基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法与流程

1.本技术属于变循环核心机设计技术领域，具体涉及一种基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法。


背景技术：

2.核心机时航空发动机的核心部件，主要包括高压压气机、燃烧室、高压涡轮，在核心机的基础上增设低压风扇、低压涡轮等结构即可构造不同系列型号的航空发动机，满足不同的飞机需求。
3.变循环核心机在常规循环核心机高压压气机前增设前置风扇，以及在前置风扇、高压压气机之间增设外涵放气活门，即是增设核心驱动风扇cdfs，用于调整内、外涵空气流量，具备变循环核心机的航空发动机，即变循环航空发动机，通过恰当的操控，在超音速飞行下，可具有涡喷发动机或小涵道涡扇发动机的高推比特性，同时，在亚音速飞行条件下，可具有低噪声和低燃油消耗特性。
4.当前，变循环核心机经典的研究路线为先进行高压压气机部件气动设计
→
高压压气机部件结构设计
→
高压压气机部件试验，形成变循环高压压气机构型，随后进行核心机气动设计
→
核心机结构设计
→
核心机试验，迭代后得到变循环核心机，该种技术方案，周期长、成本高、技术风险较大，很难形成最终产品。
5.鉴于上述技术缺陷的存在提出本技术。
6.需注意的是，以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本技术的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

7.本技术的目的是提供一种基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。
8.本技术的技术方案是：
9.一种基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，包括：
10.在常规循环核心机构型上，选取约束界面，包括高压压气机与中介机匣安装界面l1，高压压气机前/后机匣安装界面l2，高压压气机与燃烧室安装界面l3，燃烧室与高压涡轮安装界面l4，高压涡轮和低压涡轮安装界面l5，前轴颈与高压压气机转子安装界面sr1，高压压气机1、2级转子安装界面sr2，高压压气机2、3级转子安装界面sr3，高压压气机转子与篦齿盘安装界面sr4，篦齿盘与高压轴安装界面sr5，高压轴与涡轮转子安装界面sr6；
11.固定约束界面上的典型尺寸，包括l1界面的螺栓孔高度k1，l1界面的止口高度h1，l2界面的螺栓孔高度k2，l2界面的止口高度h2，l3界面的螺栓孔高度k3，l3界面的止口高度h3，l4界面的螺栓孔高度k4，l4界面的止口高度h4，l5界面的螺栓孔高度k5，l5界面的止口高度h5，l6界面的螺栓孔高度k6，l6界面的止口高度h6；sr1界面的螺栓孔高度sk1，sr1界面
的止口高度sh1，sr2和sr3界面的螺栓孔高度sk2，sr2界面的止口高度sh2，sr3界面的止口高度sh3，sr4和sr5界面的螺栓孔高度sk4，sr4和sr5界面的止口高度sh4，sr6界面的螺栓孔高度sk6，sr6界面的止口高度sh6；
12.根据约束界面将核心机构型划分为多个结构模块；
13.在约束界面典型尺寸的约束下，设计以前置风扇、外涵放气活门的相应结构模块，取代常规循环核心机构型上对应的结构模块，并对各个结构模块进行升级，得到变循环核心机。
14.根据本技术的至少一个实施例，述的基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其特征在于，
15.半约束界面约束延伸范围内，内外流道界面的坐标为固定值。
16.根据本技术的至少一个实施例，述的基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其特征在于，
17.半约束界面约束延伸范围为
±
30mm。
18.本技术至少存在以下有益技术效果：
19.提供一种基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其设计在常规循环核心机构型的基础上，选取约束界面，并固定约束界面上的典型尺寸，且根据约束界面将核心机构型划分为多个结构模块，将核心机结构模块化，进而在约束界面典型尺寸的约束下，通过对结构模块的取代、升级得到变循环核心机，即是以约束界面典型尺寸进行半约束，继承常规循环核心机的主要构型，得到变循环核心机，以此能够实现对变循环核心机快速迭代设计，此外，设计半约束界面约束延伸范围内，内外流道界面的坐标为固定值，以保证结构模块间组合的平滑过渡，保证所得变循环核心机的性能。
附图说明
20.图1是本技术实施例提供的常规循环核心机静子约束界面典型尺寸的示意图；
21.图2是本技术实施例提供的变循环核心机静子约束界面典型尺寸的示意图；
22.图3是本技术实施例提供的常规循环核心机转子约束界面典型尺寸的示意图；
23.图4是本技术实施例提供的变循环核心机转子约束界面典型尺寸的示意图；
24.图5是本技术实施例提供的常规循环压气机结构模块的示意图；
25.图6是本技术实施例提供的变循环压气机结构模块的示意图；
26.图7是本技术实施例提供的压气机部件升级带动核心机升级的示意图；
27.图8是本技术实施例提供的模块组合形成变循环发动机示意图的示意图；
28.图9是本技术实施例提供的变循环发动机转子功能模块示意图的示意图。
29.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，此外，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
30.为使本技术的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本技术的部分实施例，其仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图
中仅示出了与本技术相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
31.此外，除非另有定义，本技术描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本技术描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示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，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本技术的限制。本技术描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本技术描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本技术描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
32.此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本技术的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本技术中的具体含义。
33.下面结合附图1至图9对本技术公开的基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法做进一步详细说明。
34.将核心机结构模块化，在满足模块间界面一致性的前提下，各模块可以进行自主设计或升级设计，以界面典型尺寸为约束的半约束设计，参见图1-4，条件如下：
35.l1为高压压气机与中介机匣安装界面；l2为高压压气机前/后机匣安装界面；l3为高压压气机与燃烧室安装界面；l4为燃烧室与高压涡轮安装界面；l5为高压涡轮和低压涡轮安装界面。
36.sr1为前轴颈与高压压气机转子安装界面；sr2为高压压气机1、2级转子安装界面；sr3为高压压气机2、3级转子安装界面；sr4为高压压气机转子与篦齿盘安装界面；sr5为篦齿盘与高压轴安装界面；sr6为高压轴与涡轮转子安装界面。
37.f1为cdfs风扇进口；f2为cdfs风扇出口；f4为高压压气机出口，燃烧室进口；f5为燃烧室出口，涡轮进口。
38.r1-r6为1-6级高压压气机转子叶片；sw1为出口静子，该静子为高压压气机出口和燃烧室进口的转换模块；t1为高压涡轮转子叶片。
39.保证结构模块间任意组合：
40.k1为l1界面的螺栓孔高度，h1为l1界面的止口高度，固定值；
41.k2为l2界面的螺栓孔高度，h2为l2界面的止口高度，固定值；
42.k3为l3界面的螺栓孔高度，h3为l3界面的止口高度，固定值；
43.k4为l4界面的螺栓孔高度，h4为l4界面的止口高度，固定值；
44.k5为l5界面的螺栓孔高度，h5为l5界面的止口高度，固定值；
45.k6为l6界面的螺栓孔高度，h6为l6界面的止口高度，固定值；
46.sk1为sr1界面的螺栓孔高度，sh1为sr1界面的止口高度，机动值或固定值，确保结构模块能够组合即可；
47.sk2为sr2和sr3界面的螺栓孔高度，sh2为sr2界面的止口高度，固定值；
48.sh3为sr3界面的止口高度，固定值；
49.sk4为sr4和sr5界面的螺栓孔高度，sh4为sr4和sr5界面的止口高度，固定值；
50.sk6为sr6界面的螺栓孔高度，sh6为sr6界面的止口高度，固定值。
51.x
l2
为l2面横坐标，x
l3
为l3面横坐标，x
l4
为l4面横坐标，x
l5
为l5面横坐标，(xi,y
1，i
)为核心机内流道坐标i＝1,2,3
……
；(x j
,y
2，j
)为核心机外流道坐标j＝1,2,3
……
。
52.x
i+1-xi＝1～10mm；x j+1-x j
＝1～10mm；l2、l3、l4、l5、l6界面
±
30mm范围内，(xi,y
1，i
)和(x j
,y
2，j
)为固定值。
53.x
l2
＝高压压气机前机匣长度；x
l3
＝高压压气机机匣长度；x
l3-x
l2
＝高压压气机后机匣长度；x
l4-x
l3
＝转换模块长度；x
l5-x
l4
＝燃烧室长度；x
l6-x
l5
＝涡轮机匣长度。
54.x
sr2-x
sr1
＝一级转子+前轴颈长度；x
sr4-x
sr1
＝高压压气机转子轴向长度；x
sr6-x
sr5
＝高压轴长度。
55.核心机模块按层级分为：结构模块、部件功能模块和核心机功能模块，结构模块组合构成部件功能模块，部件功能模块组合形成核心机功能模块。如果“核心机”被定义为一级功能模块，高压压气机、燃烧室、高压涡轮将被定义为二级功能模块，功能模块可以单独实现具体功能，而功能模块由结构模块组成。
56.以高压压气机部件功能模块为例进行分解，识别结构模块，高压压气机部件功能模块可以分为高压压气机转子、前机匣、后机匣、前轴颈等主要结构模块，参见图5-6，其中：
57.11为常规循环高压压气机部件模块；12为燃烧室部件模块；13为高压涡轮部件模块；31为变循环高压压气机部件模块；
58.p01为前机匣结构模块；p02为后机匣结构模块；p101为带有旁路引气的前机匣结构模块；
59.cm2为常规前轴颈结构模块；n2为变循环专用前轴颈结构模块；
60.cm3为1级转子结构模块；n3为cdfs风扇+高压1级转子结构模块；
61.cm4为2级转子结构模块；
62.cm5为3～6级转子结构模块；
63.sw1为高压压气机/燃烧室部件间转换模块，对应于部件交界处的功能交换单元。
64.在满足半约束条件下，可以对高压压气机、燃烧室和高压涡轮进行单个部件功能模块或者结构模块的升级设计，模块升级完成后，可直接换装到核心机，从而促使整个核心机升级。
65.在一个具体的实施例中，在半约束设计准则下，为满足航空发动机减重及缩短转子长度需求，在不影响航空发动发动机性能的前提下，将高压压气机可缩短为3～5级高压压气机部件功能模块，界面l1、l3、sr1、sr5满足半约束设计准则，如图7所示，其中，
66.11为升级前6级高压压气机部件功能模块；
67.21为升级后3～5级高压压气机部件功能模块。
68.替换常规循环核心机的l1界面，l2界面满足半约束设计要求，f3面之后的(xi,y
1，i
)和(x j
,y
2，j
)与原高压压气机流道坐标一致，采用k2模块替换k1-1-1模块，形成了变循
环高压压气机部件模块，如图8所示，其中：
69.k1为常规循环发动机；
70.k1-1为11+12+13形成的核心机模块；
71.k1-1-1为p01+cm3构成的高压压气机前置单元；
72.k1-1-2为p02+sw1+cm4+cm5高压压气机拆分单元与12和13构成的剩余核心机单元；
73.k2为p101+n3构成的cdfs单元；
74.k3为含n2的中介机匣进气段；
75.k4为排气段；
76.k12为k2+k1-1-2构成的变循环核心机模块；
77.k5为k3+k4+k12构成的变循环核心机试验件；
78.k6为核心机部分为k12构成的变循环发动机。
79.在燃烧室+涡轮模块不变的情况下，配以变循环cdfs单元模块，形成变循环核心机模块；
80.在变循环核心机模块前、后，配以k3中介进气机匣模块和k4排气段模块，组合形成变循环核心机试验件k5，用于变循环核心机性能试验及性能录取。
81.变循环核心机试验件k5通过试车检验后，前、后配以风扇和低压涡轮模块，形成变循环发动机k6，如图8所示。
82.cdfs的放气机构可采用cn109162829b中变循环发动机的涵道引射器构型，变循环发动机整体构型可采用专利cn1975130b中的构型设计。
83.常规循环发动机转子由一级转子结构模块cm3、前轴颈结构模块cm2、3～6级转子结构模块cm5、高压轴结构模块cm6、高压涡轮转子结构模块cm7、前支点结构模块cm1、后支点cm8构成，变循环发动机转子由cdfs风扇+高压1级转子模块n3(专用模块)、前轴颈专用模块n2、3～6级转子结构模块cm5、高压轴结构模块cm6、高压涡轮转子结构模块cm7，前支点结构模块n1、后支点cm8构成。
84.以二级转子前安装边为转子模块安装界面，以n3+n2模块替换cm3+cm2模块，前置点位置轴向前移，形成了变循环核心机转子，转子的主体结构继承二级后转子主体结构，如图9所示。
85.上述实施例公开的基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，领域内技术人员可以理解的是，可以在常规循环发动机核心机的基础上，仅在高压压气机前端增加cdfs模块，改装即可形成变循环核心机，各部件功能模块、结构模块可以单独升级，提高核心机和整机性能，可实现对变循环核心机的快速设计、投产以及试验验证，能够大福度缩短研发周期、降低研发成本。
86.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
87.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本技术的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本技术的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本技术的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其特征在于，其特征在于，包括：在常规循环核心机构型上，选取约束界面，包括高压压气机与中介机匣安装界面l1，高压压气机前/后机匣安装界面l2，高压压气机与燃烧室安装界面l3，燃烧室与高压涡轮安装界面l4，高压涡轮和低压涡轮安装界面l5，前轴颈与高压压气机转子安装界面sr1，高压压气机1、2级转子安装界面sr2，高压压气机2、3级转子安装界面sr3，高压压气机转子与篦齿盘安装界面sr4，篦齿盘与高压轴安装界面sr5，高压轴与涡轮转子安装界面sr6；固定约束界面上的典型尺寸，包括l1界面的螺栓孔高度k1，l1界面的止口高度h1，l2界面的螺栓孔高度k2，l2界面的止口高度h2，l3界面的螺栓孔高度k3，l3界面的止口高度h3，l4界面的螺栓孔高度k4，l4界面的止口高度h4，l5界面的螺栓孔高度k5，l5界面的止口高度h5，l6界面的螺栓孔高度k6，l6界面的止口高度h6；sr1界面的螺栓孔高度sk1，sr1界面的止口高度sh1，sr2和sr3界面的螺栓孔高度sk2，sr2界面的止口高度sh2，sr3界面的止口高度sh3，sr4和sr5界面的螺栓孔高度sk4，sr4和sr5界面的止口高度sh4，sr6界面的螺栓孔高度sk6，sr6界面的止口高度sh6；根据约束界面将核心机构型划分为多个结构模块；在约束界面典型尺寸的约束下，设计以前置风扇、外涵放气活门的相应结构模块，取代常规循环核心机构型上对应的结构模块，并对各个结构模块进行升级，得到变循环核心机。2.根据权利要求1所述的基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其特征在于，半约束界面约束延伸范围内，内外流道界面的坐标为固定值。3.根据权利要求2所述的基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其特征在于，半约束界面约束延伸范围为
±
30mm。

技术总结
本申请属于变循环核心机设计技术领域，具体涉及一种基于常规压气机的变循环压气机核心机界面约束设计方法，其设计在常规循环核心机构型的基础上，选取约束界面，并固定约束界面上的典型尺寸，且根据约束界面将核心机构型划分为多个结构模块，将核心机结构模块化，进而在约束界面典型尺寸的约束下，通过对结构模块的取代、升级得到变循环核心机，即是以约束界面典型尺寸进行半约束，继承常规循环核心机的主要构型，得到变循环核心机，以此能够实现对变循环核心机快速迭代设计，此外，设计半约束界面约束延伸范围内，内外流道界面的坐标为固定值，以保证结构模块间组合的平滑过渡，保证所得变循环核心机的性能。证所得变循环核心机的性能。证所得变循环核心机的性能。


技术研发人员：侯鹏 杨吉星 王安妮
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/19