CN107882636A - 航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置 - Google Patents
航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置，通过采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性；确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。本发明提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置，外推结果精度高、适用性广。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置。
背景技术
针对航空发动机研究/研制难度大、耗资多、周期长所带来的高投入、高风险的特点，业界通常采用发动机数值仿真技术来降低研发成本。在对航空发动机起动性能进行数值仿真时，通常会将部件特性作为一个参数输入到模型当中。目前国内外发动机部件特性一般使用部件特性图表示，这些部件特性包括风扇/压气机特性、涡轮特性和燃烧室特性等。一般而言，在试验测试中获取压气机在非设计点的性能参数，包括换算转速、换算流量、压比及效率，再经过多项式拟合光顺，构成发动机部件特性图。该方法在压气机设计点附近的特性获取较为准确，在偏离设计点较多时由于压气机内流场的气流速度和攻角变化范围都远远偏离设计状态，难以获得准确的低转速部件特性数据。
基于上述需求，需要对传统的压气机部件进行准确的部件扩展。目前常用基于相似理论的低转速部件扩展方法，该方法利用不可压缩条件下的相似理论改变相似准则的指数，通过假设相近转速线上发动机特性相似，来逐步得到较低转速的压气机特性。
基于相似理论的低转速扩展方法的缺点主要集中在两个方面：
①无法得到零转速以其附近的特性：由于该方法的算法限制，相似参数在零转速附近无意义，从而无法得到零转速特性，同时，其扩展特性点的数量受到试验测点的限制，数量较少，无法灵活按需改变扩展特性点的数量；
②假设条件适用范围太窄：相似理论需要建立在不可压流体的前提上，但是在压气机低转速区域，由于内部流场的复杂性，无法确定在需要外推的两个转速的压气机是否相似，从而会带来一定误差，而且误差会逐步累积。
因此，现有基于相似理论的低转速扩展方法存在的无法得到零转速以其附近的特性和假设条件适用范围太窄，是一件亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置，以解决现有基于相似理论的低转速扩展方法存在的无法得到零转速以其附近的特性和假设条件适用范围太窄的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，包括以下步骤：
采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性，无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩；
确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；
获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；
根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；
将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。
进一步地，流量系数定义如下：
其中，φ为流量系数；Vx2为气体垂直于轴线方向速度；U为叶轮机轮缘速度；Wcor2为叶轮机出口流量；A2为叶轮机出口面积。
进一步地，载荷系数定义如下：
其中，Ψs为载荷系数；H1为叶轮机进口空气的焓值，通过查空气焓表确定；k为进口空气的比热比，可通过查空气焓表确定；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；ncor为叶轮机换算转速；Pr为叶轮机进出口气体压比。
进一步地，负载扭矩定义如下：
其中，Tqc为负载扭矩；const表示Tqc与的比例关系，可通过自行定义确定；Tin为叶轮机进口温度；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；Wcor2为叶轮机出口流量；ncor为叶轮机换算转速；ηc为叶轮机效率。
进一步地，确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展的步骤包括：
选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数；
确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。
进一步地，获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系的步骤包括：
在基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取三条更高转速线的相关参数；
根据获取的三条更高转速线的相关参数，插值得到三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；
根据选取的三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线的转速之间平滑过渡时三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
进一步地，根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止的步骤包括：
根据选取的三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；
根据外推的第一更低特性线的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；
根据得到的第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；
根据得到的第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至特性线外推至零转速线为止。
根据本发明的另一方面，还提供一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，包括：
描述模块，用于采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性，无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩；
扩展模块，用于确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；
第一获取模块，用于获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；
外推模块，用于根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；
第二获取模块，用于将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。
进一步地，扩展模块包括：
第一选取单元，用于选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数；
第二选取单元，用于确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。
进一步地，第一获取模块包括：
第一获取单元，用于在基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取三条更高转速线的相关参数；
插值单元，用于根据获取的三条更高转速线的相关参数，插值得到三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；
第二获取单元，根据选取的三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线的转速之间平滑过渡时三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
进一步地，外推模块包括：
第一外推单元，用于根据选取的三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；
第三获取单元，用于根据外推的第一更低特性线的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；
第二外推单元，用于根据得到的第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；
第三外推单元，用于根据得到的第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至特性线外推至零转速线为止。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置，通过采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性；确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图，本发明可实施性强，算法上更灵活性，在低转速能扩展得到较大范围的特性点；能实现零转速以其附近的转速扩展，突破了算法在数学方面的限制，出现无意义结果的概率较小。本发明提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法和装置，外推结果精度高、适用性广。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法优选实施例的流程示意图；
图2是本发明能量外推法扩展前的压气机载荷系数—流量系数的关系示意图；
图3是本发明能量外推法扩展前的压气机负载扭矩—流量系数的关系示意图；
图4是本发明能量外推法扩展后的压气机负载扭矩—流量系数的关系示意图；
图5是本发明能量外推法扩展后的压气机负载扭矩—流量系数的关系示意图；
图6是本发明能量外推法扩展后的压气机流量—对比压力特性的关系示意图；
图7是本发明能量外推法扩展后的压气机流量—负载扭矩特性的关系示意图；
图8是图1中所述确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的所述压气机特性进行扩展的步骤的细化流程示意图；
图9是图1中所述获取扩展后的所述压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系的步骤的细化流程示意图；
图10是图1中所述根据获取的所述载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至所述特性线外推至零转速线为止的步骤的细化流程示意图；
图11是本发明航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置的功能框图；
图12是图11中所述扩展模块的功能模块示意图；
图13是图11中所述第一获取模块的功能模块示意图；
图14是图11中所述外推模块的功能模块示意图。
附图标号说明：
10、描述模块；20、扩展模块；30、第一获取模块；40、外推模块；50、第二获取模块；21、第一选取单元；22、第二选取单元；31、第一获取单元；32、插值单元；33、第二获取单元；41、第一外推单元；42、第三获取单元；43、第二外推单元；44、第三外推单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，包括以下步骤：
步骤S100、采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性，无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩。
对压气机的特性进行改写，在压气机进行起动的时候，压气机在零转速附近存在一种从风车状态过渡到压气机状态的搅拌机状态，此时效率不能准确表示压气机特性，为能准确、合理地加以描述，并且结合仿真需求，采用无量纲参数来描述压气机特性，其中，无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩，描述结果如图2和图3所示，无量纲参数中的各参数定义如下：
流量系数定义如下：
其中，φ为流量系数；Vx2为气体垂直于轴线方向速度；U为叶轮机轮缘速度；Wcor2为叶轮机出口流量；A2为叶轮机出口面积。
载荷系数定义如下：
其中，Ψs为载荷系数；H1为叶轮机进口空气的焓值，通过查空气焓表确定；k为进口空气的比热比，可通过查空气焓表确定；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；ncor为叶轮机换算转速；Pr为叶轮机进出口气体压比。
负载扭矩定义如下：
其中，Tqc为负载扭矩；const表示Tqc与的比例关系，可通过自行定义确定；Tin为叶轮机进口温度；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；Wcor2为叶轮机出口流量；ncor为叶轮机换算转速；ηc为叶轮机效率。
步骤S200、确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展。
确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，选取已知特性线的最低三条转速线作为基准线，得到三条转速线的无量纲系数。由于载荷系数表征了压气机中的能量变化，在扩展的过程中应保证载荷系数不变。在本实施例中，为保证一致性，同时为了保证较低转速也有足够多的特性点进行特性描述，在三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取10个或以上的值，将这些选取的载荷系数值作为外推特性的基准。
步骤S300、获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系。
获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系，在已知特性线的最低三条转速线的基础上，获取三条更高转速线A、B、C的相关参数，相关参数包括流量、对比压力、效率、流量系数、载荷系数和负载扭矩，插值可得三条更高转速线A、B、C上载荷系数相同的特性点，由更高转速线A、B、C上相同的特性点可以得到，载荷系数相同时，从转速a平滑过渡到转速b再过渡到转速c时流量系数与负载扭矩的二次函数关系，其结果如4和图5所示。
步骤S400、根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止。
根据获取的更高转速线A、B、C的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，向更低转速外推一条更低转速特性线D。获取更低转速特性线D的载荷系数、转速以及上两条较高转速线B、C上的相关参数，通过获取的更高转速线A、B、C的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，可以得到更低转速特性线D上的流量系数和负载扭矩，然后得到更低转速特性线D和两条较高转速线B、C上的二次函数关系。以得到的更低转速特性线D作为基准转速线，并根据获取的更低转速特性线D和两条较高转速线B、C上的二次函数关系，向外推一条比更低转速特性线D还低的更低特性线E，直至特性线外推至零转速线。
步骤S500、将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。
将各条特性线的流量系数、载荷系数转换成常用的流量、对比压比值，整理即得到压气机全状态特性图，如图6和图7所示。
本发明提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其总体的设计思想为：
基于发动机在低转速时进入雷诺自模化区域后的流动特性，在该区域中，湍流充分发展，流动能量损失主要取决于流体脉动，发动机的流场情况几乎与雷诺数无关，沿途损失系数只与壁面相对粗糙度有关。反过来，若压气机的能量损失不变，可等效为发动机进入雷诺自模化区域，此时表征压气机能量变化的系数不变，压气机向更低转速状态连续变化时，各参数的变化必然也是连续变化的。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，通过采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性；确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图，可实施性强，算法上更灵活性，在低转速能扩展得到较大范围的特性点；能实现零转速以其附近的转速扩展，突破了算法在数学方面的限制，出现无意义结果的概率较小。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，外推结果精度高、适用性广。
优选地，如图8所示，本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，步骤S200包括：
步骤S210、选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数。
选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数。
步骤S220、确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。
由于载荷系数表征了压气机中的能量变化，在扩展的过程中应保证载荷系数不变。在本实施例中，为保证一致性，同时为了保证较低转速也有足够多的特性点进行特性描述，在三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取10个或以上的值，将这些选取的载荷系数值作为外推特性的基准。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，通过选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数；确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，载荷系数的一致性高，从而提高外推结果的精度。
优选地，如图9所示，本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，步骤S300包括：
步骤S310、在基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取三条更高转速线的相关参数。
根据已知特性线中的最低三条转速线，选取比最低三条转速线的转速高的三条更高转速线A、B、C，并获取三条更高转速线A、B、C的相关参数，其中，相关参数包括流量、对比压力、效率、流量系数、载荷系数和负载扭矩。
步骤S320、根据获取的三条更高转速线的相关参数，插值得到三条更高转速线上载荷系数相同的特性点。
根据获取的三条更高转速线A、B、C的相关参数，插值得到三条更高转速线A、B、C上载荷系数相同的特性点。
步骤S330、根据选取的三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线的转速之间平滑过渡时三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
根据选取的三条更高转速线A、B、C上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线线A、B、C的转速之间平滑过渡时，即从转速a平滑过渡到转速b再过渡到转速c时，三条更高转速线A、B、C的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，通过在基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取三条更高转速线的相关参数；根据获取的三条更高转速线的相关参数，插值得到三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；根据选取的三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线的转速之间平滑过渡时三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，以便在向更低转速外推特性线时，得到外推特性线的流量系数和负载扭矩。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，解决了现有技术中基于相似理论的低转速扩展方法中存在的无法得到零转速及其零转速附近的特性的技术问题，且载荷系数的一致性高，从而提高外推结果的精度。
优选地，如图10所示，本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，步骤S400包括：
步骤S410、根据选取的三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线。
根据选取的三条更高转速线A、B、C，向更低转速外推一条特性线，即第一更低特性线D。
步骤S420、根据外推的第一更低特性线的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线的流量系数和负载扭矩。
根据外推的第一更低特性线D的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线B、C的相关参数，以及从步骤S330中获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线D的流量系数和负载扭矩。
步骤S430、根据得到的第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到第二更低特性线的流量系数和负载扭矩。
根据得到的第一更低特性线D，向更低转速外推一条第二更低特性线E，根据步骤S330和步骤S410中提供的类似方法步骤，得到第二更低特性线E的流量系数和负载扭矩。
步骤S440、根据得到的第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至特性线外推至零转速线为止。
根据得到的第二更低特性线E，依次向更低转速外推一条特性线，即第三更低特性线F，直至外推的特性线外推至零转速线为止。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，通过根据选取的三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；根据外推的第一更低特性线的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；根据得到的第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；根据得到的第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至特性线外推至零转速线为止，从而使用能量外推法逐步推出零转速线。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，解决了现有技术中基于相似理论的低转速扩展方法中存在的无法得到零转速及其零转速附近的特性的技术问题，且载荷系数的一致性高，从而提高外推结果的精度。
优选地，如图11所示，本实施例还提供一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，包括描述模块10、扩展模块20、第一获取模块30、外推模块40和第二获取模块50，其中，描述模块10，用于采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性，无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩；扩展模块20，用于确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；第一获取模块30，用于获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；外推模块40，用于根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；第二获取模块50，用于将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。
对压气机的特性进行改写，在压气机进行起动的时候，压气机在零转速附近存在一种从风车状态过渡到压气机状态的搅拌机状态，此时效率不能准确表示压气机特性，为能准确、合理地加以描述，并且结合仿真需求，采用无量纲参数来描述压气机特性，其中，无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩，描述结果如图2和图3所示，无量纲参数中的各参数定义如下：
流量系数定义如下：
其中，φ为流量系数；Vx2为气体垂直于轴线方向速度；U为叶轮机轮缘速度；Wcor2为叶轮机出口流量；A2为叶轮机出口面积。
载荷系数定义如下：
其中，Ψs为载荷系数；H1为叶轮机进口空气的焓值，通过查空气焓表确定；k为进口空气的比热比，可通过查空气焓表确定；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；ncor为叶轮机换算转速；Pr为叶轮机进出口气体压比。
负载扭矩定义如下：
其中，Tqc为负载扭矩；const表示Tqc与的比例关系，可通过自行定义确定；Tin为叶轮机进口温度；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；Wcor2为叶轮机出口流量；ncor为叶轮机换算转速；ηc为叶轮机效率。
确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，选取已知特性线的最低三条转速线作为基准线，得到三条转速线的无量纲系数。由于载荷系数表征了压气机中的能量变化，在扩展的过程中应保证载荷系数不变。在本实施例中，为保证一致性，同时为了保证较低转速也有足够多的特性点进行特性描述，在三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取10个或以上的值，将这些选取的载荷系数值作为外推特性的基准。
获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系，在已知特性线的最低三条转速线的基础上，获取三条更高转速线A、B、C的相关参数，相关参数包括流量、对比压力、效率、流量系数、载荷系数和负载扭矩，插值可得三条更高转速线A、B、C上载荷系数相同的特性点，由更高转速线A、B、C上相同的特性点可以得到，载荷系数相同时，从转速a平滑过渡到转速b再过渡到转速c时流量系数与负载扭矩的二次函数关系，其结果如4和图5所示。
根据获取的更高转速线A、B、C的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，向更低转速外推一条更低转速特性线D。获取更低转速特性线D的载荷系数、转速以及上两条较高转速线B、C上的相关参数，通过获取的更高转速线A、B、C的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，可以得到更低转速特性线D上的流量系数和负载扭矩，然后得到更低转速特性线D和两条较高转速线B、C上的二次函数关系。以得到的更低转速特性线D作为基准转速线，并根据获取的更低转速特性线D和两条较高转速线B、C上的二次函数关系，向外推一条比更低转速特性线D还低的更低特性线E，直至特性线外推至零转速线。
将各条特性线的流量系数、载荷系数转换成常用的流量、对比压比值，整理即得到压气机全状态特性图，如图6和图7所示。
本发明提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，其总体的设计思想为：
基于发动机在低转速时进入雷诺自模化区域后的流动特性，在该区域中，湍流充分发展，流动能量损失主要取决于流体脉动，发动机的流场情况几乎与雷诺数无关，沿途损失系数只与壁面相对粗糙度有关。反过来，若压气机的能量损失不变，可等效为发动机进入雷诺自模化区域，此时表征压气机能量变化的系数不变，压气机向更低转速状态连续变化时，各参数的变化必然也是连续变化的。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，通过采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性；确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的压气机特性进行扩展；获取扩展后的压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；根据获取的载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至特性线外推至零转速线为止；将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图，可实施性强，算法上更灵活性，在低转速能扩展得到较大范围的特性点；能实现零转速以其附近的转速扩展，突破了算法在数学方面的限制，出现无意义结果的概率较小。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，外推结果精度高、适用性广。
优选地，如图12所示，本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，扩展模块20包括第一选取单元21和第二选取单元22，其中，第一选取单元21，用于选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数；第二选取单元22，用于确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。
第一选取单元21选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数。
由于载荷系数表征了压气机中的能量变化，第二选取单元22在扩展的过程中应保证载荷系数不变。在本实施例中，为保证一致性，同时为了保证较低转速也有足够多的特性点进行特性描述，在三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取10个或以上的值，将这些选取的载荷系数值作为外推特性的基准。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，通过选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的最低三条转速线作为基准转速线，并获取最低三条转速线的无量纲系数；确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，载荷系数的一致性高，从而提高外推结果的精度。
优选地，如图13所示，本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，第一获取模块30包括第一获取单元31、插值单元32和第二获取单元33，其中，第一获取单元31，用于在基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取三条更高转速线的相关参数；插值单元32，用于根据获取的三条更高转速线的相关参数，插值得到三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；第二获取单元33，根据选取的三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线的转速之间平滑过渡时三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
第一获取单元31根据已知特性线中的最低三条转速线，选取比最低三条转速线的转速高的三条更高转速线A、B、C，并获取三条更高转速线A、B、C的相关参数，其中，相关参数包括流量、对比压力、效率、流量系数、载荷系数和负载扭矩。
插值单元32根据获取的三条更高转速线A、B、C的相关参数，插值得到三条更高转速线A、B、C上载荷系数相同的特性点。
第二获取单元33根据选取的三条更高转速线A、B、C上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线线A、B、C的转速之间平滑过渡时，即从转速a平滑过渡到转速b再过渡到转速c时，三条更高转速线A、B、C的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，通过在基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取三条更高转速线的相关参数；根据获取的三条更高转速线的相关参数，插值得到三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；根据选取的三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在载荷系数相同时，从三条更高转速线的转速之间平滑过渡时三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，以便在向更低转速外推特性线时，得到外推特性线的流量系数和负载扭矩。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，解决了现有技术中基于相似理论的低转速扩展方法中存在的无法得到零转速及其零转速附近的特性的技术问题，且载荷系数的一致性高，从而提高外推结果的精度。
优选地，如图14所示，本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，外推模块40包括第一外推单元41、第三获取单元42、第二插值单元43和第二插值单元44，其中，第一外推单元41，用于根据选取的三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；第三获取单元42，用于根据外推的第一更低特性线的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；第二外推单元43，用于根据得到的第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；第三外推单元44，用于根据得到的第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至特性线外推至零转速线为止。
第一外推单元41根据选取的三条更高转速线A、B、C，向更低转速外推一条特性线，即第一更低特性线D。
第三获取单元42根据外推的第一更低特性线D的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线B、C的相关参数，以及从步骤S330中获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线D的流量系数和负载扭矩。
第二外推单元43根据得到的第一更低特性线D，向更低转速外推一条第二更低特性线E，根据步骤S330和步骤S410中提供的类似方法步骤，得到第二更低特性线E的流量系数和负载扭矩。
第三外推单元44根据得到的第二更低特性线E，依次向更低转速外推一条特性线，即第三更低特性线F，直至外推的特性线外推至零转速线为止。
本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，通过根据选取的三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；根据外推的第一更低特性线的载荷系数、转速及三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；根据得到的第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；根据得到的第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至特性线外推至零转速线为止，从而使用能量外推法逐步推出零转速线。本实施例提供的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法装置，解决了现有技术中基于相似理论的低转速扩展方法中存在的无法得到零转速及其零转速附近的特性的技术问题，且载荷系数的一致性高，从而提高外推结果的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性，所述无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩；
确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的所述压气机特性进行扩展；
获取扩展后的所述压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；
根据获取的所述载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至所述特性线外推至零转速线为止；
将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。
2.根据权利要求1所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其特征在于，
所述流量系数定义如下：
<mrow>
<mi>&phi;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mi>U</mi>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>U</mi>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>W</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mi>U</mi>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，φ为流量系数；Vx2为气体垂直于轴线方向速度；U为叶轮机轮缘速度；Wcor2为叶轮机出口流量；A2为叶轮机出口面积；
所述载荷系数定义如下：
<mrow>
<msub>
<mi>&Psi;</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;H</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>H</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>*</mo>
<msup>
<msub>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mfrac>
<mrow>
<mi>k</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>k</mi>
</mfrac>
</msup>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，Ψs为载荷系数；H1为叶轮机进口空气的焓值，通过查空气焓表确定；k为进口空气的比热比，可通过查空气焓表确定；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；ncor为叶轮机换算转速；Pr为叶轮机进出口气体压比。
3.根据权利要求1所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其特征在于，
所述负载扭矩定义如下：
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>q</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>n</mi>
<mi>s</mi>
<mi>t</mi>
<mo>*</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msqrt>
<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>*</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;H</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>W</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，Tqc为负载扭矩；const表示Tqc与的比例关系，可通过自行定义确定；Tin为叶轮机进口温度；ΔHi为气体在叶轮机内的焓变；Wcor2为叶轮机出口流量；ncor为叶轮机换算转速；ηc为叶轮机效率。
4.根据权利要求1所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其特征在于，
所述确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的所述压气机特性进行扩展的步骤包括：
选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的所述最低三条转速线作为基准转速线，并获取所述最低三条转速线的无量纲系数；
确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在所述最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。
5.根据权利要求4所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其特征在于，
所述获取扩展后的所述压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系的步骤包括：
在所述基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取所述三条更高转速线的相关参数；
根据获取的所述三条更高转速线的相关参数，插值得到所述三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；
根据插值得到的所述三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在所述载荷系数相同时，从所述三条更高转速线的转速之间平滑过渡时所述三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
6.根据权利要求5所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展方法，其特征在于，
所述根据获取的所述载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至所述特性线外推至零转速线为止的步骤包括：
根据选取的所述三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；
根据外推的所述第一更低特性线的载荷系数、转速及所述三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的所述三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到所述第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；
根据得到的所述第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到所述第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；
根据所述第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至所述特性线外推至零转速线为止。
7.一种航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，其特征在于，包括：
描述模块(10)，用于采用定义的无量纲参数描述压气机在起动时靠近零转速附近时的压气机特性，所述无量纲参数包括流量系数、载荷系数和负载扭矩；
扩展模块(20)，用于确定扩展基准线及扩展过程的载荷系数，对描述的所述压气机特性进行扩展；
第一获取模块(30)，用于获取扩展后的所述压气机特性的载荷系数与负载扭矩变化关系；
外推模块(40)，用于根据获取的所述载荷系数与负载扭矩变化关系，逐次向更低转速外推特性线，直至所述特性线外推至零转速线为止；
第二获取模块(50)，用于将各条特性线的流量系数和载荷系数转换成流量、对比压力值，得到压气机全状态特性图。
8.根据权利要求7所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，其特征在于，
所述扩展模块(20)包括：
第一选取单元(21)，用于选取已知特性线中的最低三条转速线，将选取的所述最低三条转速线作为基准转速线，并获取所述最低三条转速线的无量纲系数；
第二选取单元(22)，用于确定扩展过程的载荷系数，在扩展过程中保持载荷系数不变，并在所述最低三条转速线所覆盖的载荷系数范围内均匀选取多个载荷系数值作为外推特性的基准。
9.根据权利要求8所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，其特征在于，
所述第一获取模块(30)包括：
第一获取单元(31)，用于在所述基准转速线的基础上，选取三条更高转速线，并获取所述三条更高转速线的相关参数；
插值单元(32)，用于根据获取的所述三条更高转速线的相关参数，插值得到所述三条更高转速线上载荷系数相同的特性点；
第二获取单元(33)，用于根据插值得到的所述三条更高转速线上的载荷系数相同的特性点，获取在所述载荷系数相同时，从所述三条更高转速线的转速之间平滑过渡时所述三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系。
10.根据权利要求9所述的航空发动机压气机低转速部件特性扩展装置，其特征在于，
所述外推模块(40)包括：
第一外推单元(41)，用于根据选取的所述三条更高转速线，向更低转速外推一条第一更低特性线；
第三获取单元(42)，用于根据外推的所述第一更低特性线的载荷系数、转速及所述三条更高转速线中的二条较高转速线的相关参数，以及获取的所述三条更高转速线的流量系数与负载扭矩的二次函数关系，得到所述第一更低特性线的流量系数和负载扭矩；
第二外推单元(43)，用于根据得到的所述第一更低特性线，向更低转速外推一条第二更低特性线，并得到所述第二更低特性线的流量系数和负载扭矩；
第三外推单元(44)，用于根据所述第二更低特性线，依次向更低转速外推一条第三更低特性线，直至所述特性线外推至零转速线为止。
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