热平衡腔的气体边界，从能量守恒角度来看，热平衡腔内空开过去与周围环境的能量交换具体包括如下几部分：①为热平衡腔周围高温零部件对腔内气体的对流加热；②为腔内气体对于低温零部件的对流散热；③为风阻或螺栓做功；④为盘心气流进入热空腔所带入的热量；⑤为盘心气流流出热空腔所带走的热量。

[0078] 本发明实施例提供的压气机盘温度场计算方法，综合考虑风阻做功和热平衡的影响，通过流固热耦合的方式对压气机盘的温度场进行准确求解，既能保证较高的计算精度，又能节省计算量，实现快速迭代求解压气机盘温度场的目的。

[0079] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
离心压气机-专利编号CN104343734A	2020-05-13	857
膜卷压气机-专利编号CN106743855B	2020-05-12	212
压气机-专利编号CN1312439A	2020-05-11	236
压气机-专利编号CN1136142A	2020-05-11	354
压气机壳体及压气机-专利编号CN110118200A	2020-05-12	226
压气机叶轮-专利编号CN103206407A	2020-05-13	228
压气机-专利编号CN1191432C	2020-05-11	1016
离心压气机-专利编号CN105736457A	2020-05-13	919
压气机-专利编号CN106662118A	2020-05-12	524
压气机-专利编号CN106662118B	2020-05-11	314

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