第四十六章 設(shè)計(jì)復(fù)雜 開始建模
陳東風(fēng)和楊輝在經(jīng)過半個(gè)多月的自學(xué)，再加上向老師請(qǐng)教后，陳東風(fēng)覺得自己已經(jīng)基本掌握三元流動(dòng)理論的基本應(yīng)用，可以比較熟練的使用理論里面的方程了。因此他和楊輝商量后，就決定開始動(dòng)手進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，而楊輝進(jìn)度稍慢，只能一邊跟著陳東風(fēng)設(shè)計(jì)，一邊再自學(xué)了。
陳東風(fēng)在設(shè)計(jì)Mini2000的離心式壓氣機(jī)的時(shí)候是以二元流動(dòng)理論為基礎(chǔ)，并加以適當(dāng)?shù)墓こ躺系男拚?，修正系?shù)是在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候確定的。這種方法有較大的局限性，特別是這種二元流動(dòng)理論不能確切地描繪出壓氣機(jī)通流部分流動(dòng)的真實(shí)情況，尤其是它不適用于大流量、大功率、高效率的壓氣機(jī)，二元流動(dòng)理論的局限性也在于這里。
陳東風(fēng)為了把真實(shí)的流動(dòng)加以簡(jiǎn)化和抽象突出主要的影響因素，這就需要做一些假定，這些假定的精確程度和適用范圍是已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)證過的。目前在做三元流動(dòng)分析時(shí)的基本假定有四個(gè)個(gè)。
一是流體(即被壓縮的氣體介質(zhì))是非粘性的，也就是理想流體。因此流體微團(tuán)之間和流體微團(tuán)與壁面之間的摩擦力與熱交換不予考慮。至于粘性及傳熱對(duì)流動(dòng)總效果的影響，由于飛龍的速度設(shè)計(jì)的很小，在這里就忽略不計(jì)了。
二是流體的狀態(tài)變化由完全氣體狀態(tài)方程來描述，即P =P R T(P是氣體的密度，R是氣體常數(shù)，T是氣體溫度)。
三是流體在固定流道(如擴(kuò)壓器)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是定常的，即運(yùn)動(dòng)狀況不隨時(shí)間變化。流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系也假定是定常的，即相對(duì)于隨葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系來說，流體的運(yùn)動(dòng)狀況也不隨時(shí)間變化。
四是由于一般被壓縮氣體介質(zhì)的重度都較小，因此忽略流體的重力作用。
在這些基本假定之下，陳東風(fēng)建立一組流體的運(yùn)動(dòng)方程，即基本方程，來描述流體在離心式壓氣機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的狀況。這些方程計(jì)有反映流體受力狀況的運(yùn)動(dòng)方程，反映流體能量轉(zhuǎn)換與守恒的能量方程和反映流體質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程。
陳東風(fēng)只有把這些基本方程求解出來后，才可以進(jìn)行壓氣機(jī)子午流面三元流動(dòng)分析和回轉(zhuǎn)面的三元流動(dòng)分析。
根據(jù)子午流面的計(jì)算，可以得到葉輪出口參數(shù)及中間流面(或子午面)上的速度、壓力等分布，由此衡量葉輪氣動(dòng)性能的優(yōu)劣，并提出改進(jìn)的辦法。
回轉(zhuǎn)面是由子午流線繞Z軸旋轉(zhuǎn)而成的曲面?；剞D(zhuǎn)面與葉片相交在回轉(zhuǎn)面上形成一定的葉片形狀?；剞D(zhuǎn)面內(nèi)的求解可給出葉片間的流動(dòng)狀況。由此可以求得通過兩葉片間準(zhǔn)正交線的質(zhì)量流量和密度。在校核流量之后，通過做近似計(jì)算，可以修正速度分布和回轉(zhuǎn)面流線形狀。
陳東風(fēng)計(jì)算到這里，才將將把二級(jí)壓氣機(jī)的葉輪機(jī)葉片的強(qiáng)度、進(jìn)口外形和葉片外形設(shè)計(jì)完成。至于擴(kuò)壓器和蝸殼基本沒有改變，陳東風(fēng)還是沿用以前的設(shè)計(jì)。接下來就要進(jìn)入到燃燒室的理論設(shè)計(jì)。
由于進(jìn)入燃燒室的氣體壓力講究是原先的2倍，又考慮到需要飛龍需要長(zhǎng)巡航時(shí)間，需要省油的特性。陳東風(fēng)這次放棄了選用汽油，改用柴油來代替。
陳東風(fēng)再設(shè)計(jì)燃燒室容積的時(shí)候，首先考慮到在同樣的條件下1升柴油要比汽油的熱值高30%左右，二是燃燒室進(jìn)氣量飛龍要比Mini2000多30%-40%，三是實(shí)際內(nèi)涵道需要的推力飛龍反而要比Mini2000低30%左右。所以再一個(gè)個(gè)的計(jì)算后，陳東風(fēng)反而縮小了聯(lián)管燃燒室的容積，比原來的小了20%。
陳東風(fēng)綜合計(jì)算下來在油箱體積達(dá)到60L的時(shí)候，巡航時(shí)間可以達(dá)到3個(gè)小時(shí)，飛行距離達(dá)到500公里。如果再掛載副油箱的話達(dá)到4個(gè)小時(shí)應(yīng)該問題不大。
燃燒室的變化不大，接下來是最為關(guān)鍵的渦輪葉片了。陳東風(fēng)考慮到實(shí)際的燃燒中柴油的用量要比原先的汽油少，導(dǎo)致渦輪前的氣流壓力要比原先小10%左右，為了維持渦輪葉片的轉(zhuǎn)速，陳東風(fēng)必須要改進(jìn)在二元流動(dòng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的渦輪葉片。
改進(jìn)的方法就是前面提到的三元流動(dòng)理論。通過優(yōu)化渦輪葉片的子午面和回轉(zhuǎn)面來提高渦輪葉片的氣動(dòng)性能。于此同時(shí)，他還要盡可能的降低渦輪葉片的重量。在這兩種方法的同時(shí)作用了，飛龍的核心機(jī)轉(zhuǎn)速才可以和Mini2000基本相同。
內(nèi)涵道的部件級(jí)數(shù)學(xué)模型建立好了后，最為重要的就是外涵道的數(shù)學(xué)模型了，尤其是風(fēng)扇的模型。
考慮風(fēng)扇葉片的直徑較大，作為大涵道比的一個(gè)特征部件，將風(fēng)扇的內(nèi)涵道和外涵道部分進(jìn)行分開建模。從部件特性中可以直接獲得風(fēng)扇外涵部件的特性，也稱為風(fēng)扇的葉尖部分。
風(fēng)扇的進(jìn)口參數(shù)為進(jìn)氣道部件的出口參數(shù)。由風(fēng)扇進(jìn)口實(shí)際空氣流量以及風(fēng)扇相對(duì)換算轉(zhuǎn)速。根據(jù)葉尖特性插值數(shù)據(jù)求得風(fēng)扇外涵葉尖壓比。基于風(fēng)扇外涵部件的壓比特性，可求得風(fēng)扇葉尖部分出口總壓，采用變比熱法計(jì)算風(fēng)扇葉尖部件的出口總溫。對(duì)于風(fēng)扇的葉根部分，考慮整個(gè)風(fēng)扇進(jìn)口空氣流量唯一，故與風(fēng)扇外涵葉尖部分采用同一特性。
已知風(fēng)扇增壓級(jí)部件的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)和特性，又增壓級(jí)進(jìn)口的總壓和總溫等于風(fēng)扇內(nèi)涵，即葉根部分出口總溫和總壓。由風(fēng)扇內(nèi)涵增壓部件進(jìn)口處空氣流量、風(fēng)扇內(nèi)涵增壓部件轉(zhuǎn)子相對(duì)換算轉(zhuǎn)速，插值此部件的特性并通過公式求得內(nèi)涵增壓級(jí)的壓比和增壓級(jí)的效率。
由風(fēng)扇內(nèi)涵增壓部件壓比可求得出口總壓，出口流量等于進(jìn)口流量，則可以計(jì)算出風(fēng)扇的進(jìn)口流量和風(fēng)扇內(nèi)涵增壓部件的出口流量、風(fēng)扇葉尖出口空氣流量、和涵道比。
根據(jù)以上得出的風(fēng)扇進(jìn)出口流量和涵道比，在運(yùn)用三元流動(dòng)理論的基本原理和方程，就可以求出風(fēng)扇的強(qiáng)度和外形曲度了。
陳東風(fēng)和楊輝計(jì)算到這一步，基本上一個(gè)大涵道比的核心機(jī)模型就基本上完成了，剩下的修正系數(shù)就需要實(shí)際的實(shí)驗(yàn)來得出了。