CN107924425B

CN107924425B - 用于预测压气机中的喘振的方法

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Publication number: CN107924425B
Application number: CN201680048441.6A
Authority: CN
Inventors: S·克里施纳巴布
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: JP6598983B2; EP3335136B1; US11187235B2; CN107924425A; EP3335136A1; RU2678155C1; US20180216623A1; JP2018532178A; WO2017029131A1; EP3131025A1

Abstract

一种用于预测压气机(14)的喘振点的计算机实现的方法(100)，包括以下步骤：‑生成(110)多个网格，即，压气机入口网格(220)、至少一个压气机转子级网格(225)和压气机出口网格(235)，压气机出口网格(235)表示多个出口导叶(236)和一个出口喷嘴(37)并且延伸到最终喷嘴出口区域(240)；‑组装(120)所述多个网格(220、225、235)以获得CFD域(250)；‑指定(130)计算域(250)的边界条件(130)；‑指定(140)最终喷嘴出口区域(40)处的大气压力条件(140)；‑计算(150)压气机入口质量流率和压气机压力比；‑如果没有达到数值稳定极限，则：‑减小(180)最终喷嘴出口区域(240)的尺寸(A1)；‑再次生成(190)压气机出口网格(235)；‑重复所述指定最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力(140)的步骤、所述计算(150)步骤和所述检查(160)步骤。

Description

用于预测压气机中的喘振的方法

技术领域

本发明涉及用于通过CFD(“计算流体动力学”)计算来预测压气机性能中的喘振的计算机实现的方法。

背景技术

在压气机设计和研发过程中，通过成本有效的稳态CFD计算来预测喘振裕度的能力是最重要的。然而，在现有技术中，有把握地预测喘振裕度可能是相当困难的。这尤其是归因于当前CFD模型的缺点，即，归因于在CFD计算中被网格化和求解的域。通常，已知将CFD计算方法应用于以下模型，该模型包括：

-入口几何结构，包括入口导叶；

-转子级几何结构，

-定子级几何结构；

-出口几何结构，包括出口导叶。

在出口导叶的出口处直接应用的平均静态压力边界条件被改变，以模拟各种压力比。当达到数值不稳定时，假定达到了对喘振点的估计。然而，通过数值不稳定对真实的压气机进行估计可能不准确，这是因为：如此靠近出口导叶的出口而应用的边界条件具有严格限制性质，因而导致了出口附近的人造流动分离，导致数值不稳定。实际上，真实的压气机的后面通常是燃烧系统或排气室，而燃烧系统或排气室通常没有在上面描述的已知的CFD模型中被考虑。

本发明的目的是为了克服这些不便之处，以便通过CFD计算来更好地估计压气机的真实喘振点。

发明内容

为了实现以上限定的主要目的，提供了根据独立权利要求的计算机实现的方法。从属权利要求描述了本发明的有利变形和修改。

根据本发明，提供了一种用于预测压气机的喘振点的计算机实现的方法，包括以下一系列步骤：

-生成适合压气机的“计算机流体动力学”计算的多个网格，所述网格包括：

-压气机入口网格，

-至少一个压气机转子级网格，

-表示多个出口导叶和出口喷嘴并且延伸直到最终喷嘴出口区域的压气机出口网格，

-组装所述多个网格以获得“计算机流体动力学”计算域，

-指定计算域的边界条件，

-指定最终喷嘴出口区域处的大气压力条件，

-通过“计算机流体动力学”计算来计算沿着压气机的流量，以计算压气机入口质量流率和压气机压力比，

-检查是否达到了预定的数值稳定极限，如果没有达到数值稳定极限，则：

-减小最终喷嘴出口区域的尺寸，

-再次生成压气机出口网格，

-重复所述指定最终喷嘴出口区域处的大气压力的步骤、所述计算步骤和所述检查步骤。

有利地，在出口导叶的下游的计算域中提供喷嘴，以逐渐将压力降低到大气水平。大气压力边界条件被应用在喷嘴的出口处，而不考虑正在建模的压力比。然后，各种压力比和质量流率通过以下来实现，即，改变喷嘴的出口面积，直至达到数字不稳定。

假设实现数值不稳定点时计算出来的压力比和入口质量流率与压气机真实喘振点相对应。实验测试证实，通过本发明计算出的喘振点实际上在可接受的误差裕度内接近于压气机的真实喘振。

根据本发明的一个可能的实施例，压气机出口网格的长度是压气机的出口导叶的长度的n倍。更具体地，n可以在10至15之间。压气机出口网格的长度被选择，以便方便地且逐渐地将在出口导叶下游处的压力降低到大气压力水平。

根据本发明的另一个可能的实施例，在所述方法的整个步骤中，尤其是在减小最终喷嘴出口区域的尺寸的步骤期间，当数字稳定极限尚未达到时，压气机出口网格的长度保持恒定。有利的是，这允许在计算步骤的两次连续执行之间修改压气机出口网格时，仅在一个边界几何参数上进行操作。

根据本发明的另一个可能的实施例，压气机出口网格包括如下部分：在所述部分处，确定压气机出口压力以用于计算压力比。

然后，出口压力被用于计算在由本方法确定的点填充压气机映射图时所使用的压气机压力比。在压气机映射图上使用通过本发明的方法计算的点，可以更准确地预测当操作压气机时的压气机喘振裕度。

根据本发明的另一个可能的实施例，指定计算域的边界条件的步骤包括以下子步骤：

-指定入口处的大气边界条件，

-指定旋转表面的速度，

-指定行界面处的混合平面。

有利地，这提供了压气机的逼真的CFD模型。

附图说明

以上限定的方面以及本发明的其他方面从下面要描述的实施例的示例中显而易见，并且参照实施例的示例进行解释。以下将参照实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。

图1是包括压气机的燃气涡轮发动机的纵向截面图，该压气机的性能可以用本发明的方法预测；

图2示出了图1中的压气机的模型；

图3示出了本发明的方法的示意性流程图；

图4在压气机图上显示实验点与通过本发明的方法计算的点之间的比较。

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按照流动顺序包括入口12、压气机部分14、燃烧机部分16和涡轮机部分18，它们通常按照流动顺序并且通常围绕和沿着纵向或旋转轴线20布置。燃气涡轮发动机10还包括轴22，轴22能够围绕旋转轴线20旋转并且纵向延伸穿过燃气涡轮发动机10。轴22将涡轮机部分18驱动地连接到压气机部分14。

在燃气涡轮发动机10的运行中，通过空气入口12吸入的空气24被压气机部分14压缩并且被输送到燃烧机部分或燃烧器部分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以及固定至每个燃烧室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的内部。通过压气机14的压缩空气进入扩散器32并从扩散器32排出到燃烧器增压室26中，空气的一部分从燃烧器增压室26进入燃烧器30并与气态或液态燃料混合。然后，使空气/燃料混合物燃烧，并且来自燃烧机的燃烧气体34或工作气体通过燃烧室28经由过渡管道17被引导至涡轮机部分18。

涡轮机部分18包括附接到轴22的多个动叶承载盘36。在本示例中，两个盘36各自承载涡轮机动叶38的环形阵列。然而，动叶承载盘的数量可以是不同的，即，可以仅一个盘，或者多于两个盘。另外，固定在燃气涡轮发动机10的定子42上的导叶40被设置在涡轮机动叶38的环形阵列的级之间。在燃烧室28的出口与涡轮机前缘动叶38的入口之间，设置了导叶44，导叶44将工作气体的流动转向到涡轮机动叶38上。

来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮机部分18并且驱动涡轮机动叶38，涡轮机动叶38继而使轴22旋转。导叶40、44用于优化涡轮机动叶38上的燃烧气体或工作气体的角度。

涡轮机部分18驱动压气机部分14。压气机部分14包括轴向串联的定子静叶级46和转子动叶级48。转子动叶级48包括支撑动叶的环形阵列的转子盘。压气机部分14还包括围绕转子级并支撑静叶级48的壳体50。导叶级包括径向延伸的静叶的环形阵列，所述静叶被安装到壳体50。静叶被提供用于在给定的发动机运行点处呈现对于动叶而言最佳角度的气流。一些导叶级具有可变的静叶，其中可以根据在不同的发动机运行条件下可能出现的空气流动特性，来调整静叶围绕其自身纵轴线的角度。

上游紧邻第一上游转子动叶级的第一导叶级被确定为入口导叶(“IGV”)57。下游紧邻最后一个下游定子动叶级，并且在扩散器32上游的最后一个导叶级被确定为出口导叶(“EGV”)49。

壳体50限定了压气机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至少部分地由转子的转子鼓53限定，转子鼓53部分地由动叶的环形阵列48限定。

除非另有说明，术语“上游”和“下游”指的是通过发动机的气流和/或工作气体流动的流动方向。术语“上游”和“下游”是指通过发动机的气体的一般流动。术语“轴向”、“径向”和“周向”是相对于发动机的旋转轴线20而言的。

图2示出了根据本发明的方法100的压气机部分14的模型210的示例。

通常，根据本发明，例如不考虑压气机是否可以与涡轮机联接，都可以对任何压气机进行建模。燃烧器部分16和涡轮机部分18实际上不根据本发明的方法进行建模，所述方法是为了单独模拟压气机的性能，并且计算通常限定压气机映射图的压气机工作点。

单级压气机也可以被建模。

根据本发明的压气机的模型仅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有旋转周期性的。

根据本发明的方法，通过图3的框图中示意性表示的步骤序列来创建多级模型210。

在方法100的第一步骤110中，生成适合于压气机14的“计算机流体动力学”(CFD)计算的多个网格。所述多个网格包括：

-表示入口导叶级57的压气机入口网格220；

-分别表示多个转子动叶级48的多个压气机转子级网格225；

-分别表示多个定子动叶级46的多个压气机定子级网格230；

-压气机出口网格235，其表示多个出口导叶49以及在所述多个出口导叶49下游的一直延伸直到最终喷嘴出口区域240的出口喷嘴。

压气机出口网格235将被视为表示出口导叶49和喷嘴两者的单个网格，而不是被人造界面分开的多个网格。

压气机出口网格235具有长度L，该长度被选择为压气机14的出口导叶49的长度的n倍，其中n通常为10至15之间的整数。选择最终喷嘴出口区域240的第一面积值A1。

出口导叶下游的喷嘴提供出口导叶49下游的出口压力与大气压力条件之间的逐渐连接。

在方法100的第二步骤120中，多个网格220、225、230、235被组装在一起以获得“计算机流体动力学”计算域250。

在方法100的第三步骤130中，指定计算域250的边界条件。方法100的第三步骤130包括以下子步骤：

-指定计算域250的入口处的大气边界条件；

-指定旋转表面的速度，即，表示转子动叶级48的表面的速度；

-指定表示计算域250的网格220、225、230、235之间的人造界面的混合平面，以用于考虑压气机静止部分和旋转部分之间的流动转变；

-限定旋转周期性模型210的哪个表面必须被认为是旋转周期性的。在第三步骤130之后，方法100包括以下步骤的循环101：

-指定最终喷嘴出口区域240处的大气压力条件的第四步骤140，

-通过CFD计算来计算沿着压气机14的流量的第五步骤150，以便特别地计算：经修正的压气机入口质量流率以及在压气机出口网格235的预定部分260处的压力值与在计算域250的入口处的压力值之间的压气机总压力比。预定部分260表示在压气机出口网格235中紧邻压气机14中的出口导叶49下游的部分。

在第五步骤150之后，循环101还包括检查是否达到预定数值稳定极限的第六步骤160，如果没有达到数值稳定极限，则循环101继续以下步骤：

-第七步骤170：利用表示在先前的第五步骤150中计算的经修正的压气机入口质量流率和压气机总压力比的点，来填充压气机映射M；

-第八步骤180：减小最终喷嘴出口区域240的尺寸A1，同时长度L保持恒定。特别地，根据本发明的一个实施例，Al可以以5％的步长减小，即，例如，如果初始Al值是20mm，则第二个值是19mm，第三个值是18mm，等等；

-第九步骤190：再次生成压气机出口网格235。

在第九步骤190之后，重复第四步骤140、第五步骤150和第六步骤160。

在每次执行第五计算步骤150时，压气机出口网格235均与前次执行第五计算步骤150得到的压气机出口网格235略有不同。这导致经修正的压气机入口质量流率和压气机总压力比的不同值，因此导致压气机映射图M上的相应不同点。

当在第六步骤160中达到数值稳定时，循环101结束。假定在第五计算步骤150的最后一次执行期间所计算出的映射图上的点表示相应的压气机喘振点。

在图4中示出了利用本发明可以实现的结果，其中示出了压气机映射图M，该映射图包括表示经修正的压气机入口质量流率的水平轴线X和表示压气机总压力比的竖直轴线Y。对于以给定速度旋转的压气机，三角形标记102表示实验测试数据。在多个标记102中，表征较高的总压比和较低的经修正的压气机入口质量流率的标记102a表示在给定转速下的压气机实验喘振点。

对于相同的压气机，通过方法100计算的多个点通过矩形标记103被呈现在映射图M中。连接矩形标记103的曲线104表示在压气机映射图M中在给定转速下的速度曲线。通过在执行方法100的过程中、特别是在第三步骤130的过程中考虑转速的不同值，可以计算出其他类似的曲线。在多个标记103中，表征较高的总压力比和较低的经修正的压气机入口质量流率的标记103a表示在给定转速下计算出的压气机喘振点。

在压缩比和入口质量流率这两方面，本发明方法都提供了令人满意的验证，即，实验的喘振点102a和计算的喘振点103a之间的距离明显低于用其他现有的CFD方法可获得的类似距离。

Claims

1.一种用于预测压气机(14)的喘振点的计算机实现的方法(100)，包括以下一系列步骤：

-生成适于所述压气机(14)的“计算机流体动力学”计算的多个网格，所述多个网格包括：

-压气机入口网格(220)，表示所述压气机(14)的一个入口导叶级(57)，

-至少一个压气机转子级网格(225)，表示所述压气机(14)的一个转子动叶级(48)，

-压气机出口网格(235)，表示多个出口导叶(49)和一个出口喷嘴并且延伸直到所述出口网格(235)的最终喷嘴出口区域(240)，

-组装所述多个网格以获得所述“计算机流体动力学”的计算域(250)，

-指定所述计算域(250)的边界条件，包括至少指定所述计算域(250)中表示所述压气机(14)的所述转子动叶级(48)的表面的速度，

-指定所述最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力条件，

-在所述边界条件和所述大气压力条件下，通过“计算机流体动力学”计算来计算沿着所述压气机(14)的流量并且计算压气机入口质量流率和压气机压力比，

-检查所述压气机入口质量流率和所述压气机压力比是否达到了预定的数值稳定极限，如果没有达到所述数值稳定极限，则：

-减小所述最终喷嘴出口区域(240)的尺寸(A1)，

-再次生成所述压气机出口网格(235)，

-重复所述指定所述最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力的步骤、所述计算步骤和所述检查步骤，

-如果达到所述数值稳定极限，则停止所述方法，并且将所述压气机(14)的喘振点预测为在所述压气机(14)的映射图(M)上与所指定的速度对应并与压气机入口质量流率和压气机压力比的最后计算值对应的点。

2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法(100)，其中，所述压气机出口网格(235)的长度(L)是所述压气机(14)的出口导叶(49)的长度的n倍，其中n是整数。

3.根据权利要求2所述的计算机实现的方法(100)，其中，n是10至15之间的整数。

4.根据权利要求2或3所述的计算机实现的方法(100)，其中，在减小所述最终喷嘴出口区域(240)的尺寸(A1)的步骤中，所述压气机出口网格(235)的长度(L)保持恒定。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的计算机实现的方法(100)，其中，所述压气机出口网格(235)包括如下部分(260)：在所述部分(260)处，确定压气机出口压力以计算所述压气机压力比。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的计算机实现的方法(100)，其中，指定所述计算域(250)的边界条件的步骤包括以下子步骤：

-指定入口处的大气边界条件，

-指定所述计算域(250)的所述多个网格之间的界面处的混合平面。

7.根据权利要求1所述的计算机实现的方法(100)，其中，所述方法(100)还包括以点填充压气机映射图(M)的步骤，所述点表示在计算沿着所述压气机(14)的流量的先前步骤中所计算的所述压气机入口质量流率和所述压气机的总压力比。

8.根据权利要求7所述的计算机实现的方法(100)，其中，如果达到所述数值稳定极限，则在计算沿着所述压气机(14)的流量的步骤的最后执行期间所计算的映射图上的点被假定为表示相应的压气机喘振点。