航空发动机热防护第三章空气系统

1、三、 空气系统3.1空气系统概述空气系统:指的是空气冷却系统和热气防冰系统。通常从压气机适当位置抽取空气，通过发动机主流道的内侧或外侧各种流动结构元件按设计的流路及要求的流动参数流动并完成规定的各项功能。最后从确定的主流道排出并与主流汇合或直接泄漏到机体外部排入大气。在流动过程中伴随着空气与发动机零件表面之间的热量交换。冷却空气系统造成的损失减弱了提高涡轮进口燃气温度带来的优越性消耗涡轮功（压缩冷却空气）；进入燃气主流道的低温冷气降低了主燃气的温度，减少涡轮功的输出；因动能与方向的差异造成主燃气流的气动损失空气系统的作用涡轮转子空气冷却与封严；涡轮静子的空气冷却与主动间隙控制系统；轴承滑油空气

2、封严系统；平衡转子轴向力。冷却空气系统设计计算的目的与任务提出并设计涡轮、压气机、承力系统的冷却与传热方法；转静子封严及滑油空气封严方法和结构；研究和确定冷却方式及其结构元件的换热及流动规律；确定流动冷气系统沿程的参数；评估冷气系统是否满足设计要求和对发动机的影响；提出试验与试车测量任务和要求。冷气系统的设计计算的两种方式设计计算：根据经验确定系统初步设计方案后给定空气流量和热交换量计算出气流通过元件的几何尺寸、流通面积以及温度、压力等参数分布。检验计算：给定系统结构、各元件的几何尺寸、热交换方式计算出各元件的流量分配及总空气流量。3.2 冷气系统的设计计算的步骤1.流路的简化和制作包含各个网

3、络 节点的流路拓扑图；2.计算各个网络单元的流动特性参 数和换热参数；3.求解整个流路网络。对空气系统流路进行简化1236789V1V2V3V4网络单元流动参数与换热参数的计算将发动机的各个腔室简化成各种典型的冷却结构直通道、转弯流道、带粗肋流道、绕流柱流道、带冲击 冷却流道、气膜冷却流道计算各个单元的流阻系数、热边界条件（温度、换热系数）3.3 空气系统流路网络方程的求解气流与通道表面的热交换 由牛顿换热公式：气流在通道中的流动损失： 旋转通道中半径r至r+dr段上离心力场对气 流的质量功:控制方程 在已知系统结构和几何形状尺寸、沿通道的损失系数、壁温和换热系数情况下可求得：压力P、温度T、

4、密度和流速u，如果给出各参数在系统中的分布情况可计算得几何参数。冷却空气系统计算的方法顺序法网络法冷却空气系统计算的顺序法（1）（2）将上面两式相减(1)-(2)得：（3）将（2）和（3）式简写为：求解简式方程得：确定冷却空气的流动路线及其离散，假定的分流点最好在中间；预估每一段的冷却空气流量mi及分流量 ；沿流动方向分段计算，直到冷气系统的边界，这时，计算得到的压力值应该符合边界的压力值。如果不符合，改变每一段的空气流量，重新计算。直到计算得到的压力全部与边界压力相符合。冷却空气系统计算的顺序法顺序法方法特点换热和流动同时计算；显式的计算过程，流量调整不好处理；比较容易处理元件内有气流流出；

5、多支路复杂网络比较难处理；冷却空气系统计算的网络法将空气系统离散为若干微元段，每个微元段视为一个元件，每个元件只有一个进口和出口，用节点表示元件进出口，节点作为元件和元件的连接点，整个系统形成由节点和元件构成的网络。每个节点遵循质量守恒的原则：假定每个元件中空气都为不可压缩流。冷却空气系统计算的网络法流过元件的冷却空气的质量流量同冷却空气的进口总压pin*和出口总压pout*之间的关系可用一个式子来表示。 对 动量方程进行积分得：解得质量流： 空气系统计算的网络法压力变化和流量变化的关系空气系统计算的网络法网络简图ljki空气系统计算的网络法首先假设各节点i，j，k，l的总压pi*，pj*，p

6、k*和pl* 计算得到流量不一定满足连续方程各个元件的流量调整应该满足：空气系统计算的网络法综合上面四个式子对于一个具有N个节点、E个元件的网络系统可以构成一个代数方程组： 空气系统计算的网络法求解上述方程组可以得到N个节点的总压修正量，再利用下式求出各节点的总压：通过迭代求解可以得到冷却空气系统的压力和流量的分布 。再由总压求出静压：各个节点总温的计算在一个元件内积分能量方程得 ：从进口处的总温一直算到出口；在有分支流的情况下，节点总温按照混合气体的总温计算，假定不考虑温度对比热的影响，在节点i处有M部分分支流入气体时：（5）（6）空气系统计算的网络法计算步骤将系统离散为由不同元件组成的网络

7、系统；设定各个节点总压，由总压计算各节点的流量和流量残量 ；根据（4）式计算出总压修正量，重新计算出各节点新的总压，直到总压修正量在允许的误差范围内；设定各个节点上的总温，根据式（5）（6）重新计算各个节点的总温，计算结果与设定值进行比较，迭代计算直至设定值与计算值在允许误差范围内。空气系统计算的网络法网络法计算的特点在求解空气系统的压力和流量时，有可靠的流量和压力调整方法没有进行换热计算，换热计算一般在元件内实现，在节点按冷却空气混合计算。很容易处理多支路的大型空气系统对三通等元件的出流不易处理冷却空气系统计算的特点冷却空气系统计算的准确性取决于：边界条件的准确网络划分的准确元件阻力的准确计

8、算旋转对流动阻力和换热的影响腔室的流动阻力不能根据发动机总体要求对冷却空气系统进行设计计算冷却空气系统的优化流体网络法：将复杂流路简化为节点和元件组成的网络系统，通过典型元件特征列出基本方程热网络法：把研究对象细分成节点单元，节点之间有热量传递，节点之间传热都用热阻代替3.4 空气系统是一体化求解平台介绍流体网络元件可分为 压力源、篦齿、腔室、损失元件和孔等；热网络元件可分为热源、导热热阻和对流换热热阻；整体网络通过建立能量守恒，流体网络建立质量守恒方程，可以求得流体网络各节点压力、温度分布，热网络各节点温度分布。Company Logo在图上添加流体网络元件和节点：Company Logo每

9、一个元件通过点击弹出对应对话框，输入结构和物性参数：Company Logo同样，建立热网络，固体内部通过导热元件连接，边界处添加对流换热元件Company Logo流热耦合处的对流换热系数可通过三维快速计算平台实现Company Logo通过该平台，输入基本参数，边界条件即可完成网格建立、计算，返回所需值如壁面对流换热系数：Company Logo计算过程可实时监控Company Logo计算完成后可查看相关结果，并返回所需参数，如对流换热系数。Company Logo通过以上操作，给定各元件基本参数，并建立网络拓扑关系，便可进行计算。计算结果以图表形式显示Company Logo各节点参数

10、同时存储在excel表中空气系统部件计算软件展示新态空气系统算法稳态空气系统的蒙特卡洛法瞬态空气系统的特征线法空气系统的实质求解任务根据系统的流阻特性和几何特性，对空气系统进行流量分配和压力分配。已知边界条件，求解内部变量引入蒙特卡罗法理论基础：概率统计理论主要手段：随机抽样分配比例：概率大小分配的思想取随机变量，构造随机游动模型移动路线：p p1i . QN次随机游动，pp11p12p1iQ蒙特卡罗法蒙特卡罗法优点： 算法简单 可单独对任一节点计算 易于并行化缺点： 一定会收敛 不能解决精确度要求很高的问题 收敛速度不快 瞬态空气系统计算方法： 广义的变截面、有摩擦和对外热交换的一维可压缩非

11、定常流动及换热的偏微分方程组如下： 连续方程 动量方程 能量方程 理想气体状态方程 对于局部损失元件，包含x的偏微分项可转换为不同时刻下的常微分项： 连续方程 动量方程 能量方程 理想气体状态方程 盘腔旋转通道静止通道环形通道孔口封严间隙盘缘间隙突扩突缩边界节点边界节点内部节点交互节点局部损失元件特征“长”元件流体网络法特征线法空气系统瞬态解决方案瞬态空气系统-特征线法连续方程L1：动量方程L2： 引入因 子 将上述两个方程进行线性组合：求得：则：瞬态特征线法理论性严密 物理概念清晰 数值稳定性良好计算精度和效率很高 特点：1.瞬态空气系统盘腔的处理 难点：3.5防冰表面的热流量计算结冰带来的危害使发动机进气面积减少，减少发动机空气流量；使发动机性能下降，严重导致喘振；由于发动机振动，冰层破裂脱落，被吸入，而打伤叶片，