CN116542077B - 一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法，包括获取多级轴流压气机各级的全转速特性曲线；依据各级全转速特性曲线，以及进口流场参数，计算级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线；提取绝热效率最高点对应的第一流量系数以及第一流量系数对应的第一压力系数；基于共同工作线和各级的全转速特性曲线，提取各级各转速下的工作点；依据工作点各级进口流场参数，提取第二流量系数和第二压力系数；依据第一流量系数、第一压力系数、第二流量系数、以及第二压力系数，计算级间匹配偏离表征指数。上述方法能够准确表征多级轴流压气机的各级的匹配偏离程度，以达到为多级轴流压气机的匹配优化提供设计支撑。

Description

一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法
技术领域
本发明属于高压压气机领域，涉及多级轴流压气机气动设计和数据分析技术，具体涉及一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法。
背景技术
高压压气机是涡轮发动机的重要部件，具有技术含量高、设计难度大、研制周期长等特点，是发动机研制中的关键环节。高压压气机的设计成功与否关键在于压气机各级之间匹配是否良好，一台设计良好的压气机，压气机各级的工作点都匹配在较好的位置，比如：压气机的各级如果都工作在高效率区附近，则压气机的总效率较高；当压气机总压比提高时，各级的级压比同步提高；当整台压气机逼近喘振边界时，压气机的各级也接近各自的边界。因此，压气机设计完成后，通常通过需要对内部的级间匹配进行检查，检查其是否与设计预期相符。
目前，多级轴流压气机的级间匹配一般采用三维软件计算各级的级特性，并将级特性曲线上的工作点压比与压比的设计目标值进行对比分析，存在无法定量计算各级偏离最佳匹配的问题。
发明内容
本发明为了准确表征多级轴流压气机的各级的匹配偏离程度，以达到为多级轴流压气机的匹配优化提供设计支撑的目的，设计了一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法。
实现发明目的的技术方案如下：一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法，定义级绝热效率特性曲线、级压力系数曲线、级特性曲线，所述级间匹配表征方法包括：
步骤1、获取多级轴流压气机各级的全转速特性曲线；
步骤2、依据各级的全转速特性曲线以及各级各转速下的进口流场参数，计算各级各转速下的级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线；
步骤3、基于级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线，提取各级各转速下绝热效率最高点对应的第一流量系数以及第一流量系数对应的第一压力系数；
步骤4、基于多级轴流压气机共同工作线和各级的全转速特性曲线，提取各级各转速下的工作点；
步骤5、依据工作点的各级进口流场参数，提取各级各转速的第二流量系数和第二压力系数；
步骤6、依据第一流量系数、第一压力系数、第二流量系数、以及第二压力系数，计算各级各转速下的级间匹配偏离表征指数。
进一步地，所述级绝热效率特性曲线为级绝热效率随流量系数变化的曲线，所述级压力系数曲线为级压力系数随流量系数变化的曲线，所述级特性曲线为多级轴流压气机中各级的级压比随进口流量变化的曲线。
进一步地，步骤1中，所述全转速特性曲线采用三维仿真方法计算或者采用试验方式获取。
进一步地，步骤2中，所述进口流场参数包括各级进口的平均轴向速度和叶中切线速度。
进一步地，所述流量系数为平均轴向速度与叶中切线速度的比值，所述级压力系数为各级绝热等熵压缩功与叶中切线速度平方的比值。
进一步地，步骤4中，基于多级轴流压气机共同工作线和各级的全转速特性曲线，提取各级各转速下的工作点，包括：
提取压气机共同工作线与各级的全转速特性曲线之间的交点作为各级各转速的工作点。
进一步地，步骤5中，所述工作点各级进口流场参数包括工作点对应的各级进口的平均轴向速度和叶中切线速度。
进一步地，步骤6、依据第一流量系数、第一压力系数、第二流量系数、以及第二压力系数，计算各级各转速下的级间匹配偏离表征指数的公式为：，其中，S为各级的级间匹配偏离度，/>为各级的第一流量系数，/>为各级的第一压力系数，/>为各级的第二流量系数，/>为各级的第二压力系数。
在一个改进的实施例中，所述级间匹配表征方法还包括：
步骤7、依据各级各转速下的级间匹配偏离表征指数，判断多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度。
进一步地，步骤7中，依据各级各转速下的级间匹配偏离表征指数，判断多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度，包括：
设置偏离度阈值；当级间匹配偏离表征指数的绝对值≤偏离度阈值时，则多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度满足设计要求；当级间匹配偏离表征指数的绝对值＞偏离度阈值时，则多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度不满足设计要求。
再者，本发明通过采用各级各转速下的级间匹配偏离表征指数绘制全转速的匹配表征图，可以依据匹配表征图判断多级轴流压气机的级各转速下的匹配偏离程度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开的多级轴流压气机的级间匹配表征方法，可以通过各级各转速下的级间匹配偏离表征指数绘制全转速的匹配表征图，从匹配表征图中能够直观明了的查看全转速压气机各级各转速下多级轴流压气机的匹配偏离程度，继而为压气机的设计以及试验数据分析提供支撑。
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为本发明实施例中提供的多级轴流压气机的级间匹配表征方法的流程图；
图2为本发明实施例中提供的多级轴流压气机中共同工作线、以及某一级的全转速特性曲线和工作点的示意图；
图3为本发明实施例中提供的多级轴流压气机第5级中如0.7、0.8、0.9、1.0四个转速下的级绝热效率特性曲线的示意图；
图4为本发明实施例中提供的多级轴流压气机第5级中如0.7、0.8、0.9、1.0四个转速下的级压力系数曲线的示意图；
图5为本发明实施例中提供的多级轴流压气机级特性曲线上的最高效率点和工作点所处位置的示意图；
图6为本发明实施例中提供的多级轴流压气机的匹配表征图。
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。
本具体实施方式为了提升多级轴流压气机的级间匹配分析能力，公开了一种多级轴流压气机的级间匹配表征方法，该方法用于指导多级轴流压气机的设计。本具体实施方式通过定义级绝热效率特性曲线、级压力系数曲线、级特性曲线实现对多级轴流压气机的级间匹配表征，参见图1所示，所述级间匹配表征方法包括：
步骤1、获取多级轴流压气机各级的全转速特性曲线；
步骤2、依据各级的全转速特性曲线以及各级各转速下的进口流场参数，计算各级各转速下的级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线；
步骤3、基于级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线，提取各级各转速下绝热效率最高点对应的第一流量系数以及第一流量系数对应的第一压力系数；
步骤4、基于多级轴流压气机共同工作线和各级的全转速特性曲线，提取各级各转速下的工作点；
步骤5、依据工作点各级进口流场参数，提取各级各转速的第二流量系数和第二压力系数；
步骤6、依据第一流量系数、第一压力系数、第二流量系数、以及第二压力系数，计算各级各转速下的级间匹配偏离表征指数。
进一步地，所述级特性曲线为多级轴流压气机中各级的级压比随进口流量变化的曲线，表达式为，其中，Wac为压气机换算到标况的进口流量，Pic为压气机各级的级压比。多级轴流压气机的级全转速特性曲线、共同工作线、以及工作点参见图2所示，且本具体实施方式中全转速包含0.7、0.8、0.9、1.0四个转速，同时需要说明的是全转速不仅仅只包含上述四个转速。
所述级绝热效率特性曲线为级绝热效率随流量系数/>变化的曲线，表达式为。参见图3所示，展示的是多级轴流压气机第5级中如0.7、0.8、0.9、1.0四个转速下的级绝热效率特性曲线。
所述级压力系数曲线为级压力系数随流量系数/>变化的曲线，表达式为，参见图4所示，展示的是多级轴流压气机第5级中如0.7、0.8、0.9、1.0四个转速下的级压力系数曲线。
进一步地，步骤1中，级全转速特性曲线采用三维仿真方法计算或者采用试验方式获取。
进一步地，步骤2中，所述进口流场参数包括各级进口的平均轴向速度和叶中切线速度/>。
进一步地，所述流量系数为平均轴向速度/>与叶中切线速度的比值/>，即表达式为/>。所述级压力系数/>为各级绝热等熵压缩功/>与叶中切线速度平方的比值，即表达式为/>。
进一步地，步骤4中，基于多级轴流压气机共同工作线和各级的全转速特性曲线，提取各级各转速下的工作点，包括：
提取压气机共同工作线与各级的全转速特性曲线之间的交点作为各级各转速的工作点。
进一步地，步骤5中，所述工作点各级进口流场参数与步骤2中所述进口流场参数相同，即包括各级进口平均轴向速度和叶中切线速度/>。
进一步地，步骤6、依据第一流量系数、第一压力系数/>、第二流量系数、以及第二压力系数/>，计算各级各转速下的级间匹配偏离表征指数S的公式为：，参见图5所示，为多级轴流压气机级特性曲线上的最高效率点和工作点所处位置的示意图，图中展示了第一流量系数/>和第二流量系数/>在级绝热效率特性曲线图中的位置。
在一个改进的实施例中，参见图1所示，所述级间匹配表征方法还包括：
步骤7、依据各级各转速下的级间匹配偏离表征指数，判断多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度。
进一步地，步骤7中，依据各级各转速下的级间匹配偏离表征指数，判断多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度，包括：
设置偏离度阈值；当级间匹配偏离表征指数的绝对值≤偏离度阈值时，则多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度满足设计要求；当级间匹配偏离表征指数的绝对值＞偏离度阈值时，则多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度不满足设计要求。
本具体实施方式中，可以通过各级各转速下的级间匹配偏离表征指数绘制全转速的匹配表征图，参见图6所示，展示了多级轴流压气机中第1级至第6级在0.7、0.8、0.9、1.0转速下的匹配表征图，通过全转速的匹配表征图多级轴流压气机的级各转速下的匹配偏离程度进行判断。
上述多级轴流压气机的级间匹配表征方法，可以通过各级各转速下的级间匹配偏离表征指数绘制全转速的匹配表征图，从匹配表征图中能够直观明了的查看全转速压气机各级各转速下多级轴流压气机的匹配偏离程度，继而为压气机的设计以及试验数据分析提供支撑。
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。
此外，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间匹配表征方法，其特征在于，定义级绝热效率特性曲线、级压力系数曲线、级特性曲线，所述级绝热效率特性曲线为级绝热效率随流量系数变化的曲线，所述级压力系数曲线为级压力系数随流量系数变化的曲线，所述级特性曲线为多级轴流压气中各级的级压比随进口流量变化的曲线；
所述级间匹配表征方法包括：
步骤1、获取多级轴流压气机各级的全转速特性曲线；
步骤2、依据各级的全转速特性曲线以及各级各转速下的进口流场参数，计算各级各转速下的级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线，所述进口流场参数包括各级进口的平均轴向速度和叶中切线速度，且所述流量系数为平均轴向速度与叶中切线速度的比值，所述级压力系数为各级绝热等熵压缩功与叶中切线速度平方的比值；
步骤3、基于级绝热效率特性曲线和级压力系数曲线，提取各级各转速下绝热效率最高点对应的第一流量系数以及第一流量系数对应的第一压力系数；
步骤4、基于多级轴流压气机共同工作线和各级的全转速特性曲线，提取各级各转速下的工作点，包括：提取压气机共同工作线与各级的全转速特性曲线之间的交点作为各级各转速的工作点；
步骤5、依据工作点各级进口流场参数，提取各级各转速的第二流量系数和第二压力系数，所述工作点各级进口流场参数包括工作点对应的各级进口的平均轴向速度和叶中切线速度；
步骤6、依据第一流量系数、第一压力系数、第二流量系数、以及第二压力系数，依据公式，其中，S为各级的级间匹配偏离度，/>为各级的第一流量系数，为各级的第一压力系数，/>为各级的第二流量系数，/>为各级的第二压力系数，计算各级各转速下的级间匹配偏离表征指数。
2.根据权利要求1所述的多级轴流压气机的级间匹配表征方法，其特征在于，步骤1中，所述全转速特性曲线采用三维仿真方法计算或者采用试验方式获取。
3.根据权利要求1所述的多级轴流压气机的级间匹配表征方法，其特征在于，所述级间匹配表征方法还包括：
步骤7、依据各级各转速下的级间匹配偏离表征指数，判断多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度。
4.根据权利要求3所述的多级轴流压气机的级间匹配表征方法，其特征在于，步骤7中，依据各级各转速下的级间匹配偏离表征指数，判断多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度，包括：
设置偏离度阈值；当级间匹配偏离表征指数的绝对值≤偏离度阈值时，则多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度满足设计要求；当级间匹配偏离表征指数的绝对值＞偏离度阈值时，则多级轴流压气机的各级间的匹配偏离程度不满足设计要求。
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