2004 基于冷效的涡扇发动机过渡过程仿真模型

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1、中国航空学会推进系统气动热力学专业第十届学术交流会基于冷效的涡扇发动机过渡过程仿真模型陈敏唐海龙朱之丽(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083)摘要：为考虑部件换热对涡扇发动机过渡过程影响，本文建立的部件级过渡态仿真模型引入了热交换模型，利用冷效系数的概念，在转子功率动态平衡方程添加了部件储热动态修正项(简称HADR)，采用发动机综合平衡技术，研究不同冷效对发动机过渡过程参数、性能参数、叶尖间隙变化的影响．研究结果表明，该方法能够给出不稳定换热对发动机过渡过程参数变化的上下边界，对过渡态燃油规律的制定和叶尖间隙的主动控

2、制具有指导意义。关键词：涡扇发动机；过渡态仿真；冷效系数；热交换：间隙Abstract：Thispaperfocusesonthecomponents-baseddynamicperformancesimulationforaturbofanengine．AnewHeat-Accumulation-Dynamic-Revision(aADR)basedonthecoolcoefficientisaddedtothepowerdynamicequationoftherotators．Aidedbytheturbofanengmecom

3、poundbalancecomputingtechnology,theeffectontheworkparametersandtheturbine’S虹pradialclearanceduringthedynamicprocessunderdifferemcoefficientsareinvestigated．ThestudyshowsitCanaffordthespanoftheheattransferinfluenceduringthedynamicprocessbeyondthedependencyontheexperimen

4、talformulas，whichcontributestosettingupthefuelcontrollawandactivecontroloftipclearanceduringthedynamicprocess．Keywords：turbofanengine，dynamicmodeling,coldcoefficient，Heat-Accumulation-Dynamic—Revision1引言现代军用飞机高机动性和频繁的复飞性要求发动机具有快速推力响应能力和合理的高温部件间隙控制。发动机在过渡过程，气流与零部件存在不稳定热

5、交换，这种不稳定热交换对性能将产生不容忽视的影响。例如，文献【l】的研究结果表明，考虑热交换和不考虑热交换对发动机的起动时间相差20s。热交换还会导致涡轮和压气机的叶尖径向间隙变化，从而影响飞机的复飞性能。因此，在发动机过渡态模型的建立过程中，国内学者【2’31均考虑了热交换的影响。为了获得零件与气流之间的不稳定换热量，他们在热交换模型的建立过程中对各部件的换热系数进行了估算，然而，实际换热过程中，气流在发动机内部的流动状况以及换热模式的复杂性导致换热系数和换热面积难于直接从发动机的设计部门获得。本文研究的目的是利用冷效的概念建立金

6、属动态储热、叶尖径向间隙的模型，并将该模型引入发动机过渡过程性能模型，在此基础上研究过渡过程中国航空学会推进系统气动热力学专业第十届学术交流会金属动态储热，叶尖径向间隙变化对过渡态性能的影响。2金属动态储热估算模型在发动机过渡过程当中，金属零部件将不断从流经的气流中吸取热量或向气流中释放热量，直到达到热平衡为止。分析燃气轮机各部件的结构特点，叶轮机械(风扇、压气机和高、低压涡轮)部件的质量较大，燃烧室、尾喷管等属薄壳型部件，显然前者的吸收和储热的能力要比后者大得多，相对而言，不稳定热交换的影响也会更显著，因此只选择叶轮机械部件来建立

7、金属动态储热模型。根据传热学原理，温度为砭的热气流流过金属时，气流与金属的热流量表示为：Q=M。c。兰挚=一础(乙一t)(1)式中：M。一金属物体的质量，q-金属物体的比热，乙．金属物体的温度，口，换热系数，么．换热面积，疋．气流温度实际换热过程当中(见图1)，一方面，对于受冷却气膜保护的涡轮叶片，热燃气并不与其表面直接接触，热燃气与冷却气之间的不稳定换热，一部分作为金属的动态储热，另一部分被冷却气带走流入燃气通道，冷却气与热燃气掺混后继续参与做功；另一方面，与气流进行热交换的零部件表面极其复杂，换热方式包括冲击冷却，气膜冷却，扰流

8、器强化等模式。由于换热系数a和换热面积4难于确定，因此难于直接估算换热量对过渡过程的影响。图1高压涡轮与气流换热示意图然而，从公式(1)中可以看出，金属与气流的不稳定热交换被金属动态储存下来，作为金属的焓增：如能计算金属的动态储热，也