空气系统双腔模型的压力动态特性分析.pdf

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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016Vol_42No．4http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0256空气系统双腔模型的压力动态特性分析丁水汀1’2’3’，车巍巍3，刘传凯4(1．北京市航空器／发动机复杂系统安全性重点实验室，北京100083；2．先进航空发动机协同创新中心，北京100083；3．北京航

2、空航天大学能源与动力工程学院，北京100083；4．北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100083)摘要：当发动机突然加速或发生突发失效时，空气系统在短时间内由容腔效应和管道流体惯性所形成的压力波动将对某些空气系统零部件产生负面影响。在经过验证的模块化瞬态空气系统仿真程序的基础上，分析了双腔模型的管道不同部位和容腔的压力变化。重点考虑了关键元件的尺寸对压力变化的影响规律。结果表明，此瞬变过程中出现的压力波动与空气系统的几何结构尺寸密切相关。此模型分析方法可以作为研究整机空气系统瞬变过程的基础。关键词：空气系统；双腔模型；压力波动；影响规

3、律；发动机中图分类号：V228．3文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)04-0654-08空气系统贯穿于整个航空发动机，承担着热端部件的冷却、密封、平衡轴向力、间隙主动控制和除冰等作用，直接关系到发动机能否安全、可靠地运行。尤其是当发动机发生突发失效等突发情况，空气系统腔室的容积效应和管道可压缩流体的惯性力诱发的耦合振荡在短时间内可能导致某些复杂的、继发性的危险瞬态载荷。另外，空气系统短时间内的瞬变特性与内部元件的几何偏差密切相关。此部件尺寸的差别对瞬变压力波动的影响也是本文需要关注的内容。所以，对于空气系统强瞬变过程的模拟

4、及对一些元件尺寸影响的分析，对避免航空发动机局部突发失效等引起整机的安全性问题，实现被动安全设计有一定的指导意义。系统内的非定常流动，在瞬变条件发生初始会出现极短时间的大幅高频振荡特性，称之为瞬变流，视其幅值大小、频率高低和时间长短，分为强瞬变和弱瞬变2类¨⋯。对于发动机来说，弱瞬变一般指发动机的常规加减速过程，气路参数的瞬变周期持续数s以上，远大于气流扰动在空气系统网络中的传播时间。而对于强瞬变过程，如发动机的突发失效，气路参数往往发生剧烈振荡，瞬变周期只有数ms到几百ms，与气流扰动在空气系统网络的传播时间同等量级。此时，强瞬变容易发生，

5、在此瞬变过程中，空气系统高压力梯度的气流扰动将在空气系统管路系统中传播和反射。空气系统强瞬变特性主要受容腔和管路的耦合振荡所主导，并且与容腔和管路几何参数密切相关，所以通过合适的几何参数的选择可以避免或削弱此强瞬变过程。而容腔和管道基本模型的准确建立是此强瞬变研究的基础。Dutton和Coverdill"1针对非定常、可压缩气体的单腔充放气进行了实验，在阻塞和未阻塞的工作条件下对比了绝热模型和等熵模型的区别。2007年，收稿日期：2015-04_24；录用日期：2015-09-06；网络出版时间：2015-09—1519：24网络出版地址：W

6、WW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150915．1924．001．html基金项目：教育部长江学者创新团队“航空发动机复杂系统安全性”(IRT0905)}通讯作者：Tel．：010*82317435E—mail：dst@buaa．edu．cn引用格式：丁水汀，车藐巍，刘传凯．空气系统双腔模型的压力动态特性分析fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42似)：654-661．DINGST，CHEWW，LIUCK．Dynamicpressurecharacteristicsanalysisfordouble-

7、cavitymodelofairsystem[JJ．JournalofBe咖ngUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(4)：654-661(inChinese)．第4期丁水汀，等：空气系统双腔模型的压力动态特性分析655Thorncroft等H。建立了1个可以预测在充放气过程中箱内压力和温度变化的模型。模拟空气是个多变过程。通过模型和实验过程相比较经验确定多变指数n约为1．17。直到2009年，Calcagni和Gallarp。。建立了瞬态空气系统模型。将系统看成是一系列腔和管道组成的。

8、分别对于管道、单腔、双腔和DeHalle模型用流体网络法建立了模型并进行了瞬态下压力变化的计算，结果与实验数据吻合的很好。并分析了轴失效条件下的轴向力变化。但是，并