CN117195760A - 基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法，包括：计算各计算网格节点与径向的夹角γ，以及各计算网格节点与压气机轴线交点的轴向坐标Z；流线初始化，得到各网格节点的径向坐标r；计算各点所在流线的斜率tanφ和曲率；确定子午速度Vm初值；计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角；求解径向平衡方程，得到子午速度Vm；调整子午速度V进行；计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角；计算掺混项；计算各站流线位置；检验流量和子午速度Vm是否满足收敛条件；计算新流线的径向坐标r；检验流量和子午速度Vm是否满足收敛条件。本发明更加真实地反映风扇/压气机流场的径向掺混对参数的影响。
Description
技术领域
本发明涉及压气机技术领域，具体涉及一种基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法。
背景技术
在一个完备的轴流压气机设计体系中，子午面通流计算具有举足轻重的地位，特别是对于多级轴流压气机反问题设计，是压气机重要的设计方法。而随着工程应用中对轴流压气机内部流动规律认识的深入，压气机的设计指标也在不断提高(高压比、高效率和高喘振裕度)，综合性能更加完善。叶片排子午面流场的计算和设计与这些要求直接相关，得到准确的计算结果和更为完整的风扇和压气机流场参数，提高压气机性能，降低设计风险，缩短设计周期。
子午面通流计算是风扇/压气机设计的关键环节之一，虽然现在子午面通流程序发展的已较为成熟，但要提高压气机的性能，流线曲率法的子午面通流求解仍然是一个重要的工具。压气机子午面通流计算是一个在多种简化假设下(如粘性、流面假设等)建立起来的设计方法，本身就要有许多实验数据和经验参数的选取来作为设计的基础、计算的输入，这些数据对计算结果的影响很大。采用任何一种精度很高的计算方法都可能因经验不足等原因而导致设计失败。
另外，当前风扇/压气机的设计趋势是低展弦比设计，其气动设计方面的要求与高展弦比不同。低展弦比所造成的强的三维流动效应，不但表现在三维激波结构上，而且表现在流动的径向掺混问题上。因此，要得到高性能的低展弦比压气机，与高展弦比设计相比，须考虑径向掺混的因素，计算更复杂。通常的通流计算程序是不考虑复杂的压气机端区流动，这对端区压气机气动设计带来的偏差需要依赖经验来修正，而不同设计人员用经验修正的变化量也不同，因此不能真实地反映风扇/压气机流场的径向掺混对参数的影响。
发明内容
有鉴于此，针对工程设计中需要实现的通流数值计算需求，本申请实施例提供一种基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法，本方法采用掺混模型来作为湍流扩散项，分析计算掺混的影响，减少了对以往经验的依赖，同时更加真实地反映风扇/压气机流场的径向掺混对参数的影响。
本申请实施例提供以下技术方案：一种基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法，包括：
S1.根据初始给定的各计算网格节点的坐标值，计算各计算网格节点与径向的夹角γ，以及各计算网格节点与压气机轴线交点的轴向坐标Z；
S2.流线初始化，对压气机进口计算网格节点，得到各网格节点的径向坐标r；
S3.根据各计算网格节点的坐标值，获得各网格节点所在流线的斜率tanφ和曲率；
S4.通过迭代计算，确定子午速度Vm初值；
S5.计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角；
S6.根据所述子午速度Vm初值、各点所在流线的斜率tanφ和曲率、各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角，求解径向平衡方程，得到子午速度Vm；
S7.根据子午速度松弛因子对子午速度Vm进行调整；
S8.计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角；
S9.计算径向滞止总焓、熵和由径向热、动量扩散引起的切向动量；
S10.计算各站流线位置；
S11.检验流量和子午速度Vm是否满足收敛条件，重复S5-S9；
S12.计算新流线的径向坐标r；
S13.检验流量和子午速度Vm是否满足收敛条件，重复S3-S11，直到满足收敛条件；
S14.计算流场收敛结果。
根据本申请一种实施例，S2中，流线初始化，对压气机进口计算网格节点，按流量率来分布各点的径向位置，得到各网格节点的径向坐标r。
根据本申请一种实施例，S3中，进口计算站和出口计算站的流线曲率为0。
根据本申请一种实施例，S4中，第一次迭代子午速度Vm初值为设定值，后续迭代的子午速度Vm初值为上一步计算得到的子午速度Vm。
根据本申请一种实施例，S9中，采用到轴向、径向、切向动量方程和能量方程，计算径向滞止总焓、熵和由径向热、动量扩散引起的切向动量。
根据本申请一种实施例，S10中，计算各站流线位置时，进口站流线位置不变，以后各站流线位置根据进口站相应流管的流量率进行调整计算。
根据本申请一种实施例，S11中，所述收敛条件包括小循环收敛准则，所述小循环收敛准则为：该计算站的计算流量与规定流量之间的相对误差满足收敛精度。
根据本申请一种实施例，所述的计算流量与规定流量之间的相对误差表达式为：
其中，Ginput为规定流量；KG为堵塞系数；Gcal为计算流量。
根据本申请一种实施例，所述收敛条件还包括大循环收敛准则，所述大循环收敛准则为：各站流管的流量率与进口站的相应流管的流量率之间的绝对误差满足收敛精度；以及各站本次大循环的子午速度与上次大循环的子午速度之间的相对误差满足收敛精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明计算得到的风扇和压气机结果准确。由于多级轴流压气机内叶片排数多，各叶片排之间影响和干涉程度深，为了避免由于原始经验积累、实验数据测量等种种客观原因，得到的压气机设计点流场参数不准确的情况，本发明在收集到的国外公布的子午流面流场计算参数基础上，希望通过对现有子午面通流程序的改进，对比计算和分析国外公布的风扇和压气机子午流面流场参数，校准该程序，使其更好地用于工程设计。
(2)多功能且输入输出数据格式。可任意设置各叶排(包括支板)内部、叶片排之间间隙内、进气流道和出气流道内的计算站和各段站数；按变比热进行计算；各排转速、各站流量分别输入；考虑任意设置转、静叶排在轴向的位置和个数。
(3)压气机端区流场计算结果更符合真实流场，避免不同设计人员后期设计时对流场端区气流角等气动参数人为修正的差异影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的子午面通流计算流程示意图；
图2为本发明实施例中流线初始化示意图；
图3为本发明实施例中多级轴流压气机子午投影示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图3所示为多级轴流压气机子午投影，流道为回转体，中间为各级叶片，气流从压气机进口进入，依次通过各排转子叶片、静子叶片增压，最终从压气机出口排出。其中R1为第一级转子叶片，S1为第一级静子叶片，以此类推。子午面通流计算即为计算气流流过各级叶片时，沿径向分布的总温T*，总压P*，预旋角等参数值。本发明实施例提供了一种基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤S1、开始。
步骤S2、计算各计算网格节点参数，根据初始给定的计算网格节点的坐标值，求得各计算网格节点与径向的夹角γ以及各计算网格节点与压气机轴线交点的轴向坐标Z。
步骤S3、流线初始化，对进口计算网格节点，按流量率来分布各点的径向位置r。以后各站网格点的径向位置按由该点所形成的环形面积与该站的环形面积之比与流量率来确定。如图2所示。
r(j+1,1)-r(j,1)＝r(j,1)-r(j-1,1) (1)
式中：r为径向位置(m)；j为第j条流线；i为第i个计算站；tip为尖部；Hub为根部。
步骤S4、计算流线斜率tanφ和曲率。
根据各计算网格节点的坐标，求出各点所在流线的斜率tanφ和曲率。该程序规定，进口计算站和出口计算站的流线曲率为0。
步骤S5、子午速度Vm初值的确定。
第一次迭代子午速度Vm初值由输入数据给出，之后其它步的子午速度Vm初值为上一步计算得到的子午速度Vm。
步骤S6、计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角。
步骤S7、求解径向平衡方程，得到子午速度Vm。
在求解径向平衡方程时，需要给出沿径向的各计算网格节点的子午速度Vm初值。同时，作为径向平衡方程的已知条件，在求解径向平衡方程时，径向网格节点上各点的总温T*，总压P*，预旋角以及各点处流线的斜率tanφ和曲率是已知的。其中，径向平衡方程的计算方法可根据叶轮机原理方面的教科书查询得到。
步骤S8、根据子午速度松弛因子调整子午速度Vm。
步骤S9、计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角。
根据径向站在压气机中的位置，径向站上各点的总温T*，总压P*，预旋角如下确定：
(a)进口站
总温T*，总压P*和预旋角是给定的。
(b)无叶区的流动
由无叶区的子午面绝能等熵流动可知因此，对无叶区的流动，流场的总温T*，总压P*和预旋角可以确定。
(c)流过叶片区的子午流动
由输入的原始数据得到叶片出口处流场的总温T*，总压P*和预旋角。
步骤S10、掺混项计算。
用到轴向、径向、切向动量方程和能量方程，来计算径向滞止总焓、熵和由径向热、动量扩散引起的切向动量。
步骤S11、计算各站流线位置。
进口站流线位置不变。以后各站根据进口站相应流管的流量率来调整各流线的位置。在这里流管的定义为相邻流线间的流路；流量率的定义为流管的流量与该计算站总流量的比率。流线的位置调整后，各计算站流管的流量率相等。将调整后的流线位置松弛后，保存为新流线的位置。
步骤S12、检验流量和子午速度是否满足收敛条件，重复步骤S6-步骤S10。
程序收敛准则：由于该程序有两层循环，所以有两个收敛准则。
小循环收敛准则：该计算站的计算流量与规定流量之间的相对误差满足收敛精度；
计算流量与规定流量之间的相对误差表达式为：
式中：Ginput为规定流量；KG为堵塞系数；Gcal为计算流量。
大循环收敛准则：各站流管的流量率与进口站的相应流管的流量率之间的绝对误差满足收敛精度；以及各站本次大循环的子午速度与上次大循环的子午速度之间的相对误差满足收敛精度。
步骤S13、计算新流线的径向坐标r。
步骤S14、检验流量和子午速度是否满足收敛条件，重复步骤S4步-步骤S12，直到满足收敛精度。
步骤S15、计算流场收敛结果。
步骤S16、结束。
其中，在上述步骤S3中，根据测试结果计算相对换算转速nc、换算流量Wc,t、压比πt、效率ηt等，其中nc的计算方法可根据叶轮机原理方面的教科书查询得到。
此处重点说明换算流量Wc,t、压比πt、效率ηt的计算。压比πt、效率ηt的计算需要根据叶轮机械的种类而定，具体地：
对于核心机驱动风扇CDFS，其出口总温、总压与实际测量结果并不相同，而是需要根据部件试验进行总温、总压分布测定，并根据分布规律对整机或核心机中的CDFS出口总温、总压进行修正；
对于涡扇发动机的压气机，其进口流量与发动机进口流量并不相同，但其进口参数不均匀、进口气流方向无法精确测量、温度压力等测量参数少且精度不高、进口气动面积无法精确获得等因此导致其进口物理流量不能直接计算。本发明中是根据高压涡轮导叶临界状态下喉道换算流量不变的原理和参与燃烧的的实际燃油流量测量数据，对压气机进口流量进行迭代计算求得。
本发明实施例自动调用性能计算模型，已在自主软件中实现。性能计算结果与测试结果的对比、验证、诊断，已在自主软件中实现。经验证：上述方法修正后的预测具有1％以内精度；并可以用于求解裕度。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于径向掺混的轴流风扇或压气机子午面通流计算方法，其特征在于，包括：
S1.根据初始给定的各计算网格节点的坐标值，计算各计算网格节点与径向的夹角γ，以及各计算网格节点与压气机轴线交点的轴向坐标Z；
S2.流线初始化，对压气机进口计算网格节点，得到各网格节点的径向坐标r；
S3.根据各计算网格节点的坐标值，获得各网格节点所在流线的斜率tanφ和曲率；
S4.通过迭代计算，确定子午速度Vm初值；
S5.计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角；
S6.根据所述子午速度Vm初值、各点所在流线的斜率tanφ和曲率、各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角，求解径向平衡方程，得到子午速度Vm；
S7.根据子午速度松弛因子对子午速度Vm进行调整；
S8.计算各网格节点的总温T*，总压P*，预旋角；
S9.计算径向滞止总焓、熵和由径向热、动量扩散引起的切向动量；
S10.计算各站流线位置；
S11.检验流量和子午速度Vm是否满足收敛条件，重复S5-S9；
S12.计算新流线的径向坐标r；
S13.检验流量和子午速度Vm是否满足收敛条件，重复S3-S11，直到满足收敛条件；
S14.计算流场收敛结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，流线初始化，对压气机进口计算网格节点，按流量率来分布各点的径向位置，得到各网格节点的径向坐标r。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中，进口计算站和出口计算站的流线曲率为0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S4中，第一次迭代子午速度Vm初值为设定值，后续迭代的子午速度Vm初值为上一步计算得到的子午速度Vm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S9中，采用到轴向、径向、切向动量方程和能量方程，计算径向滞止总焓、熵和由径向热、动量扩散引起的切向动量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S10中，计算各站流线位置时，进口站流线位置不变，以后各站流线位置根据进口站相应流管的流量率进行调整计算。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S11中，所述收敛条件包括小循环收敛准则，所述小循环收敛准则为：该计算站的计算流量与规定流量之间的相对误差满足收敛精度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的计算流量与规定流量之间的相对误差表达式为：
其中，Ginput为规定流量；KG为堵塞系数；Gcal为计算流量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述收敛条件还包括大循环收敛准则，所述大循环收敛准则为：各站流管的流量率与进口站的相应流管的流量率之间的绝对误差满足收敛精度；以及各站本次大循环的子午速度与上次大循环的子午速度之间的相对误差满足收敛精度。
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|---|---|---|---|---|
| CN117648827A (zh) * | 2024-01-29 | 2024-03-05 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种基于试验数据库的压气机性能仿真程序精度评估方法 |
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- 2023-08-10 CN CN202311009962.9A patent/CN117195760A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117648827A (zh) * | 2024-01-29 | 2024-03-05 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种基于试验数据库的压气机性能仿真程序精度评估方法 |
| CN117648827B (zh) * | 2024-01-29 | 2024-04-16 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种基于试验数据库的压气机性能仿真程序精度评估方法 |
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