CN115935833A

CN115935833A - 一种获取压气机特性的方法和装置

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Publication number: CN115935833A
Application number: CN202310067134.4A
Authority: CN
Inventors: 李加桉; 王宝潼; 魏杰; 温孟阳; 郑新前
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2023-01-12
Filing date: 2023-01-12
Publication date: 2023-04-07

Abstract

一种获取压气机特性的方法和装置，所述方法包括：根据压气机的压缩系统建立气体动力学模型；所述模型包括所述压缩系统的上下游管路系统的参数；设定压气机工作的多个转速，对于所设定的每个转速分别进行如下操作：调整所述气体动力学模型的预定参数直至压气机在该转速下进入喘振工况，并获得所述压气机在至少一个完整的喘振循环过程下的性能数据；其中，所述性能数据是指表征所述压气机性能的物理量的数据；根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线。

Description

一种获取压气机特性的方法和装置

技术领域

本文涉及压气机技术领域，尤指一种获取压气机特性的方法和装置。

背景技术

压气机广泛应用于航空发动机、涡轮增压器以及输气管路等场景。其主要作用为通过叶轮机械的旋转做功，实现对流体的增压，进而为下游其他部件输出高压气体。在针对上述工业系统开展压气机设计时，需要评估压气机性能，通常采用压气机通用特性曲线用于表征一台压气机的性能。随着材料、设计方法等方面的进步，压气机朝着高负荷、宽工况范围的方向发展。例如，为了满足发动机在不同转速、不同工况下的特性，在设计之初就需要把压气机全寿命周期内可能遇到的工况考虑在内。因此，对于一台先进的压气机，在设计时需要评估在多条转速、多个工况下的特性。

当前获取压气机通用特性曲线的途径有试验和仿真计算等方式。对于前者，在试验中通过关小阀门，稳定一段时间后，录取压气机性能(如流量、压比、温度等参数)，完成后继续关小阀门，录入其他点数据；仿真计算获取压气机特性的方法与之相似，即改变压气机出口压力，待压气机仿真收敛后，记录该点的性能，然后进一步改变出口边界条件，进行其他点的计算。上述方法需要人工控制每一个点的阀门大小或出口压力，对于需要开展多转速、多工况特性计算的压气机而言，上述过程复杂而又繁琐。并且，现有的方式获取的特性为离散点，对于设计阶段而言，希望获取连续的特性曲线用于评估其性能及与其他部件的匹配关系。获取压气机特性图是压缩系统设计的必经之路，实现对压气机特性简单而又连续的特性获取方法，对于提高设计效率，加快研发进度，具有重要意义。

发明内容

本申请提供了一种获取压气机特性的方法和装置，通过建立气体动力学模型，设定压气机工作的多个转速，对于所设定的每个转速分别获得所述压气机在至少一个完整的喘振循环过程下的性能数据，进而确定当前转速下该压气机的特性曲线。

本申请提供了一种获取压气机特性的方法，所述方法包括：

根据压气机的压缩系统建立气体动力学模型；所述模型包括所述压缩系统的上下游管路系统及压气机的参数；

设定压气机工作的多个转速，对于所设定的每个转速分别进行如下操作：

调整所述气体动力学模型的预定参数直至压气机在该转速下进入喘振工况，并获得所述压气机在至少一个完整的喘振循环过程下的性能数据；其中，所述性能数据是指表征所述压气机性能的物理量的数据；

根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线。

一种示例性的实施例中，所述压缩系统的上下游管路系统的参数包括：进气管道参数、压气机参数、排气管道参数、腔体参数、阀门参数。

一种示例性的实施例中，所述喘振工况表现为：物理量周期性振荡。

一种示例性的实施例中，所述压气机性能的物理量包括：压力、流量和温度。

一种示例性的实施例中，所述调整所述气体动力学模型的参数使压气机工作在喘振工况，包括：

调整所述气体动力学模型中表示下游的阀门开度的参数，使所述压气机进入喘振工况；

其中，所述阀门开度的参数是根据压气机的增压能力和流量确定的。

一种示例性的实施例中，所述阀门开度的参数为：

上述参数中，K_pre为压气机发生喘振的阀门系数，p_max为压气机的最高压比，m_min为最小流量，p_ref是指压气机进口压力。

一种示例性的实施例中，所述根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线，包括：

分别根据所获取的性能数据确定压气机在当前转速下的堵塞点和稳定边界点；

根据所述堵塞点和所述稳定边界点之间的特性数据确定压气机的特性曲线。

一种示例性的实施例中，所述堵塞点为压气机最大流量点；

所述稳定边界点为最高压比点。

一种示例性的实施例中，所述特征曲线由横坐标是流量、纵坐标是特征数据所构成的曲线。

本申请还提供了一种获取压气机特性的装置，所述装置包括：存储器和处理器；所述存储器用于保存进行获取压气机特性的程序，所述处理器用于读取执行所述用于进行获取压气机特性的程序，执行上述实施例中任一项所述的方法。

与相关技术相比，本申请提供一种获取压气机特性的方法和装置，所述方法包括：根据压气机的压缩系统建立气体动力学模型；所述模型包括所述压缩系统的上下游管路系统的参数；设定压气机工作的多个转速，对于所设定的每个转速分别进行如下操作：调整所述气体动力学模型的预定参数直至压气机在该转速下进入喘振工况，并获得所述压气机在至少一个完整的喘振循环过程下的性能数据；其中，所述性能数据是指表征所述压气机性能的物理量的数据；根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线。通过本发明的技术方案，建立气体动力学模型，对于所设定的每个转速分别进行调整所述气体动力学模型的预定参数使压气机在该转速下进入喘振工况，并获得压气机的喘振工况下的性能数据，最终确定当前转速下该压气机的特性曲线。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的获取压气机特性的方法流程图；

图2为本申请实施例的获取压气机特性的装置示意图；

图3是一些示例性实施例中传统特性曲线获取方法示意图；

图4是一些示例性实施例中基于喘振圈的压气机特性获取方法流程图；

图5是一些示例性实施例中压缩系统的上下游管路系统模型示意图；

图6是一些示例性实施例中压气机压比特性变化过程示意图；

图7是一些示例性实施例中压气机工作点变化过程示意图；

图8是一些示例性实施例中基于喘振圈获取的特性线示意图；

图9是一些示例性实施例中结果对比示意图。

具体实施方式

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

传统的压气机通用特性曲线获取方法如图3所示，其主要流程为：首先建立压气机的模型，该模型可以为一维、二维、三维模型，作用是模拟压气机的流动特性；设定模型至所关注的转速，设定压气机出口边界条件，等数值计算收敛后，记录压气机的流量、压比等特性；继续改变压气机出口的边界条件以改变压气机的工作点，重复上述过程进一步获取不同工况下的特性；当计算至某一压力下，无法继续计算(表现为数值发散或表现出其他失稳特征)，则说明在该转速下已经达到稳定边界；改变转速至其他所关注的转速，直至完成所有转速的计算。

当前技术存在以下缺点：

1.操作繁琐，不同人员操作获取的结果有所差异。如上所述，工况的改变需要控制出口压力或阀门开度，这一过程取决于操作人员的经验，因此不同人员采取的参数或者控制的力度有所不同，导致试验结果产生差异，且操作过程中需要频繁的修改参数或操作阀门，容易出错。

2.获取的特性为离散的点，不利于设计人员使用。完成压气机设计后，需要对压气机的特性进行拟合，虽然更多的点会提高拟合的精度，但会带来试验或仿真成本的增加。

为了解决上述问题，提供一种获取压气机特性的方法。

本公开实施例提供了一种获取压气机特性的方法，如图1所示，方法包括步骤S100-S120，具体如下：

S100.根据压气机的压缩系统建立气体动力学模型；所述模型包括所述压缩系统的上下游管路系统的参数；

S110.设定压气机工作的多个转速，对于所设定的每个转速分别进行如下操作：

S120.根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线。

在本实施例中，性能数据是指表征压气机性能的物理量的数据。

一种示例性的实施例中，压气机的压缩系统包括：进气管道、压气机、排气管道、腔体、排气阀门。气体动力学模型包括：进气管道模型、压气机模型、腔体模型、排气管道模型、排气阀门模型，上述模型可以采用三维URANS模型、一维NS模型，集总参数模型等；例如：上下游管道及阀门等，可以采用三维URANS模型，一维NS模型，集总参数模型等；压气机可以采用三维URANS模型，激盘模型，平均线模型，体积力模型等。

该压缩系统的上下游管道系统的参数包括：进气管道参数、压气机参数、排气管道参数、腔体参数、阀门参数。

在本实施例中，该获取压气机特性的方法中压气机包含但不限于离心压气机、轴流压气机、轴流离心组合压气机等不同构型的压气机；对于仿真获取喘振特性的方式，仿真的方法不做具体要求，可以为一维、二维、三维等不同维度的特性计算方法，也可采用不同维度相结合的方法。

一种示例性的实施例中，喘振工况表现为：物理量周期性振荡；即将排气阀门的开度减小时，表征压气机性能的物理量出现了大幅度周期性的振荡，说明此时压气机进入喘振工作状态。

一种示例性的实施例中，表征压气机性能的物理量可以包括以下一种或多种：压力、流量和温度。

一种示例性的实施例中，调整所述气体动力学模型的参数使压气机工作在喘振工况，包括：

调整所述气体动力学模型中表示下游的阀门开度的参数，使所述压气机进入喘振工况；其中，所述阀门开度的参数是根据压气机的增压能力和流量确定的。

其中，阀门开度的参数为：

上述公式中，K_pre为压气机发生喘振的阀门系数，p_max为压气机的最高压比，m_min为最小流量，p_ref是指压气机进口压力，该压气机进口压力是指大气压力。

一种示例性的实施例中，根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线，包括：

分别根据所获取的性能数据确定取压气机在当前转速下的堵塞点和稳定边界点；

一种示例性的实施例中，所述堵塞点为压气机最大流量点；

所述稳定边界点为最高压比点。

一种示例性的实施例中，所述特征曲线为横坐标为流量，纵坐标是其他特征数据所构成的曲线。

本公开实施例还提供了一种获取压气机特性的装置，如图2所示，所述装置包括：存储器210和处理器220；所述存储器210用于保存进行获取压气机特性的程序，所述处理器220用于读取执行所述用于进行获取压气机特性的的程序，执行上述实施例中任一项所述的方法。

示例一

为了解决上述问题，提供一种基于喘振圈的压气机特性获取方法，该方法实现的主要流程如图4所示。

图4展示了使用仿真途径获取压气机特性曲线的方法，其主要流程如下：

S1.建立压气机的仿真模型，该模型包括所述压缩系统的上下游管路系统的参数；

S2.设定模型的转速，使其工作在所期望的转速下；

S3.调整模型参数其工作在喘振工况下，参数调整过程如下：所建立的模型考虑了下游的阀门特性，调整模型中的阀门开度参数，使压气机工作进入喘振工况；

S4.压气机工作进入喘振工况下，获得所述压气机在至少一个完整的喘振循环过程下的性能数据；

S5.基于获取的喘振圈提取压气机特性；

S6.调整压气机的转速，重复S3-S5过程，获取所有期望转速下的压气机特性。

在本示例中：

1.基于获取的喘振圈，找到堵塞点和失稳点，提取之间的特性数据作为压气机特性；其中，堵塞点可以以最大流量点、效率低于某个阈值等判据进行判断，失稳边界点可以以最高压比点等判据进行判断；

2.上述示例中喘振圈应包含至少一个完整的喘振周期；

3.上述在数值仿真计算中所建立的模型需要包含上下游管路系统参数和压气机参数，且仿真为非定常的数值计算；

4.上述喘振圈也可通过试验获取，在试验中，关小阀门至发生喘振，采用动态传感器记录至少一个喘振周期的性能数据。

示例二

下面以一台压气机为例，介绍通过仿真的方式获取喘振圈，进而提取压气机特性的具体操作流程。下述压气机为一台离心压气机，基于本申请实施例中获取压气机特性的方法的流程如下所示：

S1.建立模型，该模型如图5所示，包含压气机和其上下游管道、容腔、阀门等部件的仿真模型；在本示例中，对该压气机建立三维非定常雷诺平均(URANS)仿真模型、对上下游部件系统建立一维模型。

S2.设定模型的转速参数；

S3.基于该模型获取喘振特性，具体操作步骤为：

S31.预估使压气机发生喘振的阀门大小。在本案例中，采用公式(1)对阀门进行建模，式中ΔP表示经过阀门的压降，K是表征阀门开度的系数，m表示流经阀门的流量，该模型所对应的物理意义为：阀门的压降与流经阀门流量的二次方成正比，该模型广泛用于阀门的建模。式中K越大，表示压降越大，对应的物理意义为阀门打开程度越小。在实际应用时，首先预估压气机的最高压比p_max和最小流量m_min，通过公式(2)预估可发生喘振的阀门系数K_pre；

ΔP＝Km² (1)

S32.将上述获取的阀门系数K_pre输入到压气机模型，如果未发生喘振，则调大阀门系数直至喘振；

S33.开展数值计算，记录喘振循环中的压气机性能，在本案例中，获取的压气机压比性能随时间变化如图6所示，通常会将压气机特性画在压比-流量特性曲线上，在该过程中，压气机的工作点为图7所示。

S4.基于获取的喘振圈提取压气机特性，具体操作流程为：

S41.识别堵塞点：在本案例中，以最大流量点作为堵塞点的特征进行识别，在图7中，B点即为本实施例中的堵塞点；

S42.识别稳定边界点：在本案例中，以最高压比点作为稳定边界点的特征进行识别，在图7中，A点即为本实施例中的稳定边界点；

S43.获取堵塞点和稳定边界点之间的特性曲线作为压气机的特性曲线，如图8所示。

S5.调整模型至其他期望转速，重复步骤S3和S4，获取其他转速下的特性数据。

在本实施例中，所提出的一种基于喘振圈的压气机特性获取方法，其主要技术原理为：在喘振过程中，压力恢复阶段通常可分为四个阶段，其中重新增压阶段被认为是准稳态过程，即在该过程中，压气机沿着其特性线移动，因此通过获取整个喘振循环中的压气机性能变化，即可提取压气机的特性曲线；具有以下技术效果：

一、该获取压气机特性的方法操作简单；

针对压气机每个转速下，只需要人工进行少量操作即可获取压气机的特性。如图9所示，以计算一条特性线为例，通常拟合一条特性线，需要计算10个点，而通过本实施例中的获取压气机特性的方法，则只需要调整1-2次阀门系数即可；当通过试验获取喘振圈时，传统方法需要控制至少10次下游阀门开度，以获取合适的特性，而通过本实施例中的获取压气机特性的方法，只需要通过减小阀门使其进入喘振，记录至少一个喘振过程的特性，即可提取压气机特性。从另一个角度讲，试验中减小了操作的次数和试验时间，对于减小试验的燃料动力消耗具有重要作用。传统试验中也需要做到喘振，因此相比于传统方法，不会给试验件带来更多的危害。

二、该获取压气机特性的方法更加精准；

图9展示了本实施例中获取压气机特性的方法与传统方法的结果对比，堵塞流量的偏差为0.3％，最高压比偏差为1.5％。对于仿真，传统方法采用的定常仿真一般会过高估计压气机的性能，如前所述在计算喘振圈的过程中需要采用非定常的仿真，因此会考虑更多的非定常现象对压气机性能的影响，所以非定常的计算方法会使得计算结果与试验更加接近。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims

1.一种获取压气机特性的方法，其特征在于，所述方法包括：

根据压气机的压缩系统建立气体动力学模型；所述模型包括所述压缩系统的上下游管路系统的参数；

2.根据权利要求1所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，所述压缩系统的上下游管路系统的参数包括：进气管道参数、压气机参数、排气管道参数、腔体参数、阀门参数。

3.根据权利要求2所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，所述喘振工况表现为：物理量周期性振荡。

4.根据权利要求3所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，所述压气机性能的物理量包括：压力、流量和温度。

5.根据权利要求4所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，

所述调整所述气体动力学模型的参数使压气机工作在喘振工况，包括：

6.根据权利要求5所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，

所述阀门开度的参数为：

7.根据权利要求6所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，所述根据所获取的性能数据确定当前转速下该压气机的特性曲线，包括：

8.根据权利要求7所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，

所述堵塞点为压气机最大流量点；

所述稳定边界点为最高压比点。

9.根据权利要求7所述的获取压气机特性的方法，其特征在于，所述特征曲线为横坐标为流量、纵坐标为特征数据所构成的曲线。

10.一种获取压气机特性的装置，所述装置包括：存储器和处理器；其特征在于，所述存储器用于保存进行获取压气机特性的程序，所述处理器用于读取执行所述用于进行获取压气机特性的程序，执行权利要求1-9任一项所述的方法。