CN112115576A - 一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法及系统，根据待缩尺模化的原型机的缩尺比例系数，将原型机缩尺模化为小尺寸的模型机，利用相似计算公式，计算出模型机对应的运行条件，然后对模型机进行实验测得模型机的性能参数，利用模型机的性能参数计算模型机的多变效率值，根据模型机的粗糙度、雷诺数和流量系数计算多变效率系数，利用多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值，对于轴流压缩机整个稳定工作流量范围内的多变效率修正都能够达到较高的精度，能够达到很高的修正精度，适用于轴流压缩机的整个稳定工作流量区间。

Description

一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法和系统

技术领域

本发明涉及叶轮机械相似模化技术应用领域，具体为一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法和系统。

背景技术

燃气轮机作为新一代大型动力装置，被广泛应用，燃气轮机的研发能力可以看做是一国综合国力的重要体现。轴流压缩机是航空发动机、重载燃气轮机的核心部件之一，轴流压缩机效率的高低对整台燃气轮机的性能起到至关重要的作用。由于轴流压缩机具有大尺寸、高流量、高功耗等特点，导致其研发成本高，研发周期长。因此，为了降低研发成本、缩短研发周期，可以在研发过程中采用缩尺模化技术，对按照一定比例缩小尺寸的模型压缩机进行研究，然后反推出大尺寸原型机的性能参数。但是在实际应用过程中，由于表面粗糙度难以严格按照缩放比例进行缩放、原型机和模型机的雷诺数无法保证相等的原因，导致部分流动相似准则被破坏，因此原型机和模型机的效率会存在一定偏差，缩尺比例系数越大，该偏差就越大，给缩尺模化技术的应用带来困扰。现有的修正方法，为了能够使修正方程形式更加简单，会忽略一部分影响因素，多数只针对于最佳效率点的修正，而轴流压缩机通常运行在一定的流量范围之内，导致修正精度低，修正效果无法达到预期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法和系统，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，包括以下步骤：

步骤1)、根据待缩尺模化的原型机的缩尺比例系数，将原型机缩尺模化为小尺寸的模型机；

步骤2)、利用相似计算公式，计算出模型机对应的运行条件；

步骤3)、根据模型机对应的运行条件对模型机进行实验测得模型机的性能参数；

步骤4)、利用模型机的性能参数计算模型机的多变效率值，根据模型机的粗糙度、雷诺数和流量系数计算多变效率系数，利用多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值。

进一步的，利用轴流压缩机相似换算公式计算出原型机和模型机满足流动相似运行条件之间的关系，即可得到模型机对应的运行条件。

进一步的，计算原型机和模型机的转速关系如式(2)所示：

n_M表示模型机的转速参数，n表示原型机的转速参数，m_L表示缩尺比例系数，T_1M表示模型机的进口滞止温度，T₁表示原型机的进口滞止温度。

进一步的，计算原型机和模型机的质量流量关系如式(3)所示：

q_mM表示模型机的质量流量，q_m表示原型机的质量流量，p_1M表示模型机的进口滞止压力，p₁表示原型机的进口滞止压力，m_L表示缩尺比例系数，T_1M表示模型机的进口滞止温度，T₁表示原型机的进口滞止温度。

进一步的，步骤4)中，综合考虑粗糙度Ra，雷诺数Re、流量系数φ，计算多变效率系数B_ref，如式(6)所示：

其中，φ^*＝φ+H[Ra^*]，φ表示流量系数，

q_v表示模型机第一级动叶进口处的体积流量，u₂表示模型机第一级动叶的叶顶速度，D₂表示模型机第一级动叶的叶顶直径，H[Ra^*]是无量纲粗糙度Ra^*的函数，M[Ra^*]是无量纲粗糙度Ra^*的函数，N[Ra^*,Re]是无量纲粗糙度和雷诺数的函数。

进一步的，H[Ra^*]的计算公式如式(7)所示；

H[Ra^*]＝h₁·Ra^*2+h₂·Ra^*+h₃ (7)

M[Ra^*]的计算公式如式(8)所示：

N[Ra^*,Re]的计算公式如式(9)所示：

在式(9)中，Re表示原型机的雷诺数，Re_M表示模型机的雷诺数，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,d,h₁,h₂,h₃,m₁,m₂,m₃,n₁,n₂均为常数。

进一步的，其中，无量纲粗糙度Ra^*的计算公式如式(10)所示：

进一步的，根据多变效率系数计算修正多变效率偏差Δη，如式(4)所示：

其中，f表示原型机的等效平板摩擦系数，f_M表示模型机的等效平板摩擦系数；

f＝4[P·f_lam+(1-P)·f_turb] (5)

f_M＝4[P_M·f_lamM+(1-P_M)·f_turbM]

其中，

k_s＝6.2Ra，

w₁表示原型机第一级动叶50％叶高处进口相对速度，c表示原型机第一级动叶50％叶高处弦长，v表示原型机第一级动叶进口空气的运动粘度；

k_sM＝6.2Ra_M，

w_1M表示模型机第一级动叶50％叶高处进口相对速度，c_M表示模型机第一级动叶50％叶高处弦长，v_M表示模型机第一级动叶进口空气的运动粘度。

进一步的，原型机多变效率的计算公式如式(12)所示：

η＝η_M+Δη (12)；η_M表示模型机的多变效率。

一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正系统，包括模型机相似计算模块、控制模块、性能参数获取模块和修正模块，控制模块连接于模型机相似计算模块、性能参数获取模块和修正模块；

模型机相似计算模块根据相似计算公式获取模型机的运行条件参数，并将获取的运行条件参数传输至控制模块，控制模块根据运行条件参数控制模型机运行实验，性能参数获取模块获取模型机运行实验的性能参数，并将获取的性能参数传输至修正模块；修正模块根据运行实验的性能参数计算模型机的多变效率值以及多变效率系数，然后根据多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，根据待缩尺模化的原型机的缩尺比例系数，将原型机缩尺模化为小尺寸的模型机，利用相似计算公式，计算出模型机对应的运行条件，然后对模型机进行实验测得模型机的性能参数，利用模型机的性能参数计算模型机的多变效率值，根据模型机的粗糙度、雷诺数和流量系数计算多变效率系数，利用多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值，对于轴流压缩机整个稳定工作流量范围内的多变效率修正都能够达到较高的精度，能够达到很高的修正精度，适用于轴流压缩机的整个稳定工作流量区间。

进一步的，综合考虑了雷诺数、粗糙度和流量系数的影响，使修正系数值的修正精度更加拟合理论值，提高了修正精度。

一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正系统，结构简单，根据模型机的粗糙度、雷诺数和流量系数计算多变效率系数，利用多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到高精度的原型机的多变效率值，能够达到很高的修正精度，适用于轴流压缩机的整个稳定工作流量区间。

附图说明

图1为本发明实施例中通过本发明修正后原型机的多变效率示意图。

图2为本发明实施例中未修正的原型机的多变效率示意图。

图3为本发明实施例中采用现有方法修正后的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细描述：

一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，包括以下步骤：

步骤1)、根据待缩尺模化的原型机(原型轴流压缩机)的缩尺比例系数，将原型机缩尺模化为小尺寸的模型机；

步骤2)、利用相似计算公式，计算出模型机对应的运行条件；

步骤3)、对模型机进行实验测得模型机的性能参数；

步骤4)、利用模型机的性能参数计算模型机的多变效率值，根据模型机的粗糙度、雷诺数和流量系数计算多变效率系数，利用多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值。

理论上，原型机和模型机对应工况点处的多变效率相等，但是在实际缩尺模化应用过程中，由于粗糙度和雷诺数的影响，原型机和模型机对应工况点处的多变效率值会存在偏差，模型机的多变效率小于原型机的多变效率，两者多变效率的偏差记为Δη，如式(1)所示。

Δη＝η-η_M (1)

其中，η代表原型机的多变效率，η_M代表模型机的多变效率。

原型机和模型机的对应工况点指运行在流动相似条件下的工况点，利用轴流压缩机相似换算公式可以计算出原型机和模型机满足流动相似运行条件之间的关系，两者的转速关系如式(2)所示，两者的质量流量关系如式(3)所示。

其中，n_M表示模型机的转速参数，n表示原型机的转速参数，m_L表示缩尺比例系数，即原型机尺寸与模型机尺寸之比，T_1M表示模型机的进口滞止温度，T₁表示原型机的进口滞止温度，q_mM表示模型机的质量流量，q_m表示原型机的质量流量，p_1M表示模型机的进口滞止压力，p₁表示原型机的进口滞止压力。

在实际工业生产过程中，虽然模型机和原型机的尺寸不同，但是其叶片表面的处理工艺相同，因此模型机和原型机的表面粗糙度相同，因此本发明所提出的效率修正方法针对于表面粗糙度相同的原型机和模型机之间的修正。

修正多变效率偏差Δη的计算公式如式(4)所示。

其中，f表示原型机的等效平板摩擦系数，f_M表示模型机的等效平板摩擦系数，用于反映压缩机内部流动过程中雷诺数和粗糙度影响的大小，计算公式如式(5)所示。

f＝4[P·f_lam+(1-P)·f_turb] (5)

f_M＝4[P_M·f_lamM+(1-P_M)·f_turbM]

其中，

k_s＝6.2Ra，

w₁表示原型机第一级动叶50％叶高处进口相对速度，c表示原型机第一级动叶50％叶高处弦长，v表示原型机第一级动叶进口空气的运动粘度；

k_sM＝6.2Ra_M，

w_1M表示模型机第一级动叶50％叶高处进口相对速度，c_M表示模型机第一级动叶50％叶高处弦长，v_M表示模型机第一级动叶进口空气的运动粘度。

综合考虑粗糙度Ra，雷诺数Re、流量系数φ的影响，计算多变效率系数B_ref，B_ref为一个无量纲经验参数，通过大量的数据点拟合得出，B_ref的计算公式如式(6)所示：

其中，φ^*＝φ+H[Ra^*]，φ表示流量系数，

q_v表示模型机第一级动叶进口处的体积流量，u₂表示模型机第一级动叶的叶顶速度，D₂表示模型机第一级动叶的叶顶直径，H[Ra^*]是无量纲粗糙度Ra^*的函数，H[Ra^*]的计算公式如式(7)所示；

H[Ra^*]＝h₁·Ra^*2+h₂·Ra^*+h₃ (7)

M[Ra^*]是无量纲粗糙度Ra^*的函数，M[Ra^*]的计算公式如式(8)所示。

N[Ra^*,Re]是无量纲粗糙度和雷诺数的函数，N[Ra^*,Re]的计算公式如式(9)所示。

在式(9)中，Re表示原型机的雷诺数，Re_M表示模型机的雷诺数。

其中，无量纲粗糙度Ra^*的计算公式如式(10)所示。

上述公式中，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,d,h₁,h₂,h₃,m₁,m₂,m₃,n₁,n₂均为常数，具体取值如表1所示。

表1参数取值

参数	取值	参数	取值
				a<sub>1</sub>	3554.01129	a<sub>2</sub>	0.10082
b<sub>1</sub>	0.42038	b<sub>2</sub>	0.44937
				c<sub>1</sub>	0.01455	c<sub>2</sub>	0.07225
d	0.0144	h<sub>1</sub>	-1.62E-05
				h<sub>2</sub>	4.25E-04	h<sub>3</sub>	4.03E-05
m<sub>1</sub>	0.0343	m<sub>2</sub>	0.00185
				m<sub>3</sub>	4.1643	n<sub>1</sub>	0.1486
n<sub>2</sub>	4.0964

在计算得到所有需要的参数后，利用已获得的模型机多变效率，通过效率修正方法，预测原型机的多变效率，获取原型机多变效率的计算公式如式(11)所示：

针对上述方法的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正系统，包括模型机相似计算模块、控制模块、性能参数获取模块和修正模块；

模型机相似计算模块根据相似计算公式获取模型机的运行条件参数，并将获取的运行条件参数传输至控制模块，控制模块根据运行条件参数控制模型机运行实验，性能参数获取模块获取模型机运行实验的性能参数，并将获取的性能参数传输至修正模块，修正模块根据运行实验的性能参数计算模型机的多变效率值以及多变效率系数，然后根据多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值。

实施例：

已知一台一级半轴流压缩机，原型机叶顶直径为0.9706m，动叶50％叶高处弦长0.1768m，额定转速7500r/min，额定流量126kg/s，设计压比1.36，设计效率0.9086。现将该原型机按照相似准则进行缩尺模化，缩尺比例系数为2.5，得到小尺寸的模型机，模型机叶顶直径0.3882m，动叶50％叶高处弦长0.0707m；利用式(2)和式(3)，可以计算出模型机的额定转速和额定流量，分别为18750r/min，20.16kg/s；

如图2所示，未修正的原型机多变效率。对模型机进行数值计算，得到其在整个工作流量范围内的效率值，取一个非额定工况点为例，当表面粗糙度设置为6.3μm时，质量流量19.84kg/s处的多变效率η_M＝0.8644，流量系数φ＝0.361，雷诺数Re_M＝1.44×10⁶，摩擦系数计算得f_M＝0.02818，该工况点所对应的原型机的雷诺数Re＝3.60×10⁶，摩擦系数计算得f_M＝0.02299。

已知粗糙度Ra＝6.3×10^-6m，流量系数φ＝0.361，利用公式(6)可以计算得B_ref＝0.0445，再使用公式(11)，计算得修正后的原型机多变效率η＝0.8836。如图1所示，采用本发明方法修正后的多变效率精度高，适用于轴流压缩机的整个稳定工作流量区间，而采用现有方法修正结果如图3所示，修正精度差，无法使原型机与模型机完美拟合，从而降低了原型机的精度。本申请根据多种类型叶轮机械的实验数据拟合所得，通过对一台一级半轴流压缩机模型进行数值研究，发现即使在摩擦系数f中考虑了粗糙度和雷诺数的影响，但修正系数的取值仍然与雷诺数、粗糙度和流量系数存在明显的函数关系，本发明所提出的修正方法，综合考虑粗糙度Ra，雷诺数Re、流量系数φ的影响，得到新的修正系数计算公式，该计算公式综合考虑了雷诺数、粗糙度和流量系数的影响，用于修正在轴流压缩机缩尺模化过程中，由于粗糙度、雷诺数导致的原型机和模型机之间的多变效率偏差，对于轴流压缩机整个稳定工作流量范围内的多变效率修正都能够达到较高的精度，能够达到很高的修正精度，适用于轴流压缩机的整个稳定工作流量区间。

Claims (10)

1.一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、根据待缩尺模化的原型机的缩尺比例系数，将原型机缩尺模化为小尺寸的模型机；

步骤2)、利用相似计算公式，计算出模型机对应的运行条件；

步骤3)、根据模型机对应的运行条件对模型机进行实验测得模型机的性能参数；

步骤4)、利用模型机的性能参数计算模型机的多变效率值以及多变效率系数，利用多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到与模型机对应的原型机的多变效率值。

2.根据权利要求1所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，利用轴流压缩机相似换算公式计算出原型机和模型机满足流动相似运行条件之间的关系，即可得到模型机对应的运行条件。

3.根据权利要求2所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，计算原型机和模型机的转速关系如式(2)所示：

n_M表示模型机的转速参数，n表示原型机的转速参数，m_L表示缩尺比例系数，T_1M表示模型机的进口滞止温度，T₁表示原型机的进口滞止温度。

4.根据权利要求2所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，计算原型机和模型机的质量流量关系如式(3)所示：

q_mM表示模型机的质量流量，q_m表示原型机的质量流量，p_1M表示模型机的进口滞止压力，p₁表示原型机的进口滞止压力，m_L表示缩尺比例系数，T_1M表示模型机的进口滞止温度，T₁表示原型机的进口滞止温度。

5.根据权利要求1所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，步骤4)中，综合考虑粗糙度Ra，雷诺数Re、流量系数φ，计算多变效率系数B_ref，如式(6)所示：

其中，φ^*＝φ+H[Ra^*]，φ表示流量系数，

q_v表示模型机第一级动叶进口处的体积流量，u₂表示模型机第一级动叶的叶顶速度，D₂表示模型机第一级动叶的叶顶直径，H[Ra^*]是无量纲粗糙度Ra^*的函数，M[Ra^*]是无量纲粗糙度Ra^*的函数，N[Ra^*,Re]是无量纲粗糙度和雷诺数的函数。

6.根据权利要求5所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，H[Ra^*]的计算公式如式(7)所示；

H[Ra^*]＝h₁·Ra^*2+h₂·Ra^*+h₃ (7)

M[Ra^*]的计算公式如式(8)所示：

N[Ra^*,Re]的计算公式如式(9)所示：

在式(9)中，Re表示原型机的雷诺数，Re_M表示模型机的雷诺数，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,d,h₁,h₂,h₃,m₁,m₂,m₃,n₁,n₂均为常数。

7.根据权利要求6所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，其中，无量纲粗糙度Ra^*的计算公式如式(10)所示：

8.根据权利要求5所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，根据多变效率系数计算修正多变效率偏差Δη，如式(4)所示：

其中，f表示原型机的等效平板摩擦系数，f_M表示模型机的等效平板摩擦系数；

f＝4[P·f_lam+(1-P)·f_turb] (5)

f_M＝4[P_M·f_lamM+(1-P_M)·f_turbM]

其中，

k_s＝6.2Ra，

w₁表示原型机第一级动叶50％叶高处进口相对速度，c表示原型机第一级动叶50％叶高处弦长，v表示原型机第一级动叶进口空气的运动粘度；

k_sM＝6.2Ra_M，

w_1M表示模型机第一级动叶50％叶高处进口相对速度，c_M表示模型机第一级动叶50％叶高处弦长，v_M表示模型机第一级动叶进口空气的运动粘度。

9.根据权利要求8所述的一种轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法，其特征在于，原型机多变效率的计算如式(12)所示：

η＝η_M+Δη (12)；η_M表示模型机的多变效率。

10.一种用于权利要求1所述轴流压缩机缩尺过程多变效率修正方法的轴流压缩机缩尺过程多变效率修正系统，其特征在于，包括模型机相似计算模块、控制模块、性能参数获取模块和修正模块；

模型机相似计算模块根据相似计算公式获取模型机的运行条件参数，并将获取的运行条件参数传输至控制模块，控制模块根据运行条件参数控制模型机运行实验，性能参数获取模块获取模型机运行实验的性能参数，并将获取的性能参数传输至修正模块，修正模块根据运行实验的性能参数计算模型机的多变效率值以及多变效率系数，然后根据多变效率系数对多变效率值进行修正即可得到原型机的多变效率值。

Images