[发明专利]一种分轴式航改燃机动力涡轮一维匹配设计方法

说明书

本发明涉及一种分轴式航改燃机动力涡轮一维匹配设计方法，该方法可用于为分轴式航改燃机的燃气发生器快速匹配设计动力涡轮一维方案，并避免整机超温和进入喘振区。该方法包括以下步骤：根据燃气发生器压气机喘振裕度及燃烧室出口总温限制获得动力涡轮流通能力下限、采用正交设计获取不同动力涡轮设计参数组合方案、按设计点需求进行动力涡轮一维设计及分析、选出大于流通能力下限且效率最高的一维方案并进行总体仿真验证。本发明所建立的分轴式航改燃机动力涡轮一维匹配设计方法，结合总体部件法分析与部件正反问题设计，可快速获得动力涡轮一维设计方案，保证燃机设计点性能的同时，改善低转速起动特性，从而避免压气机进喘和涡轮超温。

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，更具体地，涉及一种分轴式航改燃机动力涡轮一维匹配设计方法。

背景技术

航改燃机是一类基于成熟航空发动机改型的燃气轮机，可共享航空发动机的设计、制造和试验体系，降低研制风险，缩短研制周期，减少研制成本。以某航空发动机改型分轴式燃气轮机为例，可采用航空发动机核心机作为燃气发生器，在下游匹配设计动力涡轮用以输出功率。目前人们主要关注于动力涡轮在设计点的性能，然而由于动力涡轮的流量堵塞效果，导致燃气涡轮膨胀比下降，为了维持燃气发生器转速不变，需要增加燃油量，由此导致涡轮进口总温提高，压气机压比增加，对燃气发生器非设计工况性能特别是起动过程带来一系列影响，如压气机进喘、涡轮进口温度较高等问题，因此需要考虑设计具备较宽的大流量特性的动力涡轮。

上述需求带来以下两方面问题：一方面，为保证动力涡轮特性可满足整机非设计工况要求，需要验证不同动力涡轮方案对燃机总体性能的影响，即反复结合动力涡轮特性与上游燃气发生器特性进行总体计算，耗时较长。另一方面，验证动力涡轮是否满足总体性能要求就需要获得动力涡轮特性曲线，而动力涡轮一维方案设计本身精度不足，特别是流量对燃气发生器影响较大，因此需要结合涡轮一维反问题设计和一维正问题分析以获得合理可信的一维方案及特性，并结合总体需求选取方案，以改善整机非设计点工况性能。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于总体仿真求解部件流量特性限值和涡轮一维正反问题迭代设计的分轴式航改燃机动力涡轮一维匹配设计方法，在保证燃机设计点性能的同时，可改善低转速起动特性，从而避免压气机进喘和涡轮超温。

该方法结合分轴式航改燃气轮机的特点，即燃气发生器部件特性为已知,动力涡轮流量特性对燃气发生器影响明显而效率特性仅影响出功大小，因此通过总体仿真可推导动力涡轮流量特性下限，从而为动力涡轮设计是否合理提供了验证，只需动力涡轮的流量特性满足大于其下限的要求，即可满足总体的需要，避免了将动力涡轮特性反复代入总体仿真进行验证的工作。而动力涡轮的一维设计存在着流量精度不足的缺点，可通过一维设计和一维分析反复修正迭代实现设计点的精确控制，同时还可获得非设计工况的流量特性，以方便与上述动力涡轮流量特性下限进行对比。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种分轴式航改燃机动力涡轮一维匹配设计方法，所述分轴式航改燃机包括燃气发生器和动力涡轮，所述动力涡轮位于燃气发生器的下游，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

SS1.结合总体分析获取动力涡轮流通能力下限

首先，确定由压气机喘振裕度边界所限制的动力涡轮流通能力下限，然后，确定由燃烧室出口温度所限制的动力涡轮流通能力下限，最后，结合上述两个流通能力下限范围，即为动力涡轮流通能力下限。

SS2采用正交设计给定不同设计变量组合方案

对5个动力涡轮一维设计变量进行正交设计，包括载荷系数H_t、反力度Ω、流量系数轴向速比系数K_a和进出口中径比等，按需要给定各参数的约束范围及不同取值，并选择合适的正交表以获得上述参数的不同组合方案。

SS3.动力涡轮一维反问题设计