小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法发明内容

小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法专利目的

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》提出了一种小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法。

小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法技术方案

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》一方面提出了一种小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统，包括三维造型模块、流体动力学建模模块、组装模块、三维计算模块、后处理模块、试验报告及评估报告生成模块、数据库管理模块和用户管理模块，所述三维造型模块用于采用具有参数化建模功能的UG模块建立试验器涡壳三维模型和试验件三维模型，其中，所述参数化建模为对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行的描述；所述流体动力学建模模块用于根据三维造型模块生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件（IcemCFD或TurboGrid）进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述组装模块用于对流体动力学建模模块生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型按照实际的物理状态进行组装，以生成可用于气动性能试验的计算模型；所述三维计算模块用于根据设置的试验工况和试验工质结合所述组装模块生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真，并在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置及监控参数，如压力、温度等；所述后处理模块用于根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据；所述试验报告及评估报告生成模块用于根据试验结果及试验情况进行总计，并完成试验报告及试验平台评估报告；所述数据库管理模块用于对数据进行管理，对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估，其中，所述试验模型包括涡壳三维模型、试验件三维模型、涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述用户管理模块用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限。

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》还提出了一种采用如上所述的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统进行试验的方法，包括以下步骤：制作涡壳以生成涡壳三维模型和涡壳流体动力学模型；制作试验件以生成试验件三维模型和试验件流体动力学模型；对所述涡壳流体动力学模型和所述试验件流体动力学模型进行拼接以生成可用于气动性能试验的计算模型，并根据设置的试验工况和试验工质进行全通道试验。

小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法改善效果

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统能够部分地取代涡轮实物试验，缩短涡轮试验周期，降低试验风险和实际试验的费用。此外，该发明实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统还能够对涡轮的气动性能进行分析和评估，指导涡轮的设计。该发明实施例对于实现发动机从“传统型设计”到“预测型设计”的转变有着重要的促进作用。

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过该发明的实践了解到。

在小型涡轮发动机研制过程中，通过涡轮部件试验获得涡轮部件的真实特性，对于发动机总体性能的评估具有重要作用。虚拟试验技术作为数字化的试验技术，集成仿真技术、计算机技术、网络信息技术、试验技术等于一身，被认为是提高武器系统或产品研制水平，增强创新力和竞争力的有效技术手段。

中国国外虚拟试验技术在上个世纪八十年代开始兴起，在国防领域尖端的武器系统研制之中应用较多，但在小型发动机虚拟试验方面还未进行任何有效的研究。

图1为《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统结构图；

图2为该发明实施例的虚拟试验方法流程图；

图3为该发明实施例的涡壳制作流程图；

图4为该发明实施例的试验件制作流程图；

图5为该发明实施例的全通道试验流程图；

图6为该发明实施例的制作试验大纲子流程示意图。

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》涉及发动机制造及设计技术领域，特别涉及一种小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法。

1.一种小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统，其特征在于，包括三维造型模块、流体动力学建模模块、组装模块、三维计算模块、后处理模块、试验报告及评估报告生成模块、数据库管理模块和用户管理模块，所述三维造型模块用于采用具有参数化建模功能的UG模块建立试验器涡壳三维模型和试验件三维模型，其中，所述参数化建模为对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行的描述；所述流体动力学建模模块用于根据三维造型模块生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件（Icem CFD或Turbo Grid）进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述组装模块用于对流体动力学建模模块生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型按照实际的物理状态进行组装，以生成可用于气动性能试验的计算模型；所述三维计算模块用于根据设置的试验工况和试验工质结合所述组装模块生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真，并在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置及监控参数，如压力、温度等；所述后处理模块用于根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据；所述试验报告及评估报告生成模块用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告；所述数据库管理模块用于对数据进行管理，对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估，其中，所述试验模型包括涡壳三维模型、试验件三维模型、涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型；所述用户管理模块用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限。

2.一种采用如权利要求1所述的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：制作涡壳以生成涡壳三维模型和涡壳流体动力学模型；制作试验件以生成试验件三维模型和试验件流体动力学模型；对所述涡壳流体动力学模型和所述试验件流体动力学模型进行拼接以生成可用于气动性能试验的计算模型，并根据设置的试验工况和试验工质进行全通道试验。

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统通过搭建网络化的虚拟平台实现，以对小型涡轮发动机涡轮部件的气动性能进行虚拟试验，从而短涡轮试验周期，降低试验风险和实际试验的费用。如图1所示，为该发明实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统结构图。该小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统包括三维造型模块100、流体动力学建模模块200、组装模块300、三维计算模块400、后处理模块500、试验报告及评估报告生成模块600、数据库管理模块700、用户管理模块800。

其中，三维造型模块100主要采用具有参数化建模功能的UG模块（Unigraphics NX）进行试验器涡壳三维模型和试验件三维模型的建立。在《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》的实施例之中，参数化建模即对涡壳、试验件的几何结构运用几个结构参数进行描述，如长度、宽度、厚度或直径、半径等。当该涡壳、试验件的结构大小发生变化时，只需修改描述该涡壳、试验件的参数值而不需要修改模型本身。

其中，流体动力学建模模块200根据三维造型模块100生成的涡壳三维模型和试验件三维模型采用CFD软件（IcemCFD和Turbo Grid软件）进行流体动力学模型的建立，以生成涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型。

其中，组装模块300用于对流体动力学建模模块200生成的涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型进行组装，生成可用于气动性能试验的计算模型。具体地，将可用于气动性能试验的涡壳计算模型与试验件计算模型按照其实际的物理状态进行拼接，使其变为一个可用于计算的完整模型。

根据试验任务书设置试验工况、试验工质。三维计算模块400根据设置的试验工况和试验工质结合组装模块300生成的用于气动性能试验的计算模型进行试验仿真。在试验过程之中还可监控关键截面的参数变化。在计算之前，在关键截面设置监控点信息，该信息主要包括监控点的位置（三维坐标值）及监控参数，如压力、温度等。

后处理模块500根据试验结果进行后处理分析，以获得各个流面的参数分布及涡轮三维特性数据，并将试验结果与涡轮实物试验数据进行对比，获得两者之间的关系，例如获得涡轮特性参数如效率、功率、流量等参数的差异。在《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》的实施例之中，后处理分析包括对各流面（S1流面、S2流面、S3流面）的各参数（总温、总压、静温、静压、速度、马赫数等）分布的分析、各关键截面（叶片排进出口截面等）参数的分析、叶片损失系数、流线分布等。

试验报告及评估报告生成模块600用于根据试验结果及试验情况进行总结，并完成试验报告及试验平台评估报告。

《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统具有数据库管理功能，可通过数据库管理模块700对虚拟试验的试验模型、试验工况参数、试验结果数据、特性曲线、参数分布图形等信息进行存储管理，并为用户提供检索，查询和统计以及分析评估的功能。

用户管理模块800用于对用户实行权限管理，以使不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案、虚拟试验模块有不同的访问、修改权限。该系统之中用户权限共分为三类：系统管理员、试验者或设计者、浏览者。其中，不同权限人员对虚拟试验任务书、虚拟试验方案和虚拟试验模块有不同的访问，修改权限。在用户登录进入小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统之后，系统根据预设的该用户的权限确定该用户可进行的操作范围，从而保证了数据库数据的保密、可靠和一致。

如图2所示，为《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的虚拟试验方法流程图，该方法基于上述的小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统。该方法包括以下步骤：

步骤S201，制作涡壳，生成涡壳三维模型和涡壳流体动力学模型。其中，涡壳包括六个部件，分别是进口1（jk1）、进口2（jk2）、前盆（qp）、后盆（hp）、出口1（ck1），出口2（ck2）。涡壳的制作过程是首先制作六个部件，然后合并六个部件生成涡壳。六个部件的制作过程是首先UG创建几何文件，生成涡壳三维模型，然后由Icem生成涡壳六个部件的流体动力学模型，最后由CFX合并六个部件的流体动力学模型，生成涡壳流体动力学模型。如图3所示，为《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的涡壳制作流程图。

步骤S202，制作试验件，生成试验件三维模型和试验件流体动力学模型。试验件的制作根据选用网格工具的不同提供两种制作方式，IcemCFD方式和TurboGrid方式。

方式一、IcemCFD方式：

首先由专门的设计软件创建静叶和动叶的点文件，然后由UG软件创建三维模型，再由IcemCFD创建静叶和动叶的流体动力学模型，最后由CFX合并静叶和动叶的流体动力学模型，生成试验件流体动力学模型。

方式二、TurboGrid方式：

首先由专门的设计软件创建静叶和动叶的点文件，然后由UG软件创建三维模型，再由TurboGrid创建静叶和动叶的流体动力学模型，最后由CFX合并静叶和动叶的流体动力学模型，生成试验件流体动力学模型。。

如图4所示，为《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例的试验件制作流程图。

需要说明的是在《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》实施例之中，步骤S201和S202之间没有顺序关系。

步骤S203，进行全通道试验。首先合并涡壳流体动力学模型和试验件流体动力学模型，然后通过设置工况参数和工质参数在合并后的涡壳和试验件上开始试验，试验后进行后处理分析，并生成试验报告。如图5所示，为该发明实施例的全通道试验流程图。如图6所示，为该发明实施例的制作试验大纲子流程示意图。

2016年12月7日，《小型涡轮发动机涡轮气动性能虚拟试验系统及试验方法》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B