CN119989552B - 压气机一维流道布局获取方法及一维流道尺寸计算方法 - Google Patents
压气机一维流道布局获取方法及一维流道尺寸计算方法Info
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Abstract
本发明的目的在于提供一种压气机一维流道布局获取方法及一维流道尺寸计算方法，其中，压气机一维流道布局获取方法包括如下步骤：S1.获取压气机进口截面与出口截面的气动热力循环参数；S2.计算压气机进口截面与出口截面的结构参数；S3.通过一维流道尺寸计算方法得到压气机的一维流道轴向长度；S4.生成压气机的一维流道布局。通过本压气机一维流道布局获取方法及一维流道尺寸计算方法能够快速得到压气机一维流道尺寸以及压气机一维流道布局。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种压气机一维流道布局获取方法及一维流道尺寸计算方法。
背景技术
发动机流道尺寸估算是总体设计中的重要环节，是基于发动机气动热力循环参数分析结果的应用，用于确定发动机部件的初步结构和布局，为总体方案设计中的部件参数的选择提供合理、可量化的数据支撑。
当前阶段，压气机一维流道尺寸是基于总体性能方案设计结果，综合考虑气流角、反力度、流动损失等参数的详细气动设计过程，虽然计算精度较高，但迭代次数多、设计周期长，极大地影响了在总体方案论证阶段的设计效率。
如何提供一种能够快速得到压气机一维流道尺寸的方法是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一维流道尺寸计算方法，能够快速得到压气机一维流道尺寸。
为实现前述目的的一维流道尺寸计算方法，其包括如下步骤：
a.获取压气机的级数；
b.设置压气机的初始轴向长度；
c.建立坐标系，并获取压气机的多个内流道坐标点以及多个外流道坐标点；
d.根据所述多个内流道坐标点拟合内流道函数曲线，根据所述多个外流道坐标点拟合外流道函数曲线；
e.计算压气机理论轴向长度；
f.判断所述理论轴向长度与所述初始轴向长度的误差是否满足要求，若否，则重复步骤b至e，若是，则进入至下一步骤；
g.判断所述理论轴向长度与实际轴向长度的误差是否满足要求，若否，则重复步骤b至f，若是，则进入至下一步骤；
h.输出压气机一维流道尺寸。
在一个或多个实施例中，步骤a中，所述压气机的级数通过如下公式(1)确定：
其中，z为压气机级数；πc为压气机总压比；为平均级压比。
在一个或多个实施例中，所述平均级压比的取值范围为1.3至1.6。
在一个或多个实施例中，步骤c中，以压气机进口截面与压气机转动轴交点为坐标原点，压气机转动轴为x轴，过所述坐标原点且垂直于水平面的线为y轴建立坐标系。
在一个或多个实施例中，所述内流道坐标点包括：
位于压气机进口截面的内流道进口坐标点；
位于压气机出口截面的内流道出口坐标点；以及
位于所述压气机进口与所述压气机出口之间中间截面的内流道中间坐标点
所述外流道坐标点包括：
位于压气机进口截面的外流道进口坐标点；
位于压气机出口截面的外流道出口坐标点；以及
位于所述压气机进口与所述压气机出口之间中间截面的外流道中间坐标点。
在一个或多个实施例中，在步骤e中，通过如下公式(2)计算所述压气机理论轴向长度：
Ln＝(fout(xn)-fin(xn))/ARout+xn (2)；
其中，Ln为压气机理论轴向长度，fout为所述外流道函数曲线，fin为所述内流道函数曲线，xn为压气机出口截面沿所述x轴的坐标，ARout为压气机出口截面处的展弦比。
在一个或多个实施例中，在步骤f中通过如下公式(3)计算所述理论轴向长度与所述初始轴向长度的误差：
在步骤g中通过如下公式(4)计算所述理论轴向长度与实际轴向长度的误差：
其中，Delta1为理论轴向长度与初始轴向长度的误差，Delta2为理论轴向长度与实际轴向长度的误差，L0为初始轴向长度，Lc为实际轴向长度。
另一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种压气机一维流道布局获取方法，其包括如下步骤：
S1.获取压气机进口截面与出口截面的气动热力循环参数；
S2.计算压气机进口截面与出口截面的结构参数；
S3.通过如权利要求1至7任一项所述的一维流道尺寸计算方法得到压气机的一维流道轴向长度；
S4.生成压气机的一维流道布局。
在一个或多个实施例中，所述气动热力循环参数包括总温、总压、平均轴向马赫数以及物理流量。
在一个或多个实施例中，进口截面的平均轴向马赫数为0.4至0.6，出口截面的平均轴向马赫数为0.1至0.3。
在一个或多个实施例中，步骤S2中，通过如下公式(5)分别计算得到进口截面与出口截面的截面面积：
其中，Ai为截面面积(m2)，W为截面流量(kg/s)，Ma为截面平均轴向马赫数，T为截面总温(K)，γ为比热比，R为气体常数(J/(kg·K))；P为截面总压(Pa)。
在一个或多个实施例中，步骤S2中，通过如下公式(6)计算得到进口截面与出口截面的外径，通过如下公式(7)计算得到进口截面与出口截面的内径：
Dh＝Dt·HTR (7)；
其中，Dt为外径(m)，Dh为内径(m)，HTR为叶片叶根轮毂比。
在一个或多个实施例中，进口截面的轮毂比为0.5至0.7，出口截面的轮毂比为0.9至0.94。
在一个或多个实施例中，根据所述压气机进口截面与出口截面的结构参数、所述压气机的一维流道轴向长度、压气机各级转静子展弦比以及压气机各级轴向间隙生成得到所述压气机的一维流道布局。
在一个或多个实施例中，对于每一级压气机而言，转子进口展弦比为1至2，转子出口展弦比为0.9至1.2，静子进口展弦比为2.5至4，静子出口展弦比为0.9至1.1。
在一个或多个实施例中，对于每一级压气机而言，与前一级之间的轴向间隙为0.11至0.13倍的轴向弦长，与后一级之间的轴向间隙为0.1至1.1倍的轴向弦长。
又一方面，根据本申请一些实施例还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在由处理器执行时实现如前所述的压气机一维流道布局获取方法的步骤。
本发明的有益效果在于：
通过本发明一个或多个实施例中所记载的压气机一维流道布局获取方法，基于发动机气动热力循环参数分析结果及部件设计准则，快速评估总体性能要求下的压气机流道尺寸，并进一步为部件重量估算提供输入，同时在总体方案论证阶段部件尺寸有较为全面的掌握，确定总体方案能否满足整机尺寸的要求，缩短研发周期，降低研发成本。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本一维流道尺寸计算方法一些实施例的流程示意图；
图2示出了根据本压气机一维流道布局获取方法一些实施例的流程示意图；
图3示出了根据本方法获得的压气机一维流道布局示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
为了解决现有方法无法满足总体方案论证的快速评估需求的问题，一方面，根据本申请的一些实施例，提供了一种一维流道尺寸计算方法，如图1示出了根据本一维流道尺寸计算方法一些实施例的流程示意图。本一维流道尺寸计算方法包含如下步骤：
步骤a：获取压气机的级数Z。
步骤b：设置压气机的初始轴向长度L0。
步骤c：建立坐标系，并获取压气机的多个内流道坐标点以及多个外流道坐标点。
步骤d：根据多个内流道坐标点拟合内流道函数曲线，根据多个外流道坐标点拟合外流道函数曲线。
步骤e：计算压气机理论轴向长度Ln。
步骤f：判断理论轴向长度Ln与初始轴向长度L0的误差是否满足要求，若否，则重复步骤b至e，若是，则进入至下一步骤：步骤g。
步骤g：判断理论轴向长度Ln与实际轴向长度Lc的误差是否满足要求，若否，则重复步骤b至f，若是，则进入至下一步骤：步骤h。
在一个具体的实施例，从小至大地根据经验值选取压气机的初始轴向长度L0。
步骤h：输出压气机一维流道尺寸，该压气机一维流道尺寸即为计算得到的理论轴向长度Ln。
在本一维流道尺寸计算方法的一些具体的实施例中，
步骤a中，压气机的级数通过如下公式(1)确定：
其中，z为压气机级数；πc为压气机总压比；为平均级压比。
在本一维流道尺寸计算方法的一些具体的实施例中，平均级压比的取值范围为1.3至1.6。
在本一维流道尺寸计算方法的一些实施例中，在步骤c中，以压气机进口截面与压气机转动轴交点为坐标原点，压气机转动轴为x轴，过坐标原点且垂直于水平面的线为y轴建立坐标系。可以理解的是，通过该方式建立得到的坐标系中，压气机的轴线所在方向即为x轴。
在本一维流道尺寸计算方法的一些实施例中，内流道坐标点包括：位于压气机进口截面的内流道进口坐标点Ain、位于压气机出口截面的内流道出口坐标点Cin以及位于压气机进口与压气机出口之间中间截面的内流道中间坐标点Bin。外流道坐标点包括：位于压气机进口截面的外流道进口坐标点Aout、位于压气机出口截面的外流道出口坐标点Cout以及位于压气机进口与压气机出口之间中间截面的外流道中间坐标点Bout。
在一个具体的实施例中，Ain的坐标点为(0，Dh,in/2)，Aout的坐标点为(0，Dt,in/2)；Bin的坐标点为(xm，Dh,m/2)，Bout的坐标点为(xm，Dt,m/2)；Cin的坐标点为(L0，Dh，,out/2)，Cout的坐标点为(L0，Dt,out/2)。其中，Dt为叶尖直径(即外径)，单位m；Dh为叶根轮毂直径(即内径)。Dh,i即为i位置截面处的叶根轮毂直径，Dt,i即为i位置截面处的叶尖直径。
在一个具体的实施例中，选择一级转子出口截面作为位于压气机进口与压气机出口之间的中间截面。
在本一维流道尺寸计算方法的一些实施例中，某一级压气机叶片出口至压气机进口轴向长度可以通过如下公式计算得到：
Li＝(fout(xi)-fin(xi))/ARi+xi；
某一级压气机叶片进口轴向坐标可以通过如下公式计算得到：
xi+1＝(fout(xi)-fin(xi))/ARi+xi+ci；
式中，xi为某一级压气机叶片进口轴向坐标；ci为转静子轴向间隙。
故在步骤e中，通过如下公式(2)计算压气机理论轴向长度：
Ln＝(fout(xn)-fin(xn))/ARout+xn (2)；
其中，Ln为压气机理论轴向长度，fout为外流道函数曲线，fin为内流道函数曲线，xn为压气机出口截面沿x轴的坐标，ARout为压气机出口截面处的静子展弦比。
在本一维流道尺寸计算方法的一些实施例中，拟合得到的内流道函数曲线为三角函数：fin(x)＝ainsin(bin*x+cin)。拟合得到的外流道函数曲线为三角函数：fout(x)＝aoutsin(bout*x+cout)。式中，ain、bin、cin、aout、bout、cout为拟合系数。
在本一维流道尺寸计算方法的一些实施例中，在步骤f中通过如下公式(3)计算理论轴向长度与初始轴向长度的误差：
在步骤g中通过如下公式(4)计算理论轴向长度与实际轴向长度的误差：
其中，Delta1为理论轴向长度与初始轴向长度的误差，Delta2为理论轴向长度与实际轴向长度的误差，L0为初始轴向长度，Lc为实际轴向长度。
另一方面，根据本申请的一些实施例还提供了一种压气机一维流道布局获取方法，如图2示出了根据本压气机一维流道布局获取方法一些实施例的流程示意图，本压气机一维流道布局获取方法包括如下步骤：
步骤S1：获取压气机进口截面与出口截面的气动热力循环参数；
步骤S2：计算压气机进口截面与出口截面的结构参数；
步骤S3：通过如前所述一个或多个实施例所记载的一维流道尺寸计算方法得到压气机的一维流道轴向长度；
步骤S4：生成压气机的一维流道布局。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，气动热力循环参数包括：总温、总压、平均轴向马赫数以及物理流量。即具体地，其包括进口截面总温Tin、出口截面总温Tout、进口截面总压Pin、出口截面总压Pout、进口截面平均轴向马赫数Main、出口截面平均轴向马赫数Maout进口截面物理流量Win以及出口截面物理流量Wout。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，进口截面的平均轴向马赫数Main为0.4至0.6，出口截面的平均轴向马赫数Maout为0.1至0.3。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，步骤S2中，通过如下公式(5)分别计算得到进口截面与出口截面的截面面积：
其中，Ai为截面面积(m2)，W为截面流量(kg/s)，Ma为截面平均轴向马赫数，T为截面总温(K)，γ为比热比，R为气体常数(J/(kg·K))；P为截面总压(Pa)。
即将已知的进/出口截面气动热力循环参数总温[Tin，Tout]、总压[Pin，Pout]、平均轴向马赫数[Main，Maout]、物理流量[Win，Wout]分别带入公式(5)可得到进/出口截面面积[Ain，Aout]。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，步骤S2中，通过如下公式(6)计算得到进口截面与出口截面的外径，通过如下公式(7)计算得到进口截面与出口截面的内径：
Dh＝Dt·HTR (7)；
其中，Dt为外径(m)，Dh为内径(m)，HTR为叶片叶根轮毂比。
对应地，将进/出口截面面积[Ain，Aout]分别带入公式(6)、(7)计算得到进口截面与出口截面的内径以及外径。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，进口截面的轮毂比为0.5至0.7，出口截面的轮毂比为0.9至0.94。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，根据压气机进口截面与出口截面的结构参数、压气机的一维流道轴向长度、压气机各级转静子展弦比以及压气机各级轴向间隙生成得到压气机的一维流道布局，最终获得的压气机的一维流道布局如图3所示。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，对于每一级压气机而言，转子进口展弦比为1至2，转子出口展弦比为0.9至1.2，静子进口展弦比为2.5至4，静子出口展弦比为0.9至1.1。
在压气机一维流道布局获取方法的一些实施例中，对于压气机前面级数而言，转静子轴向间隙为0.11至0.13倍的轴向弦长，对于压气机后面级数而言，转静子轴向间隙为0.1至1.1倍的轴向弦长。例如压气机共有10级，那么对于沿进气方向的前5级被称之为前面级数，后5级被称之为后面级数。
本公开提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。该计算机指令由处理器执行时，可以实施上述任意一个实施例所提供的压气机一维流道布局获取方法，从而能够获得压气机的一维流道布局。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通讯介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
通过本发明一个或多个实施例中所记载的压气机一维流道布局获取方法，基于发动机气动热力循环参数分析结果及部件设计准则，快速评估总体性能要求下的压气机流道尺寸，并进一步为部件重量估算提供输入，同时在总体方案论证阶段部件尺寸有较为全面的掌握，确定总体方案能否满足整机尺寸的要求，缩短研发周期，降低研发成本。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (17)
1.一种一维流道尺寸计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.获取压气机的级数；
b.设置压气机的初始轴向长度；
c.建立坐标系，并获取压气机的多个内流道坐标点以及多个外流道坐标点；
d.根据所述多个内流道坐标点拟合内流道函数曲线，根据所述多个外流道坐标点拟合外流道函数曲线；
e.计算压气机理论轴向长度；
f.判断所述理论轴向长度与所述初始轴向长度的误差是否满足要求，若否，则重复步骤b至e，若是，则进入至下一步骤；
g.判断所述理论轴向长度与实际轴向长度的误差是否满足要求，若否，则重复步骤b至f，若是，则进入至下一步骤；
h.输出压气机一维流道尺寸。
2.如权利要求1所述的一维流道尺寸计算方法，其特征在于，步骤a中，所述压气机的级数通过如下公式(1)确定：
其中，z为压气机级数；πc为压气机总压比；为平均级压比。
3.如权利要求2所述的一维流道尺寸计算方法，其特征在于，所述平均级压比的取值范围为1.3至1.6。
4.如权利要求1所述的一维流道尺寸计算方法，其特征在于，步骤c中，以压气机进口截面与压气机转动轴交点为坐标原点，压气机转动轴为x轴，过所述坐标原点且垂直于水平面的线为y轴建立坐标系。
5.如权利要求4所述的一维流道尺寸计算方法，其特征在于，
所述内流道坐标点包括：
位于压气机进口截面的内流道进口坐标点；
位于压气机出口截面的内流道出口坐标点；以及
位于所述压气机进口与所述压气机出口之间中间截面的内流道中间坐标点
所述外流道坐标点包括：
位于压气机进口截面的外流道进口坐标点；
位于压气机出口截面的外流道出口坐标点；以及
位于所述压气机进口与所述压气机出口之间中间截面的外流道中间坐标点。
6.如权利要求4所述的一维流道尺寸计算方法，其特征在于，在步骤e中，通过如下公式(2)计算所述压气机理论轴向长度：
Ln＝(fout(xn)-fin(xn))/ARout+xn (2)；
其中，Ln为压气机理论轴向长度，fout为所述外流道函数曲线，fin为所述内流道函数曲线，xn为压气机出口截面沿所述x轴的坐标，ARout为压气机出口截面处的展弦比。
7.如权利要求6所述的一维流道尺寸计算方法，其特征在于，
在步骤f中通过如下公式(3)计算所述理论轴向长度与所述初始轴向长度的误差：
在步骤g中通过如下公式(4)计算所述理论轴向长度与实际轴向长度的误差：
其中，Delta1为理论轴向长度与初始轴向长度的误差，Delta2为理论轴向长度与实际轴向长度的误差，L0为初始轴向长度，Lc为实际轴向长度。
8.一种压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取压气机进口截面与出口截面的气动热力循环参数；
S2.计算压气机进口截面与出口截面的结构参数；
S3.通过如权利要求1至7任一项所述的一维流道尺寸计算方法得到压气机的一维流道轴向长度；
S4.生成压气机的一维流道布局。
9.如权利要求8所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，所述气动热力循环参数包括总温、总压、平均轴向马赫数以及物理流量。
10.如权利要求9所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，进口截面的平均轴向马赫数为0.4至0.6，出口截面的平均轴向马赫数为0.1至0.3。
11.如权利要求8所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，步骤S2中，通过如下公式(5)分别计算得到进口截面与出口截面的截面面积：
其中，Ai为截面面积(m2)，W为截面流量(kg/s)，Ma为截面平均轴向马赫数，T为截面总温(K)，γ为比热比，R为气体常数(J/(kg·K))；P为截面总压(Pa)。
12.如权利要求11所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，步骤S2中，通过如下公式(6)计算得到进口截面与出口截面的外径，通过如下公式(7)计算得到进口截面与出口截面的内径：
Dh＝Dt·HTR (7)；
其中，Dt为外径(m)，Dh为内径(m)，HTR为叶片叶根轮毂比。
13.如权利要求12所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，进口截面的轮毂比为0.5至0.7，出口截面的轮毂比为0.9至0.94。
14.如权利要求8所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，根据所述压气机进口截面与出口截面的结构参数、所述压气机的一维流道轴向长度、压气机各级转静子展弦比以及压气机各级轴向间隙生成得到所述压气机的一维流道布局。
15.如权利要求14所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，对于每一级压气机而言，转子进口展弦比为1至2，转子出口展弦比为0.9至1.2，静子进口展弦比为2.5至4，静子出口展弦比为0.9至1.1。
16.如权利要求14所述的压气机一维流道布局获取方法，其特征在于，对于压气机前面级数而言，转静子轴向间隙为0.11至0.13倍的轴向弦长，对于压气机后面级数而言，转静子轴向间隙为0.1至1.1倍的轴向弦长。
17.一种可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在由处理器执行时实现如权利要求8至16中任意一项所述的压气机一维流道布局获取方法的步骤。
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