一种雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测方法

1.本公开属于航空发动机技术领域，具体涉及一种雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测方法。


背景技术：

2.进气畸变与低雷诺数是对影响航空发动机气动稳定性的两种最为重要的降稳因子。航空发动机在额定的飞行包线内运行时，经常会受到二者的耦合影响，如何评估该工况下压气机的工作特性及气动稳定性。
3.针对两种降稳因子的单独影响，现有技术中的三维数值计算方法虽然能够获得较为准确的预测结果，但是三维数值模拟更复杂，耗费的时间成本和计算资源也跟庞大；另外，可以借助传统模型及其改进模型进行快速预测。但是参阅图2、图3所示，传统模型对于两种降稳因子耦合作用的工况，仅仅依靠现有模型无法得到准确的预测结果。原因在于传统单因子预测模型无法准确描述两种降稳因子耦合作用带来的流动现象，这就导致原有的物理假设及经验关系式不再适用，进而无法得出准确的预测结果。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本公开目的在于通过数值模拟的结果与传统平行压气机模型的思想，对模型假设进行改进，使其能够适用于雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测的压气机性能预测方法。
5.为了实现本公开目的，本公开所采用的技术方案如下：
6.一种雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测方法，用于雷诺数畸变耦合影响下的压气机的性能预测，包括：
7.沿压气机进口处轴向将压气机划分为第一压气机和第二压气机，所述第一压气机为进口非畸变区压气机，所述第二压气机为进口畸变区压气机；
8.基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得第二压气机的第二进口总温、第二进口总压、第二压气机流量，以及第一压气机和第二压气机之间转静间隙的周向流动量；
9.基于所述第二压气机的第二进口总温、所述第二进口总压、所述第二压气机流量和所述周向流动量，获得所述第二压气机的畸变区换算流量；
10.当畸变区换算流量达到均匀进气时的压气机失速点流量时，判断整台压气机发生失速。
11.可选地，所述基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得第一压气机和第二压气机之间转静间隙的周向流动量，包括：
12.基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得所述第一压气机出口的第一出口总温和第一出口总压，获得所述第二压气机出口的第二出口总温和第二出口总压；
13.基于所述第一出口总温、所述第一出口总压、所述第二出口总温和所述第二出口总压，获得所述第一压气机的第一出口速度因数和所述第二压气机的第二出口速度因数；
14.基于所述第一出口速度因数和所述第二出口速度因数，获得所述第一压气机的第一出口静压和所述第二压气机的第二出口静压的关系；
15.基于所述第一出口静压和所述第二出口静压的关系，获得第一压气机的第一压气机流量和第二压气机的第二压气机流量；
16.基于所述第一压气机流量和所述第二压气机流量，获得第一压气机的非畸变区转静间隙的第一转静间隙静压和第二压气机的畸变区转静间隙的第二转静间隙静压；
17.基于所述第一转静间隙静压和所述第二转静间隙静压，获得转静间隙周向流动速度；
18.基于所述转静间隙周向流动速度获得周向流动量。
19.可选地，所述基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得所述第一压气机出口的第一出口总温和第一出口总压，获得所述第二压气机出口的第二出口总温和第二出口总压，包括：
20.基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得所述第一压气机的第一进口总温、第一进口总压、第一效率和第一压比，以及，所述第二压气机的第二进口总温、第二进口总压、第二效率和第二压比；
21.所述第一出口总温和所述第二出口总温基于以下公式获得：
[0022][0023]
式中，x＝1或2，分别表示所述第一压气机或所述第二压气机，为所述第一进口总温或所述第二进口总温，为第一出口总温或第二出口总温，η为所述第一效率或第二效率，π为第一压比或第二压比；
[0024]
所述第一出口总压和所述第二出口总压基于以下公式获得：
[0025][0026]
式中，为所述第一出口总压或所述第二出口总压，为所述第一进口总压或所述第二进口总压。
[0027]
可选地，所述基于所述第一出口总温、所述第一出口总压、所述第二出口总温和所述第二出口总压，获得所述第一压气机的第一出口速度因数和所述第二压气机的第二出口速度因数，基于以下公式获得：
[0028][0029][0030]
式中，x＝1或2，分别表示所述第一压气机或所述第二压气机，λ
ox
为第一出口速度
因数或第二出口速度因数，q(λ)为气动函数，k为空气绝热指数。
[0031]
可选地，所述基于所述第一出口速度因数和所述第二出口速度因数，获得所述第一压气机的第一出口静压和所述第二压气机的第二出口静压的关系，包括：
[0032]
基于以下公式获得所述第一出口静压和所述第二出口静压的关系：
[0033][0034]
p
o1
＝(1 k
dp
dpcp
crit
)p
o2
[0035]
式中，dpcp
crit
为临界畸变参数，为所述第一进口总压，为所述第二进口总压，ap
crit
＝0.25，k
dp
＝0.5。
[0036]
可选地，所述基于所述第一出口静压和所述第二出口静压的关系，获得第一压气机的第一压气机流量和第二压气机的第二压气机流量，包括；
[0037]
假设所述压气机流量的初始值，通过二分法根据压气机的特性计算出口所述第一出口静压和所述第二出口静压，所述第一出口静压和所述第二出口静压满足所述第一出口静压和所述第二出口静压的关系时，获得所述第一压气机流量和第二压气机流量。
[0038]
可选地，所述基于所述第一压气机流量和所述第二压气机流量，获得第一压气机的非畸变区转静间隙的第一转静间隙静压和第二压气机的畸变区转静间隙的第二转静间隙静压，包括：
[0039]
获得到压气机进口到转静间隙位置的静压升特性曲线；
[0040]
基于第一压气机流量和所述第二压气机流量及压气机的进口条件，结合所述静压升特性曲线，获得所述第一转静间隙静压和所述第二转静间隙静压。
[0041]
可选地，基于所述第一转静间隙静压和所述第二转静间隙静压获得转静间隙周向流动速度，基于以下公式获得：
[0042][0043]
式中，v
r-s
为所述转静间隙周向流动的速度，p
high
为第二转静间隙静压，p
high
为第一转静间隙静压，ρ
ave
为转静间隙密度的平均值。
[0044]
可选地，所述基于所述转静间隙周向流动速度获得周向流动量，基于以下公式获得：
[0045]aeffe
＝cxfc
×aphy
[0046][0047]
式中，a
effe
为转静间隙的周向有效流通面积，cxfc为有效流通系数，a
phy
为间隙实际面积，为所述周向流动量，ρ
ave
为转静间隙密度的平均值，v
r-s
为所述转静间隙周向流动的速度。
[0048]
可选地，所述基于所述第二压气机的第二进口总温、所述第二进口总压、所述第二压气机流量和所述周向流动量，获得所述第二压气机的畸变区换算流量，基于以下公式获得：
[0049][0050]
式中，为所述畸变区换算流量，为第二压气机流量，为周向流动量，为第二进口总压，为第二进口总温。
[0051]
本公开中的雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测模型是基于经典平行压气机模型的思想发展而来，保留了根据进口条件划分子压气机的思想，并且依据雷诺数畸变耦合影响下的流动特点，对子压气机间的流动交换进行了模化，同时建立子压气机出口静压的关系，使之更贴合实验结果。在压气机的设计阶段就可借助该模型实现了雷诺数畸变耦合影响下压气机性能的预测，可以减小成本，降低风险。
附图说明
[0052]
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0053]
图1是本公开中雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测方法的方法流程图；
[0054]
图2是100％转速下数值模拟方法与现有技术预测模型法的压比特性对比图；
[0055]
图3是100％转速下数值模拟方法与现有技术预测模型法的效率特性对比图；
[0056]
图4是100％转速下数值模拟方法与本公开预测模型法的压比特性对比图；
[0057]
图5是100％转速下数值模拟方法与本公开预测模型法的效率特性对比图。
具体实施方式
[0058]
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0059]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
[0060]
本公开的一些实施例提供的一种雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测方法，用于雷诺数畸变耦合影响下的压气机的性能预测，主要是基于数值模拟的结果与传统平行压气机模型的思想，对模型假设进行改进，使其能够适用于雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测。
[0061]
如图1所示，压气机性能预测方法包括：
[0062]
s1、沿压气机进口处轴向将压气机划分为第一压气机和第二压气机，所述第一压气机为进口非畸变区压气机，所述第二压气机为进口畸变区压气机；第一压气机和第二压气机的进口都受到低雷诺数的影响。
[0063]
提出雷诺数畸变耦合影响下的压气机性能预测模型的假设；
[0064]
1、各子压气机的进口条件各不相同，考虑子压气机内部的流动交换；
[0065]
2、各子压气机并行工作，出口静压不等；
[0066]
3、各子压气机都按均匀进气条件下的压气机特性线工作；
[0067]
4、当子压气机的流量点达到均匀进气条件下压气机的不稳定边界流量时，认为整台压气机达到失稳点。
[0068]
基于上述假设，继续执行以下步骤；
[0069]
s2、基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得第二压气机的第二进口总温第二进口总压第二压气机流量以及第一压气机和第二压气机之间转静间隙的周向流动量
[0070]
具体的，步骤s2的具体执行方法可以是：
[0071]
s21、基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，获得所述第一压气机出口的第一出口总温和第一出口总压获得所述第二压气机出口的第二出口总温和第二出口总压
[0072]
具体执行方法是：基于所述第一压气机和所述第二压气机在均匀进气下的参数，通过试验或者数值模拟得到子压气机在均匀进气下的特性线，获得所述第一压气机的第一进口总温第一进口总压第一效率和第一压比，以及所述第二压气机的第二进口总温第二进口总压第二效率和第二压比；两子压气机的进口总温相同，既从特性线上读取两个子压气机的效率η与压比π；
[0073]
所述第一出口总温和所述第二出口总温基于以下公式获得：
[0074][0075]
式中，x＝1或2，分别表示所述第一压气机或所述第二压气机，为所述第一进口总温或所述第二进口总温，为第一出口总温或第二出口总温，η为所述第一效率或第二效率，π为第一压比或第二压比；
[0076]
所述第一出口总压和所述第二出口总压基于以下公式获得：
[0077][0078]
式中，为所述第一出口总压或所述第二出口总压，为所述第一进口总压或所述第二进口总压。
[0079]
s22、基于所述第一出口总温所述第一出口总压所述第二出口总温和所述第二出口总压获得所述第一压气机的第一出口速度因数λ
o1
和所述第二压气机的第二出口速度因数λ
o2
；
[0080]
具体执行方法可以基于以下公式获得：
[0081]
[0082][0083]
式中，λ
ox
为第一出口速度因数或第二出口速度因数，q(λ)为气动函数，k为空气绝热指数，为定值。
[0084]
s23、基于所述第一出口速度因数λ
o1
和所述第二出口速度因数λ
o2
，获得所述第一压气机的第一出口静压p
o1
和所述第二压气机的第二出口静压p
o2
的关系；
[0085]
具体执行方法包括：首先通过以下公式获得第一出口静压p
o1
和第二出口静压p
o2
：
[0086][0087]
式中，p
ox
是第一出口静压或第二出口静压，为第一出口总压或第二出口总压；
[0088]
再基于以下公式获得所述第一出口静压p
o1
和所述第二出口静压p
o2
的关系：
[0089][0090]
p
o1
＝(1 k
dp
dpcp
crit
)p
o2
[0091]
式中，dpcp
crit
为临界畸变参数，为所述第一进口总压，为所述第二进口总压，ap
crit
＝0.25，k
dp
＝0.5。
[0092]
s24、基于所述第一出口静压p
o1
和所述第二出口静压p
o2
的关系，获得第一压气机的第一压气机流量和第二压气机的第二压气机流量
[0093]
具体执行方法，包括：
[0094]
假设所述压气机流量的初始值m，通过二分法获得第一压气机流量和第二压气机流量的假设值，根据压气机的特性计算出口所述第一出口静压p
o1
和所述第二出口静压p
o2
，所述第一出口静压p
o1
和所述第二出口静压p
o2
满足所述第一出口静压p
o1
和所述第二出口静压p
o2
的关系时，认为收敛，则第一压气机流量和第二压气机流量的假设值是合适的，获得所述第一压气机流量和第二压气机流量
[0095]
s25、基于所述第一压气机流量和所述第二压气机流量获得第一压气机的非畸变区转静间隙的第一转静间隙静压pl
ow
和第二压气机的畸变区转静间隙的第二转静间隙静压p
high
；
[0096]
考虑压气机内部周向静压分布不均匀带来的质量流量再分配，其中压气机总流量保持不变，有质量为的流体由非畸变区流入畸变区，导致质量、动量、能量的掺混及再分配。
[0097]
具体执行方法，包括：
[0098]
s251、根据均匀进气下的结果，可以获得到压气机进口到转静间隙位置的静压升特性曲线；
[0099][0100]
式中，下标r-s代表转静间隙位置。
[0101]
s252、基于第一压气机流量和所述第二压气机流量及压气机的进口条件，结合所述静压升特性曲线，获得所述第一转静间隙静压p
low
和所述第二转静间隙静压p
high
。具体执行方法可以是：
[0102]
s2521，依据以下公式，获得第一压气机的进口轴向速度v1，和第二压气机的进口轴向速度v2；
[0103][0104][0105]
式中，a为压气机进口的面积，ap为进口处畸变区占进口总面积的比值，ρ1为第一压气机进口条件得到的进口位置气体密度，ρ2为第二压气机进口条件得到的进口位置气体密度；
[0106]
s2522、基于以下公式获得第一进口静压p
i1
和第二进口静压pi2；
[0107][0108][0109]
s2523、将第一进口静压p
i1
和第一压气机流量带入静压升特性曲线获得p
r-s，1
，即为第一转静间隙静压p
low
；
[0110]
将第二进口静压p
i2
和第二压气机流量带入静压升特性曲线获得p
r-s，2
，即为第二转静间隙静压p
high
；
[0111]
s26、基于所述第一转静间隙静压p
low
和所述第二转静间隙静压p
high
，获得转静间隙周向流动速度v
r-s
；
[0112]
具体可以基于以下公式获得：
[0113][0114]
式中，v
r-s
为所述转静间隙周向流动的速度，p
high
为第二转静间隙静压，p
high
为第一转静间隙静压，ρ
aye
为转静间隙密度的平均值。
[0115]
s27、基于所述转静间隙周向流动速度v
r-s
获得周向流动量
[0116]
具体可以基于以下公式获得：
[0117]aeffe
＝cxfc
×aphy
[0118][0119]
式中，a
effe
为转静间隙的周向有效流通面积，cxfc为有效流通系数，a
phy
为间隙实际面积，为所述周向流动量，ρ
ave
为转静间隙密度的平均值，v
r-s
为所述转静间隙周向
流动的速度。
[0120]
s3、基于所述第二压气机的第二进口总温所述第二进口总压所述第二压气机流量和所述周向流动量获得所述第二压气机的畸变区换算流量
[0121]
具体可以基于以下公式获得：
[0122][0123]
式中，为所述畸变区换算流量，为第二压气机流量，为周向流动量，为第二进口总压，为第二进口总温。
[0124]
s4、当畸变区换算流量达到均匀进气时的压气机失速点流量时，判断整台压气机发生失速。
[0125]
本公开的方法基于经典平行压气机模型的思想发展而来，保留了根据进口条件划分子压气机的思想，并且依据雷诺数畸变耦合影响下的流动特点，对子压气机间的流动交换进行了模化；相比于现有技术中的三维数值模拟方法，避免的大量的计算内容，并且预测方法相对简单、结果准确。
[0126]
在本公开的另一个实施例中，还能够根据守恒定律求解整台压气机出口气流参数，结合进口条件得到整台压气机的特性。
[0127]
1、第一压气机与第二压气机占周向面积比例分别为(1-ap)与ap，整台压气机进口实际流量mi、出口实际流量mo为：
[0128][0129]
整台压气机在标准大气压下的总换算流量为：
[0130][0131]
式中，下标cor为换算值。
[0132]
2、整台压气机压比π为：
[0133][0134]
3、整台压气机进口总温和出口总温为：
[0135][0136][0137]
4、整台压气机效率η为：
[0138]
[0139]
以下分析对比现有技术的预测模型和本公开的预测模型相比三维数值模拟方法，综合裕度的准确率。
[0140]
以在典型跨音速压气机上的应用为例进行介绍，该压气机转子的设计参数如下表所示，静子叶片数目为34。
[0141]
参数名称参数值叶片数22进口轮毂比0.375弦长0.1m叶尖间隙1.006mm设计转速16043rpm设计点流量33.25kg/s设计点压比1.63叶尖相对马赫数1.38
[0142]
参阅图4、图5所示，从特性线上可以看出，预测得到的特性曲线与数值模拟的曲线趋势一致，并且在堵点与失速点流量的预测上也比较准确。计算特性线的综合裕度进行验证。
[0143]
综合裕度的定义式为：
[0144][0145]
式子中下标代表b失速点，下标代表e最高效率点，n
cor
代表换算转速。下表列出了100％换算转速下的综合裕度对比，可以发现，预测值与模拟值相差0.1％。
[0146] 失速点压比最高效率综合裕度三维数值模拟1.5890.8568.13％本公开模型预测1.5870.8538.01％
[0147]
通过上述结果可以发现，在压气机受到雷诺数畸变耦合影响时，本公开的预测模型预测得到的特性趋势与数值模拟一致，并且关键参数的预测误差也较小，说明本公开的预测模型可以应用于轴流压气机的雷诺数畸变耦合影响的特性预测。
[0148]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0149]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0150]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。