CN117851765A - 考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，属于设备性能测试与数据处理技术领域；该方法包括：在任意工况状态下，先将低温轴流压缩机的实际性能参数折合至目标工况状态下的折合性能参数，实际性能参数包括入口质量流量和运行转速；再依据低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的真实气体效应，对折合性能参数进行归一化；通过计算实际气体工质的压缩性因子和绝热指数，得出低温轴流压缩机经过归一化后的性能参数，作为折合过程的计算输出，完成实际性能参数的归一化过程；本发明考虑了真实气体效应，能准确得出全温域和全压力范围的热力和热值特性，准确获取折合质量流量和折合转速等性能参数。
Description
技术领域
本发明属于设备性能测试与数据处理技术领域，应用于复杂大型旋转机械设备中，具体为考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法。
背景技术
轴流压缩机的性能参数主要包括流量、压比、转速、功率和效率，分别用于描述其通流量、压缩效能、轴功率以及运行效率等。其中，流量和转速等性能参数的表征与轴流压缩机所处的温度和压力环境有着密切关系。为了便于研究分析与表示，本领域通常采用折合计算的方式，将不同温度和压力环境下的流量和转速折合至某一目标状态，从而获得通用的性能曲线。在折合计算的过程中，将涉及到气体工质的热力和热值等物性参数。
完全气体是一种忽略气体分子自身体积和分子间作用力的假想气体模型，大多数的理论计算或工程应用中，为了便于研究分析，在满足某些前提条件时，通常将气体视为完全气体。但在深低温或高压强等特殊环境中，气体分子的平均自由程较小，分子间的作用力不可忽略，气体工质将会表现出热力和热值的不完全性，其状态不再满足完全气体的假设，因此需考虑真实气体效应。
最新研发成功的低温轴流压缩机的运行温域覆盖77 K至323 K的范围，并处于110K的深低温环境下常态运行；其运行压力覆盖115 kPa至450 kPa的范围，并处于高压强环境下常态运行。因此，处于深低温和高压强的气体工质已经偏离了完全气体假设，气体热力和热值等物理特性不再适用于完全气体的分析计算；其主要表现为气体的压缩性因子和绝热指数不再是定值，而是依据工质温度和压力的多项式函数，因此需要基于工质的实际温度和压力来进行计算，从而为折合过程提供依据。
此前，还不具备能长期处于110 K的深低温甚至更低温域运行能力、同时已投入实际工程应用的低温轴流压缩机，目前大多数的轴流压缩机均应用于高温、常温或浅低温环境，因此已有的折合计算方式均基于完全气体假设，并未考虑真实气体效应。若直接将已有的折合计算方法应用于新研发的低温轴流压缩机，期望实现其性能参数的归一化，则计算结果将与实际情形产生偏差，因此无法准确获得折合流量和折合转速等性能参数。
综上，本领域现在急需一种适用于低温轴流压缩机的折合计算方法，以便实现性能参数的归一化处理过程，且需要着重考虑真实气体效应；本领域技术人员因此将该部分内容作为当前的研究重点。
发明内容
基于背景技术中的现状，本发明的目的是解决轴流压缩机在深低温、高压强的气体工质条件下性能参数的归一化问题，因此提出了考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，该方法的应用能够满足低温轴流压缩机性能参数的准确表征与实际的工程应用需求。
本发明采用了以下技术方案来实现目的：
一种考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，该方法为：在任意工况状态下，先将低温轴流压缩机的实际性能参数折合至目标工况状态下的折合性能参数；再依据低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的真实气体效应，对折合性能参数进行归一化；通过计算实际气体工质的压缩性因子和绝热指数，得出低温轴流压缩机在实际气体工质下经过归一化后的性能参数，作为折合过程的计算输出，完成实际性能参数的归一化过程。
具体的，低温轴流压缩机的实际性能参数包括入口质量流量和运行转速；首先分别对入口质量流量和运行转速进行折合计算，随后对折合计算得到的数据进行归一化处理。
具体的，在折合计算过程中，目标工况状态以国际标准大气状态为基准；入口质量流量和运行转速经过折合计算后，得到的折合性能参数包括折合质量流量和折合转速。
进一步的，在归一化处理过程中，压缩性因子和绝热指数的计算，均基于低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的温度和压力进行。
具体的，压缩性因子和绝热指数的计算，具体步骤如下：
S01、确定多个温度工况点和多个压力工况点；
S02、依据确定的温度工况点和压力工况点，计算各点对应的压缩性因子和绝热指数；
S03、将各点对应的压缩性因子和绝热指数进行数据拟合，通过分段函数的形式对压缩性因子和绝热指数进行确定。
进一步的，在归一化处理过程中，引入与压缩性因子和绝热指数相关的真实气体效应参量，再进行归一化计算。
具体的，引入真实气体效应参量并进行归一化计算的具体步骤如下：
S11、引入真实气体效应参量；真实气体效应参量包括与压缩性因子和绝热指数相关的流量参量和转速参量，流量参量和转速参量直接参与归一化计算；
S12、考虑真实气体效应的归一化计算，包括归一化计算过程的折合质量流量的计算和折合转速/>的计算，在代入流量参量和转速参量后，进行归一化计算；
S13、确定折合质量流量和折合转速/>的归一化性能参数。
具体的，获取低温轴流压缩机处于实际气体工质下经过归一化的折合质量流量和折合转速的过程，具体步骤如下：
S21、确定已知的计算参数，包括：国际标准大气状态的压力、温度、空气气体常数和绝热指数、以及实际的氮气气体常数；
S22、获取实际的计算参数；将低温轴流压缩机所处实际气体工质的不同温度子区间中，压缩性因子的函数与绝热指数的函数代入折合质量流量和折合转速/>的计算式，得到对应的温度子区间内折合质量流量/>随压力变化的函数和折合转速/>随压力变化的函数，即在低温轴流压缩机所处实际气体工质的连续温度区间内，通过分段函数的形式确定折合质量流量/>和折合转速/>的计算式；
S23、输出归一化后的性能参数；控制程序实时采集低温轴流压缩机实际运行时所处实际气体工质的温度和压力，以及运行转速；当实际气体工质的温度落入温度区间中的任意温度子区间时，自动调用此温度子区间中对应于压缩性因子的函数与绝热指数/>的函数，同时依据采集的实际压力，得出任一温度工况点、任一压力工况点下的压缩性因子和绝热指数，再依据已知的计算参数和实时采集的实际的入口质量流量、压力、温度和运行转速，进行归一化计算，将归一化后的折合质量流量/>和折合转速/>输出，完成低温轴流压缩机性能参数的归一化过程。
综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：
1、本发明的方法考虑了真实气体效应，通过确定典型的温度工况点和压力工况点，计算得到了低温轴流压缩机在各典型工况点下的压缩性因子、绝热指数等热力和热值特性。
2、本发明采用了数据拟合方式，能获得低温轴流压缩机在全温域和全压力范围内准确的压缩性因子、绝热指数等热力和热值特性。
3、本发明考虑真实气体效应后进行的归一化方法中，将低温轴流压缩机的真实气体条件折合至国际标准大气状态，因此获得了国际标准大气状态下准确的折合质量流量和折合转速。
4、本发明的归一化方法中，实施了考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数的归一化计算，得到了低温轴流压缩机在全温域和全压力范围内准确的压缩性因子、绝热指数等热力和热值特性，获取了准确的折合质量流量和折合转速等性能参数，达到了预期的目的和效果；经证明，该方法合理有效，能满足低温轴流压缩机性能参数的准确表征与实际的工程应用需求。
附图说明
图1为本发明方法的原理流程示意图；
图2为本发明实例中典型的温度和压力工况点的分布示意图；
图3为温度工况点为110 K时，压缩性因子随压力变化的示意图；
图4为温度工况点为110 K时，绝热指数随压力变化的示意图；
图5为本发明实例中得到的多个温度子区间的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，可同步参看图1的示意，该方法为：在任意工况状态下，先将低温轴流压缩机的实际性能参数折合至目标工况状态下的折合性能参数；再依据低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的真实气体效应，对折合性能参数进行归一化；通过计算实际气体工质的压缩性因子和绝热指数，得出低温轴流压缩机在实际气体工质下经过归一化后的性能参数，作为折合过程的计算输出，完成实际性能参数的归一化过程。
本实施例将详细介绍这一方法原理中各部分的细节内容。
首先，低温轴流压缩机的实际性能参数包括入口质量流量和运行转速。性能参数的归一化，包括性能参数的折合计算和归一化处理两大部分；先进行折合计算过程，再进行归一化处理过程。
在折合计算过程中，目标工况状态以国际标准大气状态为基准；入口质量流量和运行转速经过折合计算后，得到的折合性能参数包括折合质量流量和折合转速。
本实施例中，折合计算过程的折合质量流量的计算式为：
折合计算过程的折合转速的计算式为：
上述计算式中，、/>、/>、/>分别为任意工况状态下低温轴流压缩机实际的入口质量流量、压力、温度和运行转速，单位分别为kg/s、Pa、K和r/min；/>、/>分别为国际标准大气状态压力和国际标准大气状态温度，单位分别为Pa和K。
归一化处理过程中，需考虑低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的真实气体效应的影响，来对折合计算进行归一化，具体将涉及到实际气体工质的压缩性因子和绝热指数/>的真实计算。
本实施例中，压缩性因子和绝热指数/>的计算，均基于低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的温度和压力进行；具体步骤如下：
S01、确定多个温度工况点和多个压力工况点；
S02、依据确定的温度工况点和压力工况点，计算各点对应的压缩性因子和绝热指数；
S03、将各点对应的压缩性因子和绝热指数进行数据拟合，通过分段函数的形式对压缩性因子和绝热指数进行确定。
本实施例的步骤S01中，选取低温轴流压缩机所处实际气体工质的温度区间，在该区间内按阶梯形式确定/>的共计/>个温度工况点，温度区间的端点及每个温度工况点均具有其对应的温度值；其中，，/>。
选取低温轴流压缩机所处实际气体工质的压力区间，在该区间内按阶梯形式确定/>的共计/>个压力工况点，压力区间的端点及每个压力工况点均具有其对应的压力值；其中，/>，/>。
图2给出了具体示例，其选取了低温轴流压缩机的实际气体工质的全温域范围温度区间[77 K , 323 K]和全压力范围压力区间[115 kPa , 450 kPa]，分别确定了90 K、110 K、125 K、150 K、175 K、200 K、225 K、250 K、275 K、300 K、323 K的共计11个典型的温度工况点和115 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa、350 kPa、400 kPa、450 kPa的共计9个典型的压力工况点，分别计算每个温度工况点下各个压力工况点/>的压缩性因子/>和绝热指数/>。
本实施例的步骤S02中，按照以下各式，计算每个温度工况点、压力工况点/>的压缩性因子/>和绝热指数/>；
本实施例的步骤S03中，将每个温度工况点下的不同压力工况点/>的压缩性因子和绝热指数/>进行数据拟合，得到每个温度工况点/>下压缩性因子/>随压力变化的一次函数/>，以及绝热指数/>随压力变化的一次函数/>；其中，/>、/>分别为压缩性因子/>和绝热指数/>的函数值，/>为压力值，/>、/>分别为经过数据拟合后对应确定的一次函数的斜率，/>、/>分别为对应确定的一次函数的常数。
在温度工况点为110 K时，图3给出了压缩性因子随压力变化的示意，图4给出了绝热指数/>随压力变化的示意，均以曲线图形式呈现；根据计算结果的拟合，当温度为110 K时，压缩性因子/>随压力变化的一次函数关系为/>，函数/>的曲线相关系数/>；以及绝热指数/>随压力变化的一次函数关系为，函数/>的曲线相关系数/>。
紧接着，选取温度区间中已确定的/>个温度工况点的中间值，分别得到/>的共计/>个新的温度工况点，将其组成如下的/>个温度子区间：
每个温度子区间均分别包括已确定的个温度工况点的其中一个。在有限的温度变化区间内，如/>K时，相同压力下实际气体工质的压缩性因子/>和绝热指数/>的偏差量较小，满足后续计算要求。
因此，将每个温度子区间包括的唯一一个温度工况点的压缩性因子和绝热指数作为对应温度子区间的压缩性因子/>和绝热指数/>，从而分别确定每个温度子区间对应的函数/>和函数/>；进而在连续的温度区间/>内，通过分段函数的形式确定出压缩性因子/>和绝热指数/>。
如图5所示，依据已选取的典型的温度工况点和压力工况点实例，可得到100 K、117.5 K、137.5 K、162.5 K、187.5 K、212.5 K、237.5 K、262.5 K、287.5 K、311.5 K的共计10个温度工况点，连同最低温度77 K和最高温度323 K，进而组成了[77 K , 100 K]、(100K , 117.5 K]、(117.5 K , 137.5 K]、(137.5 K , 162.5 K]、(162.5 K , 187.5 K]、(187.5 K , 212.5 K]、(212.5 K , 237.5 K]、(237.5 K , 262.5 K]、(262.5 K , 287.5K]、(287.5 K , 311.5 K]、(311.5 K , 323 K]的共计11个温度子区间。
每个温度子区间内均分别包括了已确定的11个温度工况点的其中一个，每个温度子区间内的压缩性因子和绝热指数/>均采用该区间内所包含的唯一一个温度工况点所对应的/>值和/>值，即分别确定了每个温度子区间的函数/>和函数，因此，在连续的温度区间[77 K , 323 K]内，通过分段函数的形式确定了压缩性因子/>和绝热指数/>。
以下内容介绍本实施例的归一化处理过程中，引入与压缩性因子和绝热指数相关的真实气体效应参量后，再进行归一化计算的情况。
此部分的具体步骤如下：
S11、引入真实气体效应参量；真实气体效应参量包括与压缩性因子和绝热指数相关的流量参量/>和转速参量/>，流量参量/>和转速参量/>直接参与归一化计算；
流量参量的计算式为：
转速参量的计算式为：
式中，为氮气气体常数；
S12、考虑真实气体效应的归一化计算，包括归一化计算过程的折合质量流量的计算和折合转速/>的计算，在代入流量参量/>和转速参量/>后，进行归一化计算；
折合质量流量的计算式为：
折合转速的计算式为：
S13、确定折合质量流量和折合转速/>的归一化性能参数，如下式：
上述各式中，为实际的入口质量流量，单位为kg/s；/>为实际压力，单位为Pa；为实际温度，单位为K；/>为实际气体工质的压缩性因子，无量纲；/>为实际的氮气气体常数，单位为Nm/(kg·K)；/>为实际气体工质的绝热指数，无量纲；/>为实际的运行转速，单位为r/min；/>、/>、/>、/>分别为国际标准大气状态下前述参数的对应参数，/>、/>也即前述折合计算中应用的/>、/>参数，实质相同，下标仅为应用过程的区分；/>为国际标准大气状态下的空气气体常数，单位为Nm/(kg·K)。
本实施例中，获取低温轴流压缩机处于实际气体工质下经过归一化的折合质量流量和折合转速的过程，具体步骤如下：
S21、确定已知的计算参数，包括：国际标准大气状态的压力、温度、空气气体常数和绝热指数、以及实际的氮气气体常数；具体数据值标准为：101325 Pa；/>288.15K；/>287.058 Nm/(kg·K)；/>1.4；/>296.8 Nm/(kg·K)。
S22、获取实际的计算参数；将低温轴流压缩机所处实际气体工质的不同温度子区间中，压缩性因子的函数与绝热指数/>的函数代入折合质量流量/>和折合转速/>的计算式，得到对应的温度子区间内折合质量流量/>随压力变化的函数和折合转速/>随压力变化的函数，即在低温轴流压缩机所处实际气体工质的连续温度区间/>内，通过分段函数的形式确定折合质量流量/>和折合转速/>的计算式；
S23、输出归一化后的性能参数；控制程序实时采集低温轴流压缩机实际运行时所处实际气体工质的温度和压力，以及运行转速；当实际气体工质的温度落入温度区间中的任意温度子区间时，自动调用此温度子区间中对应于压缩性因子/>的函数与绝热指数/>的函数，同时依据采集的实际压力，得出任一温度工况点、任一压力工况点下的压缩性因子/>和绝热指数/>，再依据已知的计算参数和实时采集的实际的入口质量流量、压力、温度和运行转速，进行归一化计算，将归一化后的折合质量流量/>和折合转速/>输出，完成低温轴流压缩机性能参数的归一化过程。/>
Claims (10)
1.一种考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：在任意工况状态下，先将低温轴流压缩机的实际性能参数折合至目标工况状态下的折合性能参数；再依据低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的真实气体效应，对折合性能参数进行归一化；通过计算实际气体工质的压缩性因子和绝热指数，得出低温轴流压缩机在实际气体工质下经过归一化后的性能参数，作为折合过程的计算输出，完成实际性能参数的归一化过程。
2.根据权利要求1所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：低温轴流压缩机的实际性能参数包括入口质量流量和运行转速；首先分别对入口质量流量和运行转速进行折合计算，随后对折合计算得到的数据进行归一化处理。
3.根据权利要求2所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：在折合计算过程中，目标工况状态以国际标准大气状态为基准；入口质量流量和运行转速经过折合计算后，得到的折合性能参数包括折合质量流量和折合转速。
4.根据权利要求3所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：折合计算过程的折合质量流量的计算式为：
折合计算过程的折合转速的计算式为：
上述计算式中，、/>、/>、/>分别为任意工况状态下低温轴流压缩机实际的入口质量流量、压力、温度和运行转速；/>、/>分别为国际标准大气状态压力和国际标准大气状态温度。
5.根据权利要求2所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：在归一化处理过程中，压缩性因子和绝热指数的计算，均基于低温轴流压缩机所处深低温与高压强环境的实际气体工质的温度和压力进行。
6.根据权利要求5所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：压缩性因子和绝热指数的计算，具体步骤如下：
S01、确定多个温度工况点和多个压力工况点；
S02、依据确定的温度工况点和压力工况点，计算各点对应的压缩性因子和绝热指数；
S03、将各点对应的压缩性因子和绝热指数进行数据拟合，通过分段函数的形式对压缩性因子和绝热指数进行确定。
7.根据权利要求6所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：步骤S01中，选取低温轴流压缩机所处实际气体工质的温度区间，在该区间内按阶梯形式确定/>的共计/>个温度工况点，温度区间的端点及每个温度工况点均具有其对应的温度值；其中，，/>；
选取低温轴流压缩机所处实际气体工质的压力区间，在该区间内按阶梯形式确定/>的共计/>个压力工况点，压力区间的端点及每个压力工况点均具有其对应的压力值；其中，/>，/>；
步骤S02中，计算每个温度工况点、压力工况点/>的压缩性因子/>和绝热指数/>；步骤S03中，将每个温度工况点/>下的不同压力工况点/>的压缩性因子/>和绝热指数/>进行数据拟合，得到每个温度工况点/>下压缩性因子/>随压力变化的函数/>，以及绝热指数/>随压力变化的函数/>；其中，/>、/>分别为压缩性因子/>和绝热指数/>的函数值，/>为压力值，/>、/>分别为经过数据拟合后对应确定的函数的斜率，/>、/>分别为对应确定的函数的常数；
紧接着，选取温度区间中已确定的/>个温度工况点的中间值，分别得到的共计/>个新的温度工况点，将其组成如下的/>个温度子区间：
每个温度子区间均分别包括已确定的个温度工况点的其中一个，将每个温度子区间包括的唯一一个温度工况点的压缩性因子/>和绝热指数/>作为对应温度子区间的压缩性因子/>和绝热指数/>，从而分别确定每个温度子区间对应的函数/>和函数；进而在连续的温度区间/>内，通过分段函数的形式确定出压缩性因子/>和绝热指数/>。
8.根据权利要求2所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：在归一化处理过程中，引入与压缩性因子和绝热指数相关的真实气体效应参量，再进行归一化计算。
9.根据权利要求8所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：引入真实气体效应参量并进行归一化计算的具体步骤如下：
S11、引入真实气体效应参量；真实气体效应参量包括与压缩性因子和绝热指数/>相关的流量参量/>和转速参量/>，流量参量/>和转速参量/>直接参与归一化计算；
流量参量的计算式为：
转速参量的计算式为：
式中，为氮气气体常数；
S12、考虑真实气体效应的归一化计算，包括归一化计算过程的折合质量流量的计算和折合转速/>的计算，在代入流量参量/>和转速参量/>后，进行归一化计算；
折合质量流量的计算式为：
折合转速的计算式为：
S13、确定折合质量流量和折合转速/>的归一化性能参数，如下式：
上述各式中，为实际的入口质量流量；/>为实际压力；/>为实际温度；/>为实际气体工质的压缩性因子；/>为实际的氮气气体常数；/>为实际气体工质的绝热指数；/>为实际的运行转速；/>、/>、/>、/>分别为国际标准大气状态下前述参数的对应参数；/>为国际标准大气状态下的空气气体常数。
10.根据权利要求9所述的考虑真实气体效应的低温轴流压缩机性能参数归一化方法，其特征在于：获取低温轴流压缩机处于实际气体工质下经过归一化的折合质量流量和折合转速的过程，具体步骤如下：
S21、确定已知的计算参数，包括：国际标准大气状态的压力、温度、空气气体常数和绝热指数、以及实际的氮气气体常数；
S22、获取实际的计算参数；将低温轴流压缩机所处实际气体工质的不同温度子区间中，压缩性因子的函数与绝热指数/>的函数代入折合质量流量/>和折合转速/>的计算式，得到对应的温度子区间内折合质量流量/>随压力变化的函数和折合转速/>随压力变化的函数，即在低温轴流压缩机所处实际气体工质的连续温度区间/>内，通过分段函数的形式确定折合质量流量/>和折合转速/>的计算式；
S23、输出归一化后的性能参数；控制程序实时采集低温轴流压缩机实际运行时所处实际气体工质的温度和压力，以及运行转速；当实际气体工质的温度落入温度区间中的任意温度子区间时，自动调用此温度子区间中对应于压缩性因子/>的函数与绝热指数/>的函数，同时依据采集的实际压力，得出任一温度工况点、任一压力工况点下的压缩性因子/>和绝热指数/>，再依据已知的计算参数和实时采集的实际的入口质量流量、压力、温度和运行转速，进行归一化计算，将归一化后的折合质量流量/>和折合转速/>输出，完成低温轴流压缩机性能参数的归一化过程。
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