CN113673060A - 多级压气机模化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多级压气机模化方法及系统，包括如下步骤：模型放大步骤：将原模型进行放大，得到放大模型；摩擦因子修正步骤：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正，保证摩擦损失在总损失中的比值不变；扩压因子修正步骤：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致；间隙修正步骤：通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变；使用步骤：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。本发明多级压气机高压级的放大模型，其流场与原型具有很高的相似性，从而保证了效率、压比、近失速流量与原模型基本相等。

Description

多级压气机模化方法及系统

技术领域

本发明涉及叶轮机械的技术领域，具体地，涉及一种多级压气机模化方法及系统。尤其是，优选的涉及一种多级压气机高压级低速模化方法。

背景技术

压气机作为核心机的三大部件之一，对核心机以及整台发动机的研制都有着举足轻重的作用。为提升压气机的性能，需要获得压气机详细的流场，对流场结构进行深入细致的分析，研究各种损失的机理，提出对应的改进方案。然而，到目前为止，压气机高压级内部的详细流场很难直接获得。从实验的角度来看，由于压气机高压级叶片短、叶排之间的轴向间隙小以及高温、高压的工作环境，还有昂贵的高速试验费用等原因，用常规的方法很难对其内部流场进行详细的试验测量。从仿真的角度来看，虽然对于叶轮机械的全三维计算有了很大的进展，但是对于多级压气机而言，计算成本代价大，计算结果不够精细，不能很好反映出压气机内部的损失机理。

针对以上难题，研究人员提出并发展了压气机高压级低速模化的方法。通过模化，使得压气机高压级与对应的低速模型压气机的流场相似，即用低速放大的压气机的实验结果来反映出压气机高压级的流场结构和流动参数的变化趋势，并在此基础上对压气机高压级提出改进设计方案。但在过去的研究中，马赫数Ma和雷诺数Re被认为是保持流场相似性的关键参数之一。

公开号为CN112257204A的中国发明专利文献公开了一种多级压气机S2流面参数的计算方法，其包括：步骤S1、计算开始；步骤S2、基于准三维S2计算方法，获得多级压气机的全流场参数，包括各级叶片主流区域和端壁区域的流场参数；基于三维CFD计算方法，获得多级压气机的全流场参数，包括各级叶片主流区域和端壁区域的流场参数；步骤S3、将准三维S2计算方法所获取的主流区域参数与基于三维CFD计算方法修正后的端壁区域参数进行合并，得到新的多级压气机S2流面参数，作为最终计算结果。

针对上述中的相关技术，发明人认为上述方法在进行实际的放大过程中，很难同时保证雷诺数和马赫数相同，因此原型机与模化后的压气机的流场差异是不可避免的。另外，叶顶间隙和无叶扩压器等尺寸是不可能随比例放大的，它们的差异必然会影响流场的相似性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多级压气机模化方法及系统。

根据本发明提供的一种多级压气机模化方法，包括如下步骤：

模型放大步骤：将原模型进行放大，得到放大模型；

摩擦因子修正步骤：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正，保证摩擦损失在总损失中的比值不变；

扩压因子修正步骤：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致；

间隙修正步骤：通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变；

使用步骤：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。

优选的，在所述模型放大步骤中，将原模型几何尺寸根据放大因子进行放大。

优选的，在所述摩擦因子修正步骤中，按照摩擦损失准则，通过修正转速来修正摩擦因子，保证摩擦损失在总损失中的比值不变。

优选的，在所述摩擦因子修正步骤中，公式采用：

式中D_f为摩擦因子，L为级总长度，D为级外径，g为重力加速度，U₂表示叶轮圆周速度，

表示摩擦损失；其中摩擦因子D_f通过下式获得：

D_f ^-0.5+2log₁₀{e/3.7+(2.51/Re)D_f ^-0.5}＝0

式中，e为表面粗糙度，Re为雷诺数，log₁₀表示以10为底的对数；反复迭代计算。

优选的，在所述扩压因子修正步骤中，公式采用：

式中D为动叶扩压因子，w₁为动叶进口相对速度，w₂为动叶出口相对速度，Δw_u为动叶进出口周向速度差，τ为相对栅距。

优选的，在所述间隙修正步骤中，公式采用：

式中h_i和h_m分别表示原模型间隙和放大模型间隙，THF为间隙修正因子，SF为放大因子。另外，γ_i和γ_m分别表示原模型绝热指数和放大模型绝热指数；λ_1,m、λ_1,i、λ_2,m、λ_2,iλ_p,m、λ_p,i、λ_s,m和λ_s,i为无量纲系数，分别由下式确定；

其中Ma_1,m为放大模型进口马赫数；

其中Ma_1,i为原模型进口马赫数；

其中Ma_2,m为放大模型出口马赫数；

其中Ma_2,i为原模型出口马赫数；

其中P_p,m为放大模型压力面压力，

为放大模型进口总压；

其中P_p,i为原模型压力面压力，

为原模型进口总压；

其中P_s,m为放大模型吸力面压力；

其中P_s,i为原型吸力面压力；

函数q(x)的定义为：

x表示函数的自变量。

根据本发明提供的一种多级压气机模化系统，包括如下模块：

模型放大模块：将原模型进行放大，得到放大模型；

摩擦因子修正模块：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正，保证摩擦损失在总损失中的比值不变；

扩压因子修正模块：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致；

间隙修正模块：通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变；

使用模块：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。

优选的，在所述模型放大模块中，将原模型几何尺寸根据放大因子进行放大。

优选的，在所述摩擦因子修正模块中，按照摩擦损失准则，通过修正转速来修正摩擦因子，保证摩擦损失在总损失中的比值不变。

优选的，在所述摩擦因子修正模块中，公式采用：

式中D_f为摩擦因子，L为级总长度，D为级外径，g为重力加速度，U₂表示叶轮圆周速度，

表示摩擦损失；其中摩擦因子D_f通过下式获得：

D_f ^-0.5+2log₁₀{e/3.7+(2.51/Re)D_f ^-0.5}＝0

式中，e为表面粗糙度，Re为雷诺数，log₁₀表示以10为底的对数；反复迭代计算。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的多级压气机高压级模化方法，在原放大模型的基础上，基于多级压气机摩擦损失准则，通过重设转速，修正了摩擦因子对流场相似性的影响；

2、本发明提供的多级压气机高压级模化方法，在原放大模型的基础上，基于扩压因子准则，通过重设各级动静叶，修正了扩压因子对流场相似性的影响；

3、本发明提供的多级压气机高压级模化方法，在原放大模型的基础上，基于间隙损失准则，通过重设动叶叶顶间隙，修正了间隙损失对流场相似性的影响；

4、本发明提供的多级压气机高压级模化方法，可以在保证压气机的质量流量系数和机器马赫数不变的前提下，显著提高放大模型与原模型的流场相似度，从而真正实现放大模型与原模型的气动性能相似，保证了放大模型的效率、压比、近失速流量与原模型基本相等。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明多级压气机高压级模化设计的流程图；

图2为本发明几何放大模型与原模型的性能对比图；

图3为本发明通过摩擦损失准则修正后的放大模型与原模型的性能对比图；

图4为本发明通过摩擦损失准则、扩压因子准则修正后的放大模型与原模型的性能对比图；

图5为本发明通过摩擦损失准则、扩压因子准则、间隙损失准则修正后的放大模型与原模型的性能对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例公开了一种多级压气机高压级低速模化方法，如图1所示，包括如下步骤：模型放大步骤：将原模型进行放大，得到放大模型。将原模型几何尺寸根据放大因子进行放大。根据放大因子，将原模型进行几何放大。将原机型几何尺寸按照放大比例(SF)进行放大。

摩擦因子修正步骤：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正，保证摩擦损失在总损失中的比值不变。按照摩擦损失准则，通过修正转速来修正摩擦因子。根据多级压气机高压级的流动特点，当流场相似时，摩擦损失

在总损失(W)中的比值为一个定值，因此，在放大模型设计中，通过修正转速U来修正摩擦因子，进而保证

不变。通过重设转速，改变摩擦因子，实现放大模型的修正。计算公式采用：

式中D_f为摩擦因子，L为级总长度，D为级外径，g为重力加速度，U₂表示叶轮圆周速度，

表示摩擦损失；其中摩擦因子D_f通过下式获得：

D_f ^-0.5+2log₁₀{e/3.7+(2.51/Re)D_f ^-0.5}＝0

式中，e为表面粗糙度，Re为雷诺数，log₁₀表示以10为底的对数；反复迭代计算。由于改变转速后，摩擦因子也改变，因此需要反复迭代计算。

扩压因子修正步骤：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致。根据多级压气机高压级的流动特点，当流场相似时，动叶的扩压因子(D)应该保持不变，因此，在放大模型设计中，通过对各级动静叶进行重新设计，以保证动叶出口的扩压因子一致。通过重设各级动静叶，改变扩压因子，实现对放大模型的修正。计算公式采用：

式中D为动叶扩压因子，w₁为动叶进口相对速度，w₂为动叶出口相对速度，Δw_u为动叶进出口周向速度差，v为相对栅距。

间隙修正步骤：通过修正叶顶间隙对放大模型进行修正，通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变。间隙缩放因子(THF)的修正，可通过间隙损失进行。当流场相似时，间隙损失(L_D)在总损失(W)中的比值为一个定值，因此，在放大模型设计中，通过修正叶顶间隙，来保证L_D/W不变。通过重设叶顶间隙，改变间隙损失，实现对放大模型的修正。计算公式采用：

式中h_i和h_m分别表示原模型间隙和放大模型间隙，THF为间隙修正因子，SF为放大因子。另外，γ_i和γ_m分别表示原模型绝热指数和放大模型绝热指数；λ_1,m、λ_1,i、λ_2,m、λ_2,iλ_p,m、λ_p,i、λ_s,m和λ_s,i为无量纲系数，分别由下式确定。这8个无量纲系数只是计算的过程量，没有实际物理意义，使用这8个无量纲系数替代复杂的计算式，使计算公式(THF的定义)更加简约明了。

其中Ma_1,m为放大模型进口马赫数。

其中Ma_1,i为原模型进口马赫数。

其中Ma_2,m为放大模型出口马赫数。

其中Ma_2,i为原模型出口马赫数。

其中P_p,m为放大模型压力面压力，

为放大模型进口总压。

其中P_p,i为原模型压力面压力，

为原模型进口总压。

其中P_s,m为放大模型吸力面压力。

其中P_s,i为原型吸力面压力。

函数q(x)的定义为：

x表示函数的自变量。

使用步骤：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。将压气机高压级原型按照几何比例的要求进行放大，通过摩擦因子、扩压因子以及间隙的修正步骤，保证放大模型流场与原型流场相似。因此，基于放大模型获得的气动实验和计算数据，可以直接用于原型的气动性能分析；对于放大模型的气动优化设计，也可以通过反演技术，直接用于原型的气动优化设计。压气机高压级一般指多级压气机的最后2～3级。

以一台多级轴流压气机的后三级高压级的模化设计为例，图2为原模型根据2.5：1的比例将几何尺寸放大后，其性能与原型性能的对比，从图中可以发现，等熵效率误差为7.4％，压比误差为8.4％，近失速点流量误差为4％，图中Model中文译文为模型，A表示根据2.5：1的几何比例放大后获得的压气机；Prototype中文译文为原模型。采用摩擦损失准则修正后，如图3所示，等熵效率误差为7.4％，压比误差为8.4％，近失速点流量误差为4％，图中B表示在压气机A的基础上通过摩擦因子修正后的压气机。采用扩压因子准则进一步修正，如图4所示，效率误差为2.4％，压比误差为2.1％，近失速点流量误差为1.6％，图中C表示在压气机B的基础上通过扩压因子修正后的压气机。最后再采用间隙损失准则进行修正，如图5所示，效率误差为1.3％，压比误差为1.2％，近失速点流量误差为1.2％，图中D表示在压气机C的基础上通过间隙修正后的压气机。这样，通过以上修正步骤，放大模型与原模型流场相似。

本发明提出了新的修正准则，来保证流场的相似性。本发明根据放大因子，将在原模型几何放大；在放大模型的基础上，采用摩擦损失准则，通过转速修正，提高流场的相似性；采用扩压因子准则，通过动静叶的几何设计，提高流场的相似性；采用间隙损失准则，通过径向间隙尺寸的修正，实现放大模型与原模型的流场相似。采用该方法设计的多级压气机高压级的放大模型，其流场与原型具有很高的相似性，从而保证了效率、压比、近失速流量与原模型基本相等。

本发明实施例还公开了一种多级压气机模化系统，如图1所示，包括如下模块：模型放大模块：将原模型进行放大，得到放大模型。将原模型几何尺寸根据放大因子进行放大。

摩擦因子修正模块：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正。按照摩擦损失准则，通过修正转速来修正摩擦因子，保证摩擦损失在总损失中的比值不变。公式采用：

式中D_f为摩擦因子，L为级总长度，D为级外径，g为重力加速度，U₂表示叶轮圆周速度，

表示摩擦损失；其中摩擦因子D_f通过下式获得：

D_f ^-0.5+2log₁₀{e/3.7+(2.51/Re)D_f ^-0.5}＝0

式中，e为表面粗糙度，Re为雷诺数，log₁₀表示以10为底的对数；反复迭代计算。

扩压因子修正模块：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致。间隙修正模块：通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变。使用模块：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。

需要说明的是，本发明提供的多级压气机高压级模化方法中的步骤，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种多级压气机模化方法，其特征在于，包括如下步骤：

模型放大步骤：将原模型进行放大，得到放大模型；

摩擦因子修正步骤：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正，保证摩擦损失在总损失中的比值不变；

扩压因子修正步骤：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致；

间隙修正步骤：通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变；

使用步骤：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。

2.根据权利要求1所述的多级压气机模化方法，其特征在于，在所述模型放大步骤中，将原模型几何尺寸根据放大因子进行放大。

3.根据权利要求1所述的多级压气机模化方法，其特征在于，在所述摩擦因子修正步骤中，按照摩擦损失准则，通过修正转速来修正摩擦因子，保证摩擦损失在总损失中的比值不变。

4.根据权利要求3所述的多级压气机模化方法，其特征在于，在所述摩擦因子修正步骤中，公式采用：

式中D_f为摩擦因子，L为级总长度，D为级外径，g为重力加速度，U₂表示叶轮圆周速度，

表示摩擦损失；其中摩擦因子D_f通过下式获得：

D_f ^-0.5+2log₁₀{e/3.7+(2.51/Re)D_f ^-0.5}＝0

式中，e为表面粗糙度，Re为雷诺数，log₁₀表示以10为底的对数；反复迭代计算。

5.根据权利要求1所述的多级压气机模化方法，其特征在于，在所述扩压因子修正步骤中，公式采用：

式中D为动叶扩压因子，w₁为动叶进口相对速度，w₂为动叶出口相对速度，Δw_u为动叶进出口周向速度差，τ为相对栅距。

6.根据权利要求1所述的多级压气机模化方法，其特征在于，在所述间隙修正步骤中，公式采用：

式中h_i和h_m分别表示原模型间隙和放大模型间隙，THF为间隙修正因子，SF为放大因子。另外，γ_i和γ_m分别表示原模型绝热指数和放大模型绝热指数；λ_1,m、λ_1,i、λ_2,m、λ_2,iλ_p,m、λ_p,i、λ_s,m和λ_s,i为无量纲系数，分别由下式确定；

其中Ma_1,m为放大模型进口马赫数；

其中Ma_1,i为原模型进口马赫数；

其中Ma_2，m为放大模型出口马赫数；

其中Ma_2,i为原模型出口马赫数；

其中P_p,m为放大模型压力面压力，

为放大模型进口总压；

其中P_p,i为原模型压力面压力，

为原模型进口总压；

其中P_s,m为放大模型吸力面压力；

其中P_s,i为原型吸力面压力；

函数q(x)的定义为：

x表示函数的自变量。

7.一种多级压气机模化系统，其特征在于，包括如下模块：

模型放大模块：将原模型进行放大，得到放大模型；

摩擦因子修正模块：通过重设转速，对放大模型的摩擦因子进行修正，保证摩擦损失在总损失中的比值不变；

扩压因子修正模块：通过重设各级动静叶，修正放大模型的扩压因子，保证各级动叶出口的扩压因子一致；

间隙修正模块：通过重设叶顶间隙，修正放大模型的间隙损失，保证间隙损失在总损失中的比值不变；

使用模块：基于放大模型进行气动实验和试验，对原模型进行气动性能分析。

8.根据权利要求7所述的多级压气机模化系统，其特征在于，在所述模型放大模块中，将原模型几何尺寸根据放大因子进行放大。

9.根据权利要求7所述的多级压气机模化系统，其特征在于，在所述摩擦因子修正模块中，按照摩擦损失准则，通过修正转速来修正摩擦因子，保证摩擦损失在总损失中的比值不变。

10.根据权利要求9所述的多级压气机模化系统，其特征在于，在所述摩擦因子修正模块中，公式采用：

式中D_f为摩擦因子，L为级总长度，D为级外径，g为重力加速度，U₂表示叶轮圆周速度，

表示摩擦损失；其中摩擦因子D_f通过下式获得：

D_f ^-0.5+2log₁₀{e/3.7+(2.51/Re)D_f ^-0.5}＝0

式中，e为表面粗糙度，Re为雷诺数，log₁₀表示以10为底的对数；反复迭代计算。

Images