CN107148599A - 用于预测涡轮机性能的方法 - Google Patents
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Abstract
用于预测压气机(14)性能的计算机实现的方法，压气机(14)包括至少一个叶片级(48)和至少一个导叶级(46)，该方法包括以下步骤：对CFD气体路径(120)建模，将叶片和导叶建模为非绝热固体，构建转子的模型，转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域(220a)和附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域(220b)，构建定子(150)的模型，定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域(240a)和面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域(240b)，对一个或多个固体转子界面(230)建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对间提供热交换链路，以及对一个或多个固体定子界面(250)建模，每个固体转子界面在相邻定子固体域的相应对之间提供热交换链路。
Description
技术领域
本发明涉及用于通过共轭传热计算来预测压气机性能的计算机实现的方法。本发明还涉及制造压气机的方法，该方法包括用于预测压气机性能的初始计算机实现步骤。
背景技术
在使用CFD(“计算流体动力学”)对典型压气机进行性能评估期间，将例如叶片、导叶、壳体和轮毂的固体表面边界建模为绝热是已知的，计算域仅包括流体。然而，在实际中，存在通过上述固体表面发生的一些热传递。如果建模，在其他数值误差保持相同的情况下，与通过CFD计算(其中固体边界被建模为绝热)预测的流体温度相比，这样的热传递会导致不同的、通常更小的平均流体温度。因此固体表面更精确并且非绝热的建模可以导致更高的预测效率和现实级匹配。
一种可能的先进的方法被称为共轭传热(CHT)方法，通过该方法，计算域被扩展至固体区域。分别针对两个涡轮，这种方法的两个实现在Von Karman流体力学研究所T.Verstraete、Z.Alsalihi和R.A.Van den Braembussche的“A Conjugate Heat TransferMethod Applied To Turbomachinery”中被公开。在这个文档中描述的方法基于两个代码的耦合：用于流体域中流动的非绝热Navier-Stokes(NS)求解程序和在涡轮的固体部分中用于热传导的有限元分析(FEA)。由边界条件的迭代调整获得NS和FEA模型的共同边界处的温度和热通量的连续性。共同边界处的不重合网格需要插值来从一个模型网格向另一个模型网格传递边界条件，并且需要迭代过程，以在NS和FEA计算域的共同边界处获得相同的温度和热通量分布。
上文描述的方法允许针对所提出的示例达到精确的结果，但是特别是当上述方法应用到压气机时，可以被显著的改进。该方法实际上不考虑：
–壳体以及因此壳体和周围环境之间的热传递；
–壳体顶部上的固定的流体域，以考虑壳体和周围环境之间的热传递；
–具有不同物理性质的相邻元件(例如，壳体、转子和壳体顶部上的固定的流体域的相邻元件)的模型之间的界面，以考虑分别归因于压气机的不同转动级或者固定级的叶片或导叶数量的差而导致的其周向范围中的差。
发明内容
本发明的目的是提供用于预测压气机性能的计算机实现的方法，该方法改进相同类型的现有方法，从而提供压气机的部件的更真实的建模，因此实现更真实的性能预测。
本发明的另外的目的可以是提供用于压气机的制造方法，该方法包括基于上文引用的计算机实现的方法的结果来制造压气机的转动和/或固定部件的步骤。
为了实现上文限定的目的，提供了根据独立权利要求的计算机实现的方法和制造方法。从属权利要求描述了本发明的有利开发和修改。
根据本发明的第一方面，提供了用于预测压气机性能的计算机实现的方法，该压气机包括至少一个叶片级和至少一个导叶级。该方法包括下列步骤：
–对CFD气体路径建模，CFD气体路径包括：
–压气机入口通道，
–至少导叶流动部分，邻近于导叶流动部分的至少叶片流动部分，以及导叶流动部分和叶片流动部分间的混合平面，以及
–压气机出口通道，
–将导叶和叶片建模为非绝热固体，
–构建转子的模型，转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域以及附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域，第一转子固体域和第二转子固体域彼此相邻并且被建模为非绝热，
–构建定子的模型，定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域以及面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域，第一壳体固体域和第二壳体固体域彼此相邻并且被建模为非绝热，
–对多个流体到固体的界面进行建模，每个流体到固体的转子界面在相应的叶片流动部分或导叶流动部分与径向相邻的转子固体域或壳体固体域之间提供热交换链路，
–对一个或多个固体转子界面建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对之间提供热交换链路，以及
–对一个或多个固体定子界面建模，每个固体定子界面在相邻的定子固体域的相应对之间提供热交换链路。
本领域已知的是，用于描述压气机性能的模型仅考虑压气机围绕其旋转轴线的周向部分。然后将模型的周向范围视为旋转周期性的。
有利地，在本发明中，壳体固体域之间的固体转子和定子界面考虑归因于叶片和导叶数量的差导致的其周向范围的差。
根据本发明的可能的实施例，方法进一步包括构建壳体周围气体的固定流体模型的步骤，固定流体模型具有与壳体固体域接触的第一内边界，以及与第一边界相对的第二外边界，其中大气压力和温度条件被施加在第一边界上。
有利地，在壳体的顶部上使用固定的流体域考虑系统和周围之间接近自然的热传递。
根据本发明的一个可能的实施例，壳体周围气体的固定流体模型包括多个流体域，每一个流体域与相应的壳体固体域接触，一个或多个流体界面被建模，每个流体界面在相邻流体域的相应对之间提供热交换链路。
类似于固体转子和定子界面，壳体顶部上固定的流体域之间的流体界面考虑归因于叶片和导叶数量的差而导致的其周向范围的差。
根据本发明的另一可能的实施例，方法进一步包括步骤：
–对压气机入口下游、压气机转子上游并且邻近于压气机转子的第一固定固体域建模，
–提供上游固体转子界面，以用于提供转子和第一固定固体域之间的热交换链路，
–将多个入口导向叶片建模为从第一固定固体域向第一壳体固体域径向延伸的非绝热固体，第一固定固体域和第一壳体固体域具有施加大气温度条件的相应上游边界。
与转子相邻的第一固定固体域，以及通过表示入口导向叶片的非绝热固体连接到第一固定固体域的第一壳体固体域提供从入口条件到模型部分(包括转子)的方便的转换。
根据本发明的另一可能的实施例，该方法进一步包括步骤：
–对压气机转子下游、并且邻近于压气机转子的第二固定固体域建模，
–提供下游固体转子界面，以用于提供转子和第二固定固体域之间的热交换链路，
–将多个出口导叶建模为从第二固定固体到最终下游壳体固体域径向延伸的非绝热固体，
–对压气机出口通道的最终部分建模，压气机出口通道的最终部分从出口导叶向被施加边界压力(特别是大气压力)的下游边界延伸一段长度。
有利地，选择CFD气体路径的最终部分的长度L1，使得在CFD气体路径的最终下游边界处，已知的压力值(特别是大气压力(例如，当压气机未连接到下游涡轮时))被指定为压力边界条件。
根据本发明的另一可能实施例，该方法进一步包括步骤：对下游固体转子界面的下游边界和最终下游壳体固体域的下游边界施加CFD气体路径的最终部分的最终边界的相同温度。有利地，这允许在模型的所有最终下游边界中施加相同的温度边界条件。
根据本发明的另一方面，提供用于制造压气机的方法，该压气机包括压气机入口、具有多个叶片级的转子和具有多个导叶级的定子，制造方法包括用于制造转子、定子、叶片和导叶的多个步骤，压气机入口、转子、定子、叶片和导叶的尺寸和形状根据一个或多个前述权利要求所述的计算机实现的方法限定。
附图说明
从下文将要描述的实施例的示例，上述方面和本发明的进一步方面是明显的，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但本发明不限于这些实施例的示例。
图1是包括压气机的燃气涡轮发动机的纵向截面图，可以利用本发明的方法来预测压气机的性能。
图2示出了图1中的压气机的模型。
具体实施方式
图1以截面图示出了燃气涡轮发动机10的一个示例。燃气涡轮发动机10按照流动顺序包括：通常按照流动顺序布置、并且关于纵向或旋转轴线20布置、并且以纵向或旋转轴线20的方向布置的空气入口12、压气机部分14、燃烧室部分16和涡轮部分18。燃气涡轮发动机10进一步包括轴22，轴22关于旋转轴线20可旋转并且通过燃气涡轮发动机10纵向延伸。轴22将涡轮部分18驱动地连接到压气机部分14。
在燃气涡轮发动机10的操作中，通过空气入口12进入的空气24被压气机部分14压缩，并且被递送到燃烧部分或燃烧器部分16。燃烧器部分16包括燃烧器增压室26、一个或多个燃烧室28以及固定到每个燃烧室28的至少一个燃烧器30。燃烧室28和燃烧器30位于燃烧器增压室26内部。被压缩的空气通过压气机14进入扩压器32、并且从扩压器32排放到燃烧器增压室26中，一部分空气从燃烧器增压室26进入燃烧器30、并且与气态或液态的燃料混合。空气/燃料混合物然后被燃烧，并且燃烧气体34或来自燃烧的工作气体经由过渡管道17引导通过燃烧室28到达涡轮部分18。
涡轮部分18包括附接到轴22的若干叶片承载盘36。在本示例中，两个盘36各自承载涡轮叶片38的环形阵列。然而，叶片承载盘的数量可以不同(即，仅一个盘或多于两个盘)。此外，固定到燃气涡轮发动机10的定子42的导向叶片40被设置在涡轮叶片38的环形阵列的级之间。在燃烧室28的出口和引导涡轮叶片38之间提供入口导向叶片44，并且入口导向叶片44将工作气体的流动转向到涡轮叶片38上。
来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮部分18并且驱动涡轮叶片38，涡轮叶片38进而转动轴22。导向叶片40、44用于优化燃烧的角度或者涡轮叶片38上的工作气体的角度。
涡轮部分18驱动压气机部分14。压气机部分14包括轴向串联的导叶级46和转子叶片级48。转子叶片级48包括支撑叶片的环形阵列的转子盘。压气机部分14还包括包围转子级并且支撑导叶级48的壳体50。导向叶片级包括安装到壳体50的、径向延伸导叶的环形阵列。导叶被提供，以在给定的发动机操作点针对叶片以最佳的角度呈现气流。一些导向叶片级具有可变的导叶，其中可以根据可以发生在不同发动机操作条件下的气流特征来针对角度调整导叶关于其自身纵向轴线的角度。
壳体50限定压气机14的入口通道56的径向外表面52。入口通道56的径向内表面54至少部分地被转子的转子筒(rotor drum)53限定，转子筒部分地被叶片48的环形阵列限定。
参照上文示例性涡轮发动机描述了本发明，该涡轮发动机具有连接单个、多级压气机以及单个、一个或多个级涡轮的单个轴或线轴(spool)。然而，应当理解，本发明同样适用于两个或三个轴的发动机并且其可以被用于工业、航天或海洋应用。
除非另有说明，否则术语“上游”和“下游”是指通过发动机的气流和/或工作气流的流动方向。术语“上游”和“下游”是指通过发动机的气体的整体流动。术语“轴向”、“径向”和“周向”是参考发动机的旋转轴线20进行的。
图2示出了根据本发明的方法的压气机部分14的模型114的示例。一般地，根据本发明，可以对任何压气机(特别是没有与涡轮耦合的压气机)建模。
根据本发明的压气机模型只考虑压气机围绕其旋转轴线的周向部分。模型的周向范围被认为是旋转周期性的。
由本发明的方法的步骤创建的多级模型114包括CFD气体路径120，CFD气体路径120包括：
–压气机入口通道156，包括施加大气压力和温度条件的上游边界124，
–压气机出口通道157，
–多个叶片流动部分148，每个叶片流动部分148各自用于压气机14的每个级，叶片流动部分148包括邻近于压气机入口通道156的第一叶片流动部分148a和邻近于压气机出口通道157的最后叶片流动部分148b，
–至少导叶流动部分146，每个导叶流动部分146被包括在两个连续的导叶流动部分148、148a、148b之间，
–在每对相邻的导叶流动部分146和叶片流动部分148、148a、148b之间的多个混合平面210。
根据共轭传热(CHT)方法，将沿气体路径120的所有导叶和叶片建模为非绝热固体。
计算流体动力学气体路径120是压气机部件的被建模的气体或空气冲洗表面。
转子的模型包括串联的多个转子固体域，多个转子固体域包括面对多个导叶非绝热固体的第一部分转子固体域220a和附接到多个叶片非绝热固体的第二部分转子固体域220b。将转子固体域220a、220b建模为非绝热。在相邻的固体域的对之间提供界面。
本发明的界面处理是所谓的“冻结转子”(FR)方法，其中在不同物理性质的两个域之间的信息交换期间，任一侧上的域的相对位置被冻结。如果参照系变化(如在旋转域和固定域之间交换的情况下)，则合适的通量被转化。如果仅周向范围变化(如在壳体顶部上两个固定流体域之间的交换的情况下)，则流量以节圆直径比(pitch ratio)被缩放。
在每对相邻的转子固体域220a、220b之间提供固体转子界面(FR)230。每个固体转子界面230在相邻的转子固体域220a、220b的相应对之间提供热交换链路。
定子150的模型包括多个壳体固体域240a、240b，多个壳体固体域240a、240b包括附接到多个导叶非绝热固体的第一部分壳体固体域240a和面对多个叶片非绝热固体的壳体固体域的部分240b。定子固体域240a、240b被建模为非绝热。
在每对相邻的定子固体域240a、240b之间提供固体定子界面250。每个固体定子界面(FR)250在相邻的定子固体域240a、240b的相应对之间提供热交换链路。多个流体到固体的界面270被建模，以用于在相应叶片流动部分或导叶流动部分与相应的径向相邻转子固体域220a、220b和壳体固体域240a、240b之间提供热交换链路。
多级模型114进一步包括围绕壳体的空气的固定流体模型，固定流体模型具有第一内边界以及与第一边界相对的第二外边界300，第一内边界与每个壳体固体域240a、240b接触，大气压力和温度条件被施加到第二外边界300。
围绕壳体的空气的固定流体模型包括多个流体域280，每个流体域280与相应的壳体固体域240a、240b接触。多个流体界面(FR)290被建模，以用于在相邻流体域280的相应对之间提供热交换链路。
在转子上游和压气机入口通道156下游，模型114包括：
–通过上游固体转子界面230，连接到第一上游转子固体域220b的第一上游固定固体域221，
–多个入口导向叶片，多个入口导向叶片被建模为非绝热固体，并且从上游固定固体域211径向延伸到第一上游壳体固体域240a。
第一固定固体域221和第一壳体固体域240a具有施加大气温度条件的相应上游边界310、311。
在转子下游和压气机入口通道156下游，模型114包括：
–在压气机转子下游、并且邻近于压气机转子的第二固定固体域220。下游固体转子界面230用于在转子和第二固定固体域220之间提供热交换链路，
–多个出口导叶，多个出口导叶被建模为非绝热固体，并且从第二固定固体220径向延伸到最终下游壳体固体域240a，
–压气机出口通道157的最终部分160，最终部分160从出口导叶向施加边界压力的下游边界330延伸一段长度L1。选择L1，使得在下游边界330上施加已知的压力(特别是大气压力)。
第二固定固体域220和最终下游壳体固体域240a具有施加最终下游边界330的相同温度的相应下游边界340、341。
根据本发明的计算机实现的方法，然后使用两个代码对模型114求解：用于流体域中的流动的非绝热Navier-Stokes(NS)求解程序和用于固体域中的热传导的有限元分析(FEA)。通过流体和固体之间的边界条件的迭代调整，获得在共同边界处的温度和热通量的连续性。如上文所述，外边界条件是：
–在上游边界124处和固定流体域280的第二外边界300处的大气压力和温度，
–在上游边界310、311处的大气温度条件，
–在最终下游边界330处的已知的(大气)压力条件。
在每次迭代中，最终下游边界330的相同温度被施加到第二固定固体域220和壳体的下游边界340、341。
通常利用被包括在500和600之间的迭代次数来获得收敛。
本发明的模型的精确度确保可获得计算结果和实验检验之间的良好一致。因此上文所描述的计算机实现的方法可以方便地用于压气机的设计和制造的更一般的过程。
Claims (10)
1.一种用于预测压气机(14)的性能的计算机实现的方法，所述压气机(14)包括至少一个叶片级(48)和至少一个导叶级(46)，所述方法包括步骤：
-对CFD气体路径(120)建模，所述CFD气体路径(120)包括：
-压气机入口通道(156)，
-至少一个导叶流动部分(146)、邻近于所述导叶流动部分的至少一个叶片流动部分(148)、以及在所述导叶流动部分和所述叶片流动部分之间的至少一个混合平面，以及
-压气机出口通道(157)，
-将所述导叶和所述叶片建模为非绝热固体，
-构建转子的模型，所述转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域(220a)和附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域(220b)，所述第一转子固体域和所述第二转子固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，
-构建定子(150)的模型，所述定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域(240a)和面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域(240b)，所述第一壳体固体域和所述第二壳体固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，
-对多个流体到固体的界面(270)建模，每个流体到固体的转子界面在相应的叶片流动部分或导叶流动部分与径向相邻的转子固体域或壳体固体域之间提供热交换链路，
-对一个或多个固体转子界面(230)建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对之间提供热交换链路，以及
-对一个或多个固体定子界面(250)建模，每个固体转子界面在相邻的定子固体域的相应对之间提供热交换链路。
2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：构建所述壳体周围的空气的固定流体模型，所述固定流体模型具有与所述壳体固体域接触的第一内边界和与所述第一边界相对的第二外边界(300)，大气压力和温度条件被施加到所述第二外边界。
3.根据权利要求2所述的计算机实现的方法，其中所述壳体周围的所述空气的所述固定流体模型包括多个流体域(280)，每个流体域(280)与相应的壳体固体域接触，对一个或多个流体界面(290)建模，每个流体界面在相邻的流体域(280)的相应对之间提供热交换链路。
4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：
-对所述压气机入口通道(156)下游、所述压气机转子上游、并且邻近于所述压气机转子的第一固定固体域(221)建模，
-提供上游固体转子界面(230)，以用于在所述转子和所述第一固定固体域(221)之间提供热交换链路，
-将多个入口导向叶片建模为从所述第一固定固体域径向延伸到第一壳体固体域(240a)的非绝热固体，
所述第一固定固体域和所述第一壳体固体域具有施加大气温度条件的相应上游边界(310、311)。
5.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：
-对在所述压气机转子下游、并且邻近于所述压气机转子的第二固定固体域(220)建模，
-提供下游固体转子界面(230)，以用于在所述转子和所述第二固定固体域(220)之间提供热交换链路，
-将多个出口导叶建模为从所述第二固定固体径向延伸到最终下游壳体固体域的非绝热固体，
-对所述压气机出口通道(157)的最终部分(160)建模，所述最终部分(160)从所述出口导叶向施加边界压力的下游边界延伸距离(L1)。
6.根据权利要求5所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：对所述下游固体转子界面的下游边界(340)和所述最终下游壳体固体域(341)的下游边界施加所述CFD气体路径的所述最终部分的所述最终边界的相同温度。
7.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所有固体域的周向范围是旋转周期性的。
8.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述CFD气体路径(120)的所述压气机入口通道(156)包括施加大气压力和温度条件的上游边界。
9.一种用于制造压气机(14)的方法，所述压气机(14)包括压气机入口通道(56)、具有多个叶片级(48)的转子和具有多个导叶级(46)的定子(50)，所述制造方法包括制造所述转子、所述定子、所述叶片和所述导叶的多个步骤，所述压气机入口、所述转子、所述定子、所述叶片和所述导叶的尺寸和形状根据一个或多个前述权利要求所述的计算机实现的方法限定。
10.一种用于预测压气机(14)的性能的计算机实现的方法，所述压气机(14)包括至少叶片级(48)和至少导叶级(46)，所述方法包括步骤：
-对计算流体动力学气体路径(120)建模，所述气体路径(120)包括：
-压气机入口通道(156)，所述压气机入口通道(156)包括施加大气压力和温度条件的上游边界(124)，
-至少导叶流动部分(146)、邻近于所述导叶流动部分的至少叶片流动部分(148)、以及所述导叶流动部分和所述叶片流动部分之间的至少混合平面，以及
-压气机出口通道(157)，
-将所述导叶和所述叶片建模为非绝热固体，
-构建转子的模型，所述转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域(220a)和附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域(220b)，所述第一转子固体域和所述第二转子固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，
-构建定子(150)的模型，所述定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域(240a)和面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域(240b)，所述第一壳体固体域和所述第二壳体固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，
-对多个流体到固体的界面(270)建模，每个流体到固体的转子界面在相应的叶片流动部分或导叶流动部分与径向相邻的转子固体域或壳体固体域之间提供热交换链路，
-对一个或多个固体转子界面(230)建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对之间提供热交换链路，以及
-对一个或多个固体定子界面(250)建模，每个固体转子界面在相邻的定子固体域的相应对之间提供热交换链路。
所述多级模型(114)包括所述壳体周围的所述气体的固定流体模型、以及用于在相邻的流体域(280)的对之间提供热交换链路的流体界面(290)的建模，大气压力和温度条件被施加到所述固定流体模型。
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