CN114444331B - 一种多级轴流压气机的级特性匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压气机性能仿真领域，涉及一种多级轴流压气机的级特性匹配方法,包括选择级特性一维计算参数；获取多级轴流压气机各级转子叶片上进口方向且位于中经位置的级特性一维计算参数值；定义多级轴流压气机第一级的级特性一维计算参数值为进口条件，定义第一级外其他级的级特性一维计算参数值为进口边界条件；计算第一级外其他级的单级特性值，计算第一级的单级特性值和多级轴流压气机的联算级特性值；用联算级特性值和单级特性值绘制多级轴流压气机各级的级特性分析曲线；对多级轴流压气机的级间参数匹配进行判断。本发明设计的级特性匹配方法能够快速分析多级轴流压气机设计方案中的级特性匹配，对压气机级间参数匹配性的判断有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于压气机性能仿真领域，涉及多级轴流压气机级匹配设计及分析技术，具体涉及一种多级轴流压气机的级特性匹配方法。
背景技术
轴流式压气机是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片将从周围大气中吸入空气进行增压后供给燃烧室的部件，为了生成高压空气常在主轴轴向装有多级叶轮形成多级轴流压气机。且随着新一代先进战斗机大功率状态高单位推力和部分功率状态低耗油率的要求，航空先进国家的有关研究机构开展了带核心机驱动风扇级（Core Driven FanStage，简称CDFS）的发动机研制和设计工作，并在工程中实现了应用。
CDFS是在双涵道中将风扇部件分为前后两部分，前一部分由低压涡轮驱动，后一部分由核心机（即高压涡轮驱动），因此将由核心机驱动的风扇级称为核心机驱动风扇级。CDFS与压气机串装设计中，CDFS与压气机在同一根轴上，且两者之间存在一个第二涵道，因此工作时会出现物理转速一致而物理流量不一致的情况，因此只有解决了CDFS与压气机之间的匹配问题才能确保CDFS串装压气机稳定、高效工作。
在多级轴流压气机和CDFS串装压气机设计中，级间参数匹配是设计工作的重中之重，也是最困难的部分。任意级的参数选择不合适将导致该级的性能降低，甚至影响其他多排叶片的运行状况，使其运行参数与设计参数偏离，从而导致压气机整机性能无达到设计目标，目前通常采用三维方法对进行级特性匹配分析，虽然其分析结果比较精确，但是存在设计复杂难度大、计算速度慢效率低等问题。
发明内容
为了解决多级轴流压气机的级间性能匹配分析设计复杂、难度大、效率低的问题，本发明公开了一种简便、快速、高效、准确的多级轴流压气机的级特性匹配方法，其采用一维特性计算程序，能够快速分析多级轴流压气机中级特性匹配，对压气机级间参数匹配性的判断有重要作用。
实现发明目的的技术方案如下：一种多级轴流压气机的级特性匹配方法,包括以下步骤：
步骤1、在S2流面设计过程中，选择多级轴流压气机的级特性一维计算参数；
步骤2、获取多级轴流压气机各级转子叶片上进口方向且位于中经位置的级特性一维计算参数值；
步骤3、定义多级轴流压气机第一级的级特性一维计算参数值为进口条件，并定义多级轴流压气机第一级外其他级的级特性一维计算参数值为进口边界条件；
步骤4、基于进口边界条件计算第一级外其他级的单级特性值，基于进口条件计算第一级的单级特性值和多级轴流压气机的联算级特性值；
步骤5、基于联算级特性值和单级特性值，绘制多级轴流压气机各级的级特性分析曲线；
步骤6、依据多级轴流压气机各级的级特性分析曲线，对多级轴流压气机的级间参数匹配进行判断。
本发明设计的多级轴流压气机的级特性匹配方法的原理是：根据一维特性计算方法，计算多级轴流压气机各单级特性和整台压气机的联算级特性，将单级特性和联算级特性绘制到同一个图中形成级特性分析曲线，可以对多级轴流压气机各个级的匹配性能进行快速高效的分析，对轴流压气机级间参数匹配性的判断有重要作用。
进一步的，上述步骤1中，级特性一维计算参数包括进口总温、总压、绝对气流角、物理转速。
进一步的，上述步骤5中，多级轴流压气机各级的级特性分析曲线包括级压比π * 随流量系数φ变化的第一级特性分析曲线、级绝热效率η随流量系数φ变化的第二级特性分析曲线、级负荷系数ψ随流量系数φ变化的第三级特性分析曲线中任意一个或多个，其中φ=V x /U t ，
，V x 为转子叶片进口轴向速度，U t 为叶尖切线速度,∆H为轮缘功。
进一步的，上述步骤6中，多级轴流压气机的级间参数匹配判断方法为：
步骤6中，多级轴流压气机的级间参数匹配判断方法为：
基于第一级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的增压能力进行判断，若联算级特性值的最高压比点越接近单级特性值的最高压比点，则判断该级的级特性匹配好；
和/或，基于第二级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的能量转化效率进行判断，若联算级特性值与单级特性的高效率区重合度高，则判断该级的级特性匹配好；
和/或，基于第三级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的转子叶片的加功量进行判断，若联算级特性值位于单级特性值的负荷系数适中的，则判断该级的级特性匹配好。
在判断出多级轴流压气机的级特性匹配结果后，为了对级特性匹配度不好的某一个或多个级进行调整，在上述多级轴流压气机的级特性匹配方法的一个改进实施例中，上述级特性匹配方法还包括步骤7，修改压气机设计参数进行设计方案优化，并依据步骤2~步骤6重新进行级间参数匹配判断，通过对压气机设计参数进行修改，使得多级轴流压气机的级特性匹配达到设计要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的多级轴流压气机级特性匹配分析方法，能够快速分析多级轴流压气机设计方案级特性匹配，对压气机级间参数匹配性的判断有重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为具体实施方式中多级轴流压气机的级特性匹配方法的一种流程图；
图2为具体实施方式中单级特性和联算级特性对比示意图，其中（a）为第一级特性分析曲线，（b）为第二级特性分析曲线，（c）为第三级特性分析曲线示意图；
图3为具体实施方式中多级轴流压气机的级特性匹配方法的第二种流程图；
图4为CDFS串装四级压气机单级特性和联算级特性对比第一级特性分析曲线示意图，其中（a´）为CDFS串装四级压气机第一级的第一级特性分析曲线，（b´）为CDFS串装四级压气机第二级的第一级特性分析曲线、（c´）为CDFS串装四级压气机第三级的第一级特性分析曲线，（d´）为CDFS串装四级压气机第四级的第一级特性分析曲线，（e´）为CDFS串装四级压气机第五级的第一级特性分析曲线；
图5为CDFS串装四级压气机单级特性和联算级特性对比第二级特性分析曲线示意图，其中（a´）为CDFS串装四级压气机第一级的第二级特性分析曲线，（b´）为CDFS串装四级压气机第二级的第二级特性分析曲线、（c´）为CDFS串装四级压气机第三级的第二级特性分析曲线，（d´）为CDFS串装四级压气机第四级的第二级特性分析曲线，（e´）为CDFS串装四级压气机第五级的第二级特性分析曲线；
图6为CDFS串装四级压气机单级特性和联算级特性对比第三级特性分析曲线示意图，其中（a´）为CDFS串装四级压气机第一级的第三级特性分析曲线，（b´）为CDFS串装四级压气机第二级的第三级特性分析曲线、（c´）为CDFS串装四级压气机第三级的第三级特性分析曲线，（d´）为CDFS串装四级压气机第四级的第三级特性分析曲线，（e´）为CDFS串装四级压气机第五级的第三级特性分析曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本具体实施方式公开了一种多级轴流压气机的级特性匹配方法,参见图1所示，包括以下步骤：
步骤1、在S2流面设计过程中，选择多级轴流压气机的级特性一维计算参数。
本步骤中，级特性一维计算参数包括进口总温、总压、绝对气流角、物理转速。在此需要说明的是，级特性一维计算参数除包括上述4个参数外，还包括叶片几何形状参数、转子进出口叶片角、静子进出口叶片角、挠度位置、稠度等参数。本步骤选用选用进口总温、总压、绝对气流角、物理转速4个参数进行级特性匹配计算，是进行级特性匹配计算特别是单级特性计算所需要重点关注的参数，其取值的合理性直接决定了级特性计算的精度。
压气机设计中，通常将从一个叶片到另一个叶片之间的流面称为S1流面，将从叶根到叶尖的流面称为S2流面，S1流面气动设计和S2流面气动设计是压气机气动设计中两个重要组成部分。
步骤2、获取多级轴流压气机各级转子叶片上进口方向且位于中经位置的级特性一维计算参数值。
本步骤中，转子叶片中经位置指的是：沿叶根至叶尖方向将转子叶片划分出多根叶片流线，位于中间的一根叶片流线即为中经位置，例如沿叶根至叶尖方向将转子叶片划分出13根叶片流线，则第7根叶片流线即为转子叶片中经位置。
步骤3、定义多级轴流压气机第一级的级特性一维计算参数值为进口条件，并定义多级轴流压气机第一级外其他级的级特性一维计算参数值为进口边界条件。
步骤4、基于进口边界条件计算多级轴流压气机第一级外其他级的单级特性值，依据进口条件计算多级轴流压气机第一级的单级特性值和多级轴流压气机的联算级特性值。
在此需要说明的是：虽然计算第一级的单级特性和联算级特性都采用进口条件计算的，但是由于第一级的单级特性是对两排叶片进行计算的，而整台压气机联算后取出的第一级特性是不同的，因此两者是不一样的。
步骤5、基于联算级特性值和单级特性值，绘制多级轴流压气机各级的级特性分析曲线。
具体的，多级轴流压气机各级的级特性分析曲线包括第一级特性分析曲线、第二级特性分析曲线、第三级特性分析曲线中任意一个或多个，定义的上述3个级特性分析曲线分别对应压气机级增压能力、能量转化效率、加功能力三个最重要的指标，在压气机设计中通常用级压比π * 、级绝热效率η、级负荷系数ψ三个无量纲参数表征上述三个性能指标；同时在压气机设计中，常用无量纲系数：级进口流量系数φ来表示级进口流量的变化。通过绘制级压比π*、级绝热效率η、级负荷系数ψ随流量系数φ的变化曲线，来反映压气机级的增压能力、能量转化效率、加功能力随级进口流量变化的变工况性能。
其中，第一级特性分析曲线为级压比π * 随流量系数φ变化的特性曲线，表示为：π * = f(φ)。
第二级特性分析曲线为级绝热效率η随流量系数φ变化的特性曲线，表示为：η=f (φ)。
第三级特性分析曲线为级负荷系数ψ随流量系数φ变化的特性曲线，表示为：ψ=f (φ)。
其中，φ=V x /U t ，
，V x 为转子叶片进口轴向速度，U t 为叶尖切线速度,∆H为轮缘功（即轴流式压气机单级叶轮对每千克空气做的功）。
在本步骤中，在绘制各级的级特性分析曲线时，将联算级特性值和单级特性值绘制在一张图中，分别形成第一级特性分析曲线、第二级特性分析曲线、第三级特性分析曲线，参见图2所示，图2中虚线代表单级特性,实线代表联算级特性值。
步骤6、依据各级的级特性分析曲线，对多级轴流压气机的级间参数匹配进行判断。
具体的，多级轴流压气机的级间参数匹配判断方法为：多级轴流压气机的级间参数匹配判断包括对根据第一级特性分析曲线、第二级特性分析曲线、第三级特性分析曲线中的一个或多个进行分析判断。
具体的，根据第一级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的增压能力进行判断，若联算级特性值的最高压比点越接近单级特性值的最高压比点，则判断该级的级特性匹配好，即通过绘制联算级特性值和单级特性的第一级特性分析曲线，可以清晰的判断各级增压能力的发挥程度，一般情况下，整台压气机环境中的联算级特性的最高压比点越接近单级特性的最高压比点，级特性匹配越好。
根据第二级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的能量转化效率进行判断，若联算级特性值与单级特性的高效率区重合度高，则判断该级的级特性匹配好，即通过绘制绘制联算级特性值和单级特性的第二级特性分析曲线，可以清晰级判断各级效率随流量系数的变化情况，一般情况下，整台压气机环境中的联算级特性越和单级特性的高效率区重合越多，级特性匹配越好。
根据第三级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的转子叶片的加功量进行判断，若联算级特性值位于单级特性值的负荷系数适中的，则判断该级的级特性匹配好。即通过绘制绘制联算级特性值和单级特性的第三级特性分析曲线，可以清晰级判断各级转子叶片加功量随流量系数的变化情况，一般情况下，整台压气机环境中的联算级特性处于单级特性负荷系数适中的，级特性匹配较好。
在判断出多级轴流压气机的级特性匹配结果后，为了对级特性匹配度不好的某一个或多个级进行调整，在上述多级轴流压气机的级特性匹配方法的一个改进实施例中，参见图3所示，上述级特性匹配方法还包括：
步骤7、修改压气机设计参数进行设计方案优化，并依据步骤2~步骤6重新进行级间参数匹配判断，通过对压气机设计参数进行修改，使得多级轴流压气机的级特性匹配达到设计要求。
本发明设计的多级轴流压气机的级特性匹配方法的原理是：根据压气机一维特性计算方法可以实现多级轴流压气机各单级特性和整台压气机中联算级特性的计算，并采用定义的三个级特性分析曲线分别对压气机级增压能力、能量转化效率、加功能力进行判断，可以快速分析多级轴流压气机设计方案级特性匹配，对轴流压气机级间参数匹配性的判断有重要作用。
上述多级轴流压气机的级特性匹配方法可以对四级轴流压气机进行级间参数匹配分析，也可以对CDFS与四级轴流压气机串装形成的串装压气机进行级间参数匹配分析。
以下通过CDFS串装四级高压压气机为例，对本具体实施方式的多级轴流压气机的级特性匹配方法进行更加详细的描述，需要说明的，串装压气机中，CDFS即为串装压气机的第一级，四级高压压气机的一级至四级则依次为串装压气机的第二级至第五级。
1.根据S2流面设计，提取转子叶片进口方向且位于中经位置的进口总温T * i 、总压P * i 、进口气流角α * i 、物理转速N i 作为级特性一维计算参数，其中i表示第i级（i为整数，且5≥i≥1）。
2.将CDFS串装四级高压压气机的第一级至第五级（i=1~5）的进口总温T * i 、总压P * i 、进口气流角α * i 、物理转速N i 作为进口边界条件，运行一维特性计算程序，逐级开展CDFS串装四级高压压气机各级一维特性计算，得到CDFS串装四级高压压气机各级单独计算的无量特性参数，命名为“单级特性”。
3.将CDFS串装四级高压压气机的第一级（即CDFS，i=1）的进口总温T * i 、总压P * i 、进口气流角α * i 、物理转速N i 作为边界条件，运行一维特性计算程序，CDFS串装四级高压压气机部件一维特性计算，将计算结果中的CDFS串装四级高压压气机各级无量纲级特性，命名为“联算级特性”。
.将计算得到的“单级特性”和“联算级特性”绘制在同一张图中，分别得到级压比π * 随流量系数φ变化的第一级特性分析曲线，参见图4所示；级绝热效率η随流量系数φ变化的第二级特性分析曲线，参见图5所示；级负荷系数ψ随流量系数φ变化的第三级特性分析曲线，参见图6所示。
5.依据图4~图6的级特性分析曲线，对CDFS串装四级高压压气机的级间参数匹配进行判断。从图4的第一级特性分析曲线可见，在第五级（四级高压压气机的第四级）联算级特性的最高压比点距离单级特性的最高压比点较远，说明在整台压气机中该级工作在近堵塞区，级增压能力没有得到充分发挥；而其他级联算级特性的最高压比点接近单级特性最高压比点，增压能力得到充分发挥，匹配较好。从图5的第二级特性分析曲线可见，第一级（即CDFS）联算级特性匹配在单级特性的左支，说明整台压气机中该级匹配在效率逐步降低的局部失速区,需要进一步优化级间参数匹配。从图6的第三级特性分析曲线可见，联算级特性基本匹配在单级特性负荷系数适中的位置，各级转子加功量匹配较好。通过单级特性和联算级特性的对比，能够很直观地观察出在串装环境中CDFS和四级高压压气机各级的匹配状态，设计人员可根据设计需要调整设计参数使各级都匹配在更合适的位置，充分发挥各级性能潜力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种多级轴流压气机的级特性匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在S2流面设计过程中，选择多级轴流压气机的级特性一维计算参数；
步骤2、获取多级轴流压气机各级转子叶片上进口方向且位于中经位置的级特性一维计算参数值；
步骤3、定义多级轴流压气机第一级的级特性一维计算参数值为进口条件，并定义多级轴流压气第一级外其他级的级特性一维计算参数值为进口边界条件；
步骤4、基于进口边界条件计算多级轴流压气机第一级外其他级的单级特性值，基于进口条件计算多级轴流压气机第一级的单级特性值和多级轴流压气机的联算级特性值；
步骤5、基于联算级特性值和单级特性值，将联算级特性值和单级特性值绘制在一张图中形成多级轴流压气机的级特性分析曲线，级特性分析曲线包括级压比π * 随流量系数φ变化的第一级特性分析曲线、级绝热效率η随流量系数φ变化的第二级特性分析曲线、级负荷系数ψ随流量系数φ变化的第三级特性分析曲线中任意一个或多个，φ=V x /U t ，
，V x 为转子叶片进口轴向速度，U t 为叶尖切线速度,ΔH为轮缘功；其中，第一级特性分析曲线对应压气机级增压能力，表示为π * =f(φ)；第二级特性分析曲线对应压气机能量转化效率，表示为η=f(φ)；第三级特性分析曲线对应压气机加功能力，表示为ψ=f(φ)；
步骤6、依据多级轴流压气机各级的级特性分析曲线，对多级轴流压气机的级间参数匹配进行判断。
2.根据权利要求1所述的多级轴流压气机的级特性匹配方法，其特征在于，步骤1中，级特性一维计算参数包括进口总温、总压、绝对气流角、物理转速。
3.根据权利要求1所述的多级轴流压气机的级特性匹配方法，其特征在于，步骤6中，多级轴流压气机的级间参数匹配判断方法为：
基于第一级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的增压能力进行判断；
和/或，基于第二级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的能量转化效率进行判断；
和/或，基于第三级特性分析曲线，对多级轴流压气机各级的转子叶片的加功量进行判断。
4.根据权利要求1~3任一项所述的多级轴流压气机的级特性匹配方法，其特征在于，多级轴流压气机的级特性匹配方法还包括步骤7，修改压气机设计参数进行设计方案优化，并依据步骤2~步骤6重新进行级间参数匹配判断。
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