CN116757127A - 多级压气机子午流面气动参数计算方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种多级压气机子午流面气动参数计算方法，该方法包括如下步骤：S1.使用计算流体力学方法对各级压气机叶片进行流场求解，得到各排叶片的三维仿真气动结果；S2.通过三维仿真气动结果获取二维仿真气动结果，从二维仿真气动结果获取一维仿真气动结果；S3.通过试验测量方式获取各级进出口截面试验气动参数，并转化为二维试验气动结果；S4.通过二维试验气动结果获取一维试验气动结果；S5.获取一维仿真气动结果与一维试验气动结果的比例系数，将比例系数乘二维仿真气动结果，获得修正二维仿真气动结果。上述计算方法结合了试验数据进行修正，能够获得准确的流场结果，得到更为真实的气动参数。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机的压气机领域，具体涉及压气机叶片气动参数修正领域。
背景技术
航空发动机高压压气机通常采用多级串联的形式，各排叶片几何型面复杂，叶身通常具有弯、掠、扭等较为复杂的几何特征；各级叶片均有独自的气动特征，级与级之间的参数差异非常大；在发动机设计过程中，需要气动专业提供叶片排间的气动参数，如温度、压力等参数，给强度、空气系统等专业，用于计算轮盘、机匣的温度、变形量、压气机转子的轴向力、设计引气流路等操作。
一般地，气动专业通过三维CFD基于求解粘性N-S方程进行流场计算，得到叶片排间的气动参数。通常认为，这种求解比较符合实际情况，但在求解多级压气机时，由于在叶片排与叶片排之间的交界面传递参数时，采用了一些经验模型，如一维非反射、定常掺混面等，导致叶片排间传递的气动参数偏离了真实情况；由于各叶片排之间的计算误差会逐渐累加，导致计算结果与真实情况差异逐渐累加放大，最终求解得到的流场结果误差较大。此外，气动专业提供高压压气机试验测得的级间参数，一般为静子前缘的总温、总压，由于测得的数据较少，且不是静参数，也不能用于强度、空气系统等专业的计算。
因此，当气动专业将带有错误或不够精准的流场结果提供给强度、空气系统等专业后，会导致计算的轴向力、变形量、引气量等也发生错误，进而导致设计的发动机偏离理想设计状态，甚至导致碰磨、超温等故障。
发明内容
本发明的一个目的是提供多级压气机子午流面气动参数计算方法，能够获得更为准确的流场结果，得到更为真实的气动参数。
为实现上述目的的多级压气机子午流面气动参数计算方法包括如下步骤：S1.使用计算流体力学方法对各级压气机叶片进行流场求解，得到各排叶片的三维仿真气动结果；S2.通过所述三维仿真气动结果获取二维仿真气动结果，从所述二维仿真气动结果获取一维仿真气动结果；S3.通过试验测量方式获取各级进出口截面试验气动参数，并转化为二维试验气动结果；S4.通过所述二维试验气动结果获取一维试验气动结果；S5.获取所述一维仿真气动结果与所述一维试验气动结果的比例系数，将所述比例系数乘所述二维仿真气动结果，获得修正二维仿真气动结果。
在一个或多个实施例中，步骤S2中的二维仿真气动结果以叶片纵向截面上的轴向方向和径向方向为维度。
在一个或多个实施例中，在步骤S2中，通过对所述二维仿真气动结果在所在截面取平均的方式获取一维仿真气动结果。
在一个或多个实施例中，在步骤S2中，计算所述叶片纵向截面上的中径值，将其作为一维仿真气动结果。
在一个或多个实施例中，步骤S3中的二维试验气动结果以叶片纵向截面上的轴向方向和径向方向为维度。
在一个或多个实施例中，对所述二维试验气动结果分布采用面积平均的方法获取一维试验气动结果。
在一个或多个实施例中，在步骤S4中，将各级叶片的一维试验气动结果叠加该级叶片的一维仿真气动结果，补全各级叶片进出口参数。
上述多级压气机子午流面气动参数计算方法借助试验测量数据和传统三维CFD计算流场数据，利用系数的方式对传统三维CFD计算流场数据进行修正，可以得到准确、全面的流场结果，提高了设计准确性。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是多级压气机的结构示意图；
图2是多级压气机子午流面气动参数计算方法的流程图；
图3是传统三维CFD计算方法、试验测量以及本公开所述的方法得到的总压分布线图；
图4是传统三维CFD计算方法以及本公开所述的方法得到的静压分布线图；
图5是本方法的计算流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
子午流面(meridional flow surface)是航空发动机两相邻叶片中间的流面，属于一个二维曲面，在准三维设计体系中，也被称为S2流面，相对流面理论将三维流场求解简化为求解两类流面上的二维流场。
典型的多级压气机气动布局形式如附图1所示，内、外流道均为回转体，中间为各级叶片，其中IGV为导流叶片，Rl为第一级转子叶片，S1为第一级静子叶片，以此类推。气流经过各级叶片之后，流出压气机，流场求解即为计算气流流过各级叶片以后，所形成的压力、温度等参数沿叶片高度分布形式。
传统三维CFD计算方法得到的多级压气机流场与实际情况差异较大，导致从三维计算结果中提取的子午流面气动参数与实际结果偏差较大，使得计算数据不够精确。本公开的多级压气机子午流面气动参数计算方法结合叶片试验数据中一维试验气动参数和仿真计算中二维仿真气动参数的相对准确性，对仿真数据进行修正后，可以获得更为准确的流场结果，以指导后续的S2流面设计。
参照图2所示，该方法包括如下步骤：S1.使用计算流体力学方法对各级压气机叶片进行流场求解，得到各排叶片的三维仿真气动结果；S2.通过三维仿真气动结果获取二维仿真气动结果，从二维仿真气动结果获取一维仿真气动结果；S3.通过试验测量方式获取各级进出口截面试验气动参数，并转化为二维试验气动结果；S4.通过二维试验气动结果获取一维试验气动结果；S5.获取一维仿真气动结果与一维试验气动结果的比例系数，将比例系数乘二维仿真气动结果，获得修正二维仿真气动结果。
也即，如图5所示的逻辑，上述方法结合了级间参数实际测量数据和传统三维CFD计算结果，利用级间参数实际测量数据对三维CFD计算结果进行修正，并使用三维计算结果对未测得的数据进行补充，进而得到修正后的流场结果。
具体而言，该方法首先使用计算流体力学（Computational fluid Dynamics，CFD）方法对各级压气机叶片进行流场求解，采用数值模拟的方法求解非线性联立的质量、动量及能量方程，模拟压气机全三维内部的流动状况，获得包括诸如各排叶片的气动参数分布等丰富的流场参数。
一般地，三维计算获取的是气动参数在三维空间上的分布结果，需采用不限于如面积加权平均的方式将三维仿真气动结果处理成二维仿真气动结果。二维仿真气动结果以叶片纵向截面上的轴向方向和径向方向为维度，从叶高到叶根方向为径向，轴向为压气机轴方向。此时，即可获得各叶片排进出口的完整气动参数，如气流角、速度、温度、压力、等沿叶高的分布。
如图3所示，曲线11为三维CFD计算得到的第一级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，曲线21为三维CFD计算得到的第二级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，曲线31为三维CFD计算得到的第三级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，能够看出仅通过三维CFD计算的第一级静子叶尖前缘总压明显高于第二级静子叶尖前缘总压，与真实状况不符，因此需要对仿真数据进行修正。
本方法继续进行二维仿真气动结果的转化，将二维结果在当地截面进一步取平均，即可获得各叶片排进出口的完整气动参数的一维分布。如计算叶片纵向截面上的中径值，将叶片纵向截面上的叶根到叶尖之间的中径值作为一维仿真气动结果，完成一维仿真数据的转化。
随后对实际试验中的测量数据进行处理。将试验测量的各级进出口截面气动参数，一般地，如总温、总压等气动参数数据采用与处理三维计算结果相同的方式可得到级进出口截面气动参数沿叶高的分布，如将叶片纵向截面上的轴向方向和径向方向作为二维维度。
如附图3所示，曲线12为级间测量得到的第一级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，曲线22为级间测量得到的第二级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，曲线32为级间测量得到的第三级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布。一般而言，试验测试得到的气动数据可被认为较准确。
继续将试验数据进行处理，将上述的二维试验气动结果在当地截面采用不限于如面积平均的方式取平均，获得沿各级进出口的一维试验气动结果。
在步骤S4，将各级叶片的一维试验气动结果叠加该级叶片的一维仿真气动结果，补全各级叶片进出口参数。如试验时只在每一级的静子叶片前布置探针，静子叶片出口及下一排转子叶片的进出口没有布置测点，以三维方式计算当前两级叶片进出口气动参数叠加试验实测静子叶片前与计算值的以为平均值差值，即得到每排叶片进出口补全的试验修正起到参数，准确而全面。
对各排叶片采用相同方式，将各级进出口参数补全为各排叶片进出口参数，如试验测得的某级进出口总压，叠加三维CFD计算得到的总压在此级中的无量纲一维分布规律或一维仿真气动结果，即可得到试验测得的某级中叶片排进出口总压。通常认为，三维CFD计算的一级叶片的结果是较为符合实际情况的，因此可以进行此种操作。以此类推，即可获得试验测得气动参数沿各排进出口的分布规律。
最后进行步骤S5，对于试验测得的气动参数，如总温、总压，将步骤S2中三维CFD计算获取的一维流场参数或一维仿真气动结果分别除以步骤S4中试验得到的一维流场参数或一维试验气动结果，得到一组系数，该系数可作为修正因子。将该组系数（修正因子）乘以步骤S2中三维CFD计算的二维流场参数或二维仿真气动结果，以此得到新的各排叶片进出口试验修正的气动参数沿叶高的分布。同时，也可以对气动参数沿叶高的分布形式进行调整，使三维CFD计算的气动参数沿叶高分布与试验测得的气动参数沿叶高分布形式相一致。
如附图3所示，曲线13为通过上述方法得到的第一级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，曲线23为通过上述方法得到的第二级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，曲线33为通过上述方法得到的第三级静子叶片前缘总压沿叶片高度分布，对比可以看出，修正后的数据弥补了试验测量数据较少和三维计算与真实情况偏差较大的缺陷。
进一步的，对于试验未测得的气动参数，如气流角、静温、静压等气动参数，基于S5中经试验值修正后的总温、总压和步骤S1、S2中三维CFD计算的气流角、总对静参数关系，经过计算得到新的完整的气动参数，如气流角、静温、静压等气动参数。如，将试验测得总压除以计算总压与静压的比值，即得到试验修正的静压，计算出的相对值是可用的。对于静温，可通过公式，其中T是静温，T*是总温，Ma为马赫数，k是常数，马赫数无量纲的绝对值可以直接用计算的结果。对于静压p，/>，p*是总压。
如附图4所示，曲线41为三维CFD计算得到的第一级静子叶片前缘静压沿叶片高度分布，曲线51为三维CFD计算得到的第二级静子叶片前缘静压沿叶片高度分布，曲线61为三维CFD计算得到的第三级静子叶片前缘静压沿叶片高度分布，曲线43为通过上述方法得到的第一级静子叶片前缘静压沿叶片高度分布，曲线53为通过上述方法得到的第二级静子叶片前缘静压沿叶片高度分布，曲线63为通过上述方法得到的第三级静子叶片前缘静压沿叶片高度分布，对比可以看出，采用本方法弥补了试验无法获取静压以及三维计算偏差较大的缺陷。
上述方法基于压气机试验获取准确的级间参数，并利用试验数据对传统三维CFD计算方法获得的仿真数据进行修正，从中提取出完整的子午流面气动参数，将试验获取的参数分布规律对仿真获取的流场参数进行修正，进而得到修正的、更为准确、全面的流场参数，克服了三维CFD计算的叶片通道流场参数平均值不准和试验测量参数有限的缺陷，并以此作为最终计算结果，精确指导后续方案的设计。
本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (7)
1.多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.使用计算流体力学方法对各级压气机叶片进行流场求解，得到各排叶片的三维仿真气动结果；
S2.通过所述三维仿真气动结果获取二维仿真气动结果，从所述二维仿真气动结果获取一维仿真气动结果；
S3.通过试验测量方式获取各级进出口截面试验气动参数，并转化为二维试验气动结果；
S4.通过所述二维试验气动结果获取一维试验气动结果；
S5.获取所述一维仿真气动结果与所述一维试验气动结果的比例系数，将所述比例系数乘所述二维仿真气动结果，获得修正二维仿真气动结果。
2.如权利要求1所述的多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，步骤S2中的二维仿真气动结果以叶片纵向截面上的轴向方向和径向方向为维度。
3.如权利要求2所述的多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，在步骤S2中，通过对所述二维仿真气动结果的所在截面取平均的方式获取一维仿真气动结果。
4.如权利要求2或3所述的多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，在步骤S2中，计算所述叶片纵向截面上的中径值，将其作为一维仿真气动结果。
5.如权利要求1所述的多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，步骤S3中的二维试验气动结果以叶片纵向截面上的轴向方向和径向方向为维度。
6.如权利要求1所述的多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，对所述二维试验气动结果分布采用面积平均的方法获取一维试验气动结果。
7.如权利要求1所述的多级压气机子午流面气动参数计算方法，其特征在于，在步骤S4中，将各级叶片的一维试验气动结果叠加该级叶片的一维仿真气动结果，补全各级叶片进出口参数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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