CN111306088A - 压气机性能的预测方法以及预测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压气机的性能的预测方法以及预测系统。其中，预测方法包括a)以压气机的进口、出口之间的N个静压测点为界，将压气机划分为N+1个压气机分块；b)对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，获得核心机转速对应的该压气机分块的换算转速，通过仿真模拟得到该压气机分块的换算转速对应的静压比范围；c)对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，通过实验得到该压气机分块的换算转速对应的实际静压比；d)比较所述步骤c)得到的所述实际静压比与所述步骤b)得到的所述静压比范围。上述预测方法以及预测系统具有测量参数少、操作简单等优点。

Description

压气机性能的预测方法以及预测系统

技术领域

本发明属于发动机领域，尤其涉及一种用于发动机的压气机性能的预测方法以及预测系统。

背景技术

核心机试验是进行航空发动机整机试验的重要基础，通过核心机试验件试验可以测定核心机试验件的内部情况，评估处于发动机整机工作状态下的各部件气动、热力和机械性能，提前暴露问题，为整机研制提供支撑。一般情况下，在核心机试验前需要提供部件(压气机、涡轮)在不同转速下性能数据，在核心机试验时，根据核心机的转速对应的部件(例如压气机或涡轮)的转速，结合部件已有的在不同转速下的性能数据，预测在核心机试验中部件的运转是否达到失速边界或喘振情况，以保证核心机在试验过程中安全稳定地运行。

然而，若部件性能数据缺失(例如由于供应商的测试有限无法进行高转速测量等原因)，例如轴流压气机等部件缺少相应性能数据时，即会导致试验时无法对压气机的工作状态作出预测和判断，造成核心机试验的安全隐患。同时，若压气机发生性能异常，也无法准确判断压气机发生的故障部位以及发生故障时对应的转速，很难根据试验情况对核心机/压气机的工况进行针对性的调整。而重新进行压气机部件的性能试验获取相应数据，将耗费大量的时间以及人力物力。

因此，本领域需要一种压气机性能的预测方法以及预测系统，监控核心机试验过程中压气机性能，以便进行核心机试验监测及数据分析，避免压气机进喘、保证核心机的安全稳定进行。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种压气机的性能的预测方法。

本发明的一个目的是提供一种一种压气机的性能的预测系统。

根据本发明一个方面的压气机的性能的预测方法，包括：

步骤a).以压气机的进口、出口之间的N个静压测点为界，将入口至其最近的静压测点的部分、压气机中相邻的静压测点之间的部分以及出口与其最近的静压测点的部分分别划分单个压气机分块，共将压气机划分为N+1个压气机分块；

步骤b).对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，获得核心机转速对应的该压气机分块的换算转速，通过仿真模拟得到该压气机分块的换算转速对应的静压比范围；

步骤c).对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，得到核心机试验中该压气机分块的换算转速对应的实际静压比；

步骤d).比较所述步骤c)得到的所述实际静压比与所述步骤b)得到的所述静压比范围，若实际静压比位于静压比范围内，则该压气机分块的性能正常。。

在所述预测方法的实施例中，还包括步骤e).重复所述步骤b)、c)、d)，通过预测全部N+1个压气机分块的性能以判断压气机是否达到失速边界。

在所述预测方法的实施例中，所述步骤a)中的N个静压测点至少包括位于压气机的引气位置的静压测点。

在所述预测方法的实施例中，所述步骤b)以及所述步骤c)中，采用以下公式换算转速：

其中，n_cor为换算转速，n为核心机转速，T_st为核心机进口温度，T₀ ^*为该压气机分块的进口温度。

在所述预测方法的实施例中，所述步骤b)中，采用CFD仿真模拟得到静压比范围。

在所述预测方法的实施例中，所述步骤b)中，选取的核心机转速的分别为核心机的最高转速的1.0、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7倍。

根据本发明另一方面的压气机的性能的预测系统，包括预测模块，所述预测模块包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

步骤A).以压气机的进口、出口之间的N个静压测点为界，将压气机中相邻的静压测点之间的部分划分单个压气机分块，共将压气机划分为N+1个压气机分块；

步骤B).对于N+1个压气机分块中的任一至少一压气机分块，得到核心机转速对应的该压气机分块的换算转速以及该压气机分块的换算转速对应的静压比范围；

步骤C).对于N+1个压气机分块中的至少任一压气机分块，得到试验中核心机转速对应的该压气机分块的换算转速以及该压气机分块的换算转速对应的实际静压比；

步骤D).比较所述步骤C)得到的所述实际静压比与所述步骤B)得到的所述静压比范围，若实际静压比位于静压比范围内，则该压气机分块的性能正常。

在所述预测系统的实施例中，还包括步骤E).重复所述步骤B)、C)、D)，通过预测全部N+1个压气机分块的性能以判断压气机是否达到失速边界。

综上，本发明的进步效果包括下列之一：

(1)通过静压比这一参数预测压气机性能，无需额外在压气机中增加传感器等设备，保证试验结果的精确性，以及试验的可操作性；

(2)在缺少轴流压气机性能数据的情况下，对多级轴流压气机采取分块计算，分别考察各块的增压能力边界，只要各个块都工作在各自的增压能力边界之下，则可以认为压气机整机也工作在失速边界下之下，避免在推转过程中压气机进喘，保证核心机的安全稳定运行；

(3)只要各个块都工作在各自的增压能力边界之下，则可以认为压气机整机也工作在失速边界下之下。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是本发明的预测方法的一实施例的压气机分块示意图。

图2是本发明的预测方法的一实施例的第二分块的性能预测示意图。

图3是本发明的预测方法的一实施例的第三分块的性能预测示意图。

图4是本发明的预测方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图1，预测压气机1的性能的方法包括，

步骤a).以压气机1的进口100、出口103之间的静压测点101、102为界，将入口100至其最近的静压测点101的部分、压气机中相邻的静压测点101、102之间的部分以及出口103与其最近的静压测点102的部分分别划分单个压气机分块，在图1中，静压测点的数量为两个，因此一共将压气机1划分为三个压气机分块，分别为第一分块11、第二分块12以及第三分块13。可以理解的，静压测点102的数量不以图1所示的实施例为限，可以根据试验条件调整。优选地，静压测点的具体位置可以是如图1所示的位于压气机的引气位置，压气机的引气位置如集气腔，其本身设置有静压测点，用于监测集气腔的静压，检测引气位置是否发生倒流等故障，如此设置的有益效果在于，可以充分利用压气机已有的静压测点，尽可能少的在压气机中为了进行试验而引入新的静压测点，干扰压气机中已经非常复杂的气体流动场；简化试验系统的设计以及相关试验操作。

步骤b).对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，获得核心机转速对应的该压气机分块的换算转速，通过仿真模拟得到该压气机分块的换算转速对应的静压比范围。

上述换算转速的可以采用以下公式进行换算：

其依据的换算原理在于，流动相似时，将当地总温T^*变换为进口总温T₀ ^*。当压气机几何确定后，在Ma数相等的相似条件下将实际转速n换算到标准大气条件，得到换算转速n_cor。上述换算方法结果准确、计算量小。以图1所示的一实施例的第二分块12为例，其为压气机的第4级至第7级，第4级、第7级进、出口总温相差很小，可以认为第二分块12的温度即为第4级的进口总温，即试验时的已知量为核心机物理转速、整机进口总温、第四级进口总温，即可得到核心机物理转速对应的第二分块12的换算转速，其他分块例如第一分块11、第三分块13的相对换算转速计算与以上换算过程类似。

具体操作中，可以选取的核心机转速的转速点为核心机的最高转速的1.0、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7倍进行换算，如此取值的有益效果为，针对压气机高速状态试验性能由于试验设备原因而缺失条件，针对核心机的高转速区域进行预测，试验针对性强，节约了计算量。根据得到的换算转速，采用CFD仿真模拟，得到换算转速得到静压比范围，CFD仿真模拟方法是本领域较为常见的仿真模拟方法，此处不再对具体操作方法赘述。采用通用的CFD仿真模拟方法，仿真结果普适性好，也易于操作。以图1所示一实施例的第二分块12、第三分块13为例，其选取的换算转速点对应的静压比范围分别如图2的A₂₁、A₂₂、A₂₃、A₂₄、A₂₅、A₂₆、A₂₇以及图3的A₃₁、A₃₂、A₃₃、A₃₄、A₃₅、A₃₆、A₃₇线段所示。

步骤c).对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，得到核心机试验中该压气机分块的换算转速对应的实际静压比。进行核心机试验时，例如图2所示压气机1的第二分块12的换算转速曲线如图2中的L₁以及L₂所示，其中L₁为核心机试验的去程，即加速阶段，L₂为回程，即减速阶段，预测第二分块12的性能仅参考L₁即可。同理，第三分块13的换算转速曲线如图3的L₃以及L₄所示，预测第三分块13的性能仅参考L₃即可，而分块对应的实际静压比，由静压测点得到，例如图2的第二分块12的实际静压比，即位于第二分块12末端的引气位置的静压测点102的静压值与第二分块12的首端的引气位置的静压测点101的静压值的比值。

步骤d).比较所述步骤c)得到的所述实际静压比与所述步骤b)得到的所述静压比范围，若实际静压比位于静压比范围内，则该压气机分块的性能正常。如图2所示，在某次核心机试验中，第二分块12的在换算转速点在去程阶段的实际静压比均小于对应的静压比范围的最大值，表明第二分块12的在试验过程中性能正常。类似地，如图3所示，在此次核心机试验中，第三分块13的在换算转速点在去程阶段的实际静压比均小于对应的静压比范围的最大值，表明第三分块13在试验过程中的性能正常。

容易推知，需要试验过程中判断整个压气机1的性能是否正常，判断所有的分块的性能是否正常即可，若全部分块的性能正常，则压气机1的性能正常。

采用上述的利用静压比这一参数预测压气机性能的预测方法，其可以达到即使没有单独的压气机实际性能测试数据，依旧可以在核心机试验中监测压气机性能的技术效果，保证了核心机试验的安全稳定，极大地加速了发动机的研发进度。采用分块的方法，可以准确识别出压气机发生故障的位置，为科研人员后续的试验分析、故障诊断提供了宝贵的数据，以及用于发动机实际运行中的压气机的性能预测以及监控。

依据上述方法的原理，可以在核心机试验系统中加入预测模块，所述预测模块包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

步骤A).以压气机的进口、出口之间的N个静压测点为界，将压气机中相邻的静压测点之间的部分划分单个压气机分块，共将压气机划分为N+1个压气机分块；

步骤B).对于N+1个压气机分块中的任一至少一压气机分块，得到核心机转速对应的该压气机分块的换算转速以及该压气机分块的换算转速对应的静压比范围；

步骤C).对于N+1个压气机分块中的至少任一压气机分块，得到试验中核心机转速对应的该压气机分块的换算转速以及该压气机分块的换算转速对应的实际静压比；

步骤D).比较所述步骤C)得到的所述实际静压比与所述步骤B)得到的所述静压比范围，若实际静压比位于静压比范围内，则该压气机分块的性能正常。优选地，可以重复所述步骤B)、C)、D)，通过预测全部N+1个压气机分块的性能以判断压气机是否达到失速边界。

综上，采用上述实施例的压气机的性能预测方法以及预测系统的有益效果包括下列之一：

(1)通过静压比这一参数预测压气机性能，无需额外在压气机中增加传感器等设备，保证试验结果的精确性，以及试验的可操作性；

(2)在缺少轴流压气机性能数据的情况下，对多级轴流压气机采取分块计算，分别考察各块的增压能力边界，只要各个块都工作在各自的增压能力边界之下，则可以认为压气机整机也工作在失速边界下之下，避免在推转过程中压气机进喘，保证核心机的安全稳定运行；

(3)只要各个块都工作在各自的增压能力边界之下，则可以认为压气机整机也工作在失速边界下之下。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压气机的性能的预测方法，其特征在于，包括：

步骤a).以压气机的进口、出口之间的N个静压测点为界，将入口至其最近的静压测点的部分、压气机中相邻的静压测点之间的部分以及出口与其最近的静压测点的部分分别划分单个压气机分块，共将压气机划分为N+1个压气机分块；

步骤b).对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，获得核心机转速对应的该压气机分块的换算转速，通过仿真模拟得到该压气机分块的换算转速对应的静压比范围；

步骤c).对于N+1个压气机分块中的至少一压气机分块，得到核心机试验中该压气机分块的换算转速对应的实际静压比；

步骤d).比较所述步骤c)得到的所述实际静压比与所述步骤b)得到的所述静压比范围，若实际静压比位于静压比范围内，则该压气机分块的性能正常。

2.如权利要求1所述的压气机性能的预测方法，其特征在于，还包括：

步骤e).重复所述步骤b)、c)、d)，通过预测全部N+1个压气机分块的性能以判断压气机是否达到失速边界。

3.如权利要求1所述的压气机性能的预测方法，其特征在于，所述步骤a)中的N个静压测点至少包括位于压气机的引气位置的静压测点。

4.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤b)以及所述步骤c)中，采用以下公式换算转速：

其中，n_cor为换算转速，n为核心机转速，T_st为核心机进口温度，T₀ ^*为该压气机分块的进口温度。

5.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤b)中，采用CFD仿真模拟得到静压比范围。

6.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤b)中，选取的核心机转速的分别为核心机的最高转速的1.0、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7倍。

7.一种压气机的性能的预测系统，其特征在于，包括预测模块，所述预测模块包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

步骤A).以压气机的进口、出口之间的N个静压测点为界，将压气机中相邻的静压测点之间的部分划分单个压气机分块，共将压气机划分为N+1个压气机分块；

步骤B).对于N+1个压气机分块中的任一至少一压气机分块，得到核心机转速对应的该压气机分块的换算转速以及该压气机分块的换算转速对应的静压比范围；

步骤C).对于N+1个压气机分块中的至少任一压气机分块，得到试验中核心机转速对应的该压气机分块的换算转速以及该压气机分块的换算转速对应的实际静压比；

步骤D).比较所述步骤C)得到的所述实际静压比与所述步骤B)得到的所述静压比范围，若实际静压比位于静压比范围内，则该压气机分块的性能正常。

8.如权利要求7所述的预测系统，其特征在于，还包括

步骤E).重复所述步骤B)、C)、D)，通过预测全部N+1个压气机分块的性能以判断压气机是否达到失速边界。

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