CN116796666B - 轴流压气机测点布置方法 - Google Patents

Abstract

提供一种轴流压气机测点布置方法，该方法包括如下步骤：A1.获得密流沿待测试通道截面的密流径向分布结果；A2.根据密流径向分布结果，得到流量径向分布结果；A3.依据需布置测点数量和流量径向分布结果，对待测试通道截面进行等流量区域划分，划分区域数与需布置测点数量一致；A4.将各测点分别设置在各划分区域内。上述轴流压气机测点布置方法考虑了径向上流量分布的不均匀性，能够获得更为精确的计算值。

Description

轴流压气机测点布置方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及航空发动机测试试验领域。

背景技术

航空发动机压气机性能试验中，主要通过测量关键位置气动参数并进行一定数据处理，以获得压气机整机及单级气动性能，从而支撑设计验证与优化工作。

严格来说，对气动参数的平均化过程应按照不同径向位置处的质量进行加权，但实际试验中流量的径向分布常常难以获得，目前试验中常以等环面积方法进行径向布点，而后对各测点的测量值进行算术平均，即面积平均法。面积平均本质上是质量平均的一种近似，当测量截面上流量沿径向均匀分布时，该方法等效于质量平均。

然而，压气机通道内流动复杂，旋转机械自带的根尖参数不一致，气动设计本身带来的参数也在径向上存在差异，根尖环壁附面层还引起堵塞效应，故实际压气机测量截面上流量沿径向分布是不均匀的。如某型压气机某通道截面密流沿径向的分布，通道流量呈现出主流区大、端区小、近轮毂区大、近机匣区小的特点，不均匀性很强。此时如应用等环面积测点布置方法会引起平均值的计算误差，且剖面幅度越大该误差越大。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种轴流压气机测点布置方法，可以获得误差更小、更为精准的计算结果。

为实现上述目的的轴流压气机测点布置方法包括如下步骤：A1.获得密流沿待测试通道截面的密流径向分布结果；A2.根据所述密流径向分布结果，得到流量径向分布结果；A3.依据需布置测点数量和所述流量径向分布结果，对所述待测试通道截面进行等流量区域划分，划分区域数与需布置测点数量一致；A4.将各测点分别设置在各划分区域内。

在一个或多个实施例中，在步骤A1中，使用S2通流设计或三维CFD计算或S2流面试验数据匹配设计方法计算S1中密流的径向分布结果。

在一个或多个实施例中，在步骤A2中，以压气机轮毂为起点，对所述密流径向分布结果中的径向分布值积分，获得所述流量径向分布结果。

在一个或多个实施例中，在步骤A3中，对所述待测试通道界面按径向划分成环形区域。

在一个或多个实施例中，在步骤A3中，每一环形区域内的流量与相邻该环形区域且更靠近环心的环形区域的流量的差值相等。

在一个或多个实施例中，在步骤A4中，所述测点设置在叶片前缘或叶片尾缘或级间间隙处。

在一个或多个实施例中，在步骤A1中，所述密流径向分布结果中的径向分布值为各径向位置所在周向环线的平均值。

在一个或多个实施例中，在步骤A4中，计算该划分区域的环面积，计算该划分区域的平均密流值，将测点布置在平均密流值对应的该划分区域内的径向位置处。

上述轴流压气机测点布置方法考虑了径向上流量分布的不均匀性，利用流量的径向分布规律对测量界面进行等流量划分，相较于常规的等环面积布置方式，可以获得更接近截面质量加权平均的参数平均值，提高计算的精准性。

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1A是级间参数测量时的测点布置位置示意图；

图1B是出口参数测量时的测点布置位置示意图；

图2是面积平均法的测点布置位置示意图；

图3是某一截面测量流量沿叶高方向的分布图；

图4是轴流压气机测点布置方法的流程图；

图5A、5B是划分的两个环形区域的示意图；

图6是两种方法的测点布置位置对比图；

图7是测点布置方法的一个具体实施例的流程图。

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。

图1A和1B给出了压气机性能试验中气动参数常见的测量形式。叶片10位于机匣7和轮毂8之间，来流P经过各级叶片10，轮毂8和机匣7的气动计算半径分别为R1和R2。测点9被布置在叶片10的前缘6或尾缘5附近不同径向位置。气动性能主要指标包括压比、等熵效率等，其计算公式均需代入相应测量截面气动参数，诸如总温、总压等的平均值进行计算。

但由于压气机测量截面上流量沿径向分布是不均匀的，故按照图2所示的等环面积的布点方法得到的平均值与真实的质量平均值存在较大偏差，各环面A的流量分布存在较大差异，导致计算获得的压气机性能不正确。如图3示出的某型压气机某通道截面密流的径向分布规律，可以看出通道流量呈现出主流区大、端区小、近轮毂区大、近机匣区小的特点，压气机测量截面上流量沿径向分布是不均匀的，故按照等环面积的布点方法得到的平均值与真实的质量平均值存在较大偏差，导致获得的压气机性能不正确。

本公开所述的多级轴流压气机测点布置方法即用于解决上述问题。参照图4所示的流程图理解，该方法包括如下步骤：A1.获得密流沿待测试通道截面的密流径向分布结果；A2.根据密流径向分布结果，得到流量径向分布结果；A3.依据需布置测点数量和流量径向分布结果，对待测试通道界面进行等流量区域划分，划分区域数与需布置测点数量一致；A4.将各测点分别设置在各划分区域内。

具体而言，在步骤A1中，使用S2通流设计或三维CFD计算或S2流面试验数据匹配设计（S2datamatch）方法计算S1中密流的径向分布结果。密流为流过单位面积的流量，定义为轴流压气机流量与测量截面通流面积A的比值，单位为kg/s·m²，轴流压气机流量的计算方式是/>，V是气流速度，ρ为气流密度，因此密流也等于/>。

在压气机设计与验证迭代过程中，通过上述设计工具可以得到较为可靠的密流沿径向分布剖面。在一些实施例中，沿径向方向的密流数据代表了该截面周向上流量的分布均值，也即步骤A1中密流径向分布结果中的径向分布值为各径向位置所在周向环线的平均值。

在步骤A2中，根据密流径向分布结果，以压气机轮毂为起点，对密流径向分布结果中的径向分布值积分，获得流量径向分布结果。定义从压气机轮毂8至某一径向位置所形成的环面积为累积环面积，定义通过累积环面积的物理流量为该径向位置的累积流量。图5A和图5B示出两个累积环面积的示意，第一累积环面积2以径向点B所在位置进行积分，第二累积环面积3以径向点C所在位置进行积分，可以理解的是，自压气机轮毂为起点，第二累积环面积3内的累积流量大于第一累积环面积2内的累积流量。

随后进行步骤A3，依据需布置测点数量划分区域数目。如需设置7个测点，则需要将待测试通道截面，也即待测试压气机通道界面划分为7个区域。划分的依据为等流量原则，也即根据步骤A2中获得的流量径向分布结果，对待测试通道界面按径向划分7个环形区域，并使每一环形区域内的流量与相邻该环形区域的、更靠近环心的环形区域的流量的差值相等，如图5B示出的累积环面积与图5A示出的累积环面积的差值，为各相邻环形区域的流量差值，也大体上等于内侧第一个环形区域的流量值。

如参照图6所示，纵轴为相对叶高位置，0为轮毂处，1为机匣处；横轴为总压，自上到下的黑色连续曲线表示待测试通道截面的实际总压分布。与水平轴平行的各水平虚线表示各划分区域的范围，如第一区域为大体上16%叶高处，也即底部第一条虚线所在位置，第二区域为大体上31%叶高处。由于在流量计算公式中，第二区域涵盖了第一区域，因此需保证第二区域内的流量与第一区域内的流量差值等于第一区域内的流量。

以此类推，各区域内的流量相比于前一区域的流量差值相等、大体上相等或保持在可以接受的误差内。根据密流或流量径向分布对子午面流道进行等流量区域划分，再将测点布置于这些区域特定位置处，相比于传统平均分配的等环面积法，能够使测点的分配能够按照流量径向分布情况进行加权，因而在计算各气动参数时具备更小的误差。

划分区域后将各测点分别设置在各划分区域内，测点可以设置在叶片前缘或叶片尾缘处，也可以设置在级间间隙处。在一些实施例中，计算该划分区域的环面积，计算该划分区域的平均密流值，将测点布置在平均密流值对应的该划分区域内的径向位置处，或者，将测点直接放置在该划分区域的环状面积中间。

对各测点的测量值进行算术平均，作为该截面参数平均值。由于测点布置在等流量区域内，故近似认为该算数平均值为质量加权平均值。

继续参照图6所示，空心点表示按照图2所示的等环面积法设置的测点位置，黑色实点表示按照本方法设置的测点位置，两种方法相对实际总压值的误差分别为：等环面积法为0.03%，本方法为0.01%，因此本方法显著降低了计算误差。

上述测点布置方法考虑了流量的径向分布规律，考虑了径向上流量分布的不均匀性，相较于常规的等环面积布置方式，可以获得更接近截面质量加权平均的参数平均值，提高了压气机整机和级间气动性能计算的正确性，对于压气机性能的评判和指导后续优化具有重要意义。

下面结合图7所示的一个具体实施例，对本方法进行说明。

首先进行步骤A101，根据设计迭代过程中设计工具产生的较为可靠的密流剖面，如S2通流设计结果、三维CFD计算结果、S2datamatch结果等，由径向位置所在的环向流量值进行平均，得到步骤A102中各径向位置的密流径向分布值。

随后进行步骤A103，沿累积环面积对密流进行积分，得到累积流量沿径向分布的结果。随后进行步骤A104，根据测点数和累积流量分布，对子午面流道进行等流量区域划分，区域数量与测点数一致，按照等流量原则，所划分的相邻各环形区域内的流量差值大体上相等。

最后进行步骤A105，根据等流量区域的边界位置计算环面积，再结合每个区域的流量值得到该区域平均密流值，根据密流径向分布和算得的该区域平均密流值，将测点放在该区域平均密流值对应的径向位置处。

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。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

Claims (6)

1.轴流压气机测点布置方法，其特征在于，包括如下步骤：

A1.获得密流沿待测试通道截面的密流径向分布结果；

A2.根据所述密流径向分布结果，得到流量径向分布结果；

A3.依据需布置测点数量和所述流量径向分布结果，对所述待测试通道截面进行等流量区域划分，划分区域数与需布置测点数量一致，对所述待测试通道截面按径向划分成环形区域，每一环形区域内的流量与相邻该环形区域且更靠近环心的环形区域的流量的差值相等；

A4.将各测点分别设置在各划分区域内。

2.如权利要求1所述的轴流压气机测点布置方法，其特征在于，在步骤A1中，使用S2通流设计或三维CFD计算或S2流面试验数据匹配设计方法计算S1中密流的径向分布结果。

3.如权利要求1所述的轴流压气机测点布置方法，其特征在于，在步骤A2中，以压气机轮毂为起点，对所述密流径向分布结果中的径向分布值积分，获得所述流量径向分布结果。

4.如权利要求1所述的轴流压气机测点布置方法，其特征在于，在步骤A4中，所述测点设置在叶片前缘或叶片尾缘或级间间隙处。

5.如权利要求1所述的轴流压气机测点布置方法，其特征在于，在步骤A1中，所述密流径向分布结果中的径向分布值为各径向位置所在周向环线的平均值。

6.如权利要求1所述的轴流压气机测点布置方法，其特征在于，在步骤A4中，计算该划分区域的环面积，计算该划分区域的平均密流值，将测点布置在平均密流值对应的该划分区域内的径向位置处。