軸流壓氣機上限流量測試方法
【專利摘要】一種軸流壓氣機上限流量測試方法，首先根據壓氣機的幾何參數和邊界條件經前處理構造出適于流線曲率法計算的流道，而后設定上限流量的初始迭代值及其遞增量、迭代次數，每個迭代步中進行流場計算和上限流量判別，直至判斷出上限流量，終止時的迭代值作為上限流量，最后記錄上限流量并對其評估，本發明預測跨聲速工況上限流量精度高，不依賴壓氣機經驗數據庫，節省了設計方案所需的成本，計算流程模塊化，與流場計算結果耦合，可靠性高。
【專利說明】
軸流壓氣機上限流量測試方法
技術領域
[0001] 本發明設及的是一種航空發動機領域的技術，具體是一種軸流壓氣機上限流量測 試方法。
【背景技術】
[0002] 軸流壓氣機采用基于流線曲率法的設計方案時，流量作為初始推導參數，由于不 存在上限流量的理論解，需要通過計算經驗模型的方式得到方案設計中的上限流量，即確 定壓氣機的最大工作流量。
[0003] 現有方法是根據設計方案模塊化W往壓氣機實驗數據，依照經驗庫提供的結果求 解出整機設計狀態下的流量，再由設計狀態流量來預測上限流量。但該方法受經驗庫內壓 氣機設計水平的限制，難W預測出新型壓氣機設計方案中的流動特點。現有的軸流壓氣機 轉子葉尖相對馬赫數可達到1.5，軸流壓氣機的超聲速區域流動范圍擴大。超聲速流動越顯 著，壓氣機的上限流量受到超聲速流動理論限制愈發明顯，使得通過經驗庫預測的精度偏 低。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術無法得到非設計狀態的上限流量等不足，提出一種軸流壓氣 機上限流量測試方法。
[0005] 本發明是通過W下技術方案實現的：
[0006] 本發明首先根據壓氣機的幾何參數和邊界條件經前處理構造出適于流線曲率法 計算的流道，而后設定上限流量的初始迭代值及其遞增量、迭代次數，每個迭代步中進行流 場計算和上限流量判別，直至判斷出上限流量為止，終止時的迭代值作為上限流量，最后記 錄上限流量并對其評估。
[0007] 本發明包括W下具體步驟：
[000引1)對設計方案確定的壓氣機幾何參數和邊界條件進行前處理，構造出適于流線曲 率法計算的流道；
[0009] 2)設定上限流量的初始迭代值、迭代次數和遞增量；
[0010] 3)進行本迭代步的流場計算；
[0011] 4)對流場計算結果進行上限流量判別，判斷出上限流量則終止，否則，若未達到迭 代次數，按遞增量得到新的迭代值并回到步驟3 )，若達到迭代次數，重新設定迭代次數并回 到步驟2);
[0012] 5)將終止時的迭代值作為上限流量并進行記錄評估。
[0013] 所述的步驟1)具體包括W下步驟：
[0014] 1.1)依次構造外機厘、輪穀、葉片前緣和葉片尾緣的型線函數；
[0015] 1.2)構造無葉片區內計算站的型線函數；
[0016] 1.3)依照流量徑向分配需求確定流線分布規律，并應用于所有計算站，從而構造 出流道的流線型線函數。
[0017]所述的流線分布規律為
'其中：
[001引
-=1，2，. ..，N-I，S( i)為第i條流線距輪穀的 距離，N為流線總數，A、B、C和D選取不同值則流量徑向分配需求不同，滿足A+B = C+D=1，且 A、B、C和D皆為正值。
[0019] 所述的步驟3)具體包括W下步驟：
[0020] 3.1)確定流場計算次數；
[0021] 3.2)計算初始流場；
[0022] 3.3)逐一求解流場，求解各個計算站的流線曲率法控制方程組；
[0023] 3.4)若流線曲率法控制方程組收斂或達到流場計算次數，則進行下一步，否則重 新構造流線型線函數，并回到步驟3.2)。
[0024] 3.5)儲存并輸出流場計算結果。
[0025] 所述的流線曲率法控制方程組包括:賭方程、連續性方程和動量方程。
[0026] 所述的連續性方程3
，其中：P為 密度，W為相對速度，r為徑向，Z為軸向，n為流面法向量。
[0027] 所述的動量方程^
，其中：P為 壓力，E為粘性應力，《為角速度。
[002引所述的賭方程為
其中：S為賭，Cp為等壓比熱容，柏為相對 滯止溫度，R為氣體常數，i祐為相對滯止壓力。
[0029] 所述的步驟4)具體包括W下步驟：
[0030] 4.1)如果流場計算結果發散時，到達迭代次數則重新設置更大的迭代次數，重新 執行步驟2)，未達迭代次數則按遞增量得到新的迭代值并回到步驟3)，如果流場計算結果 收斂則執行下一步；
[0031 ] 4.2)調用流場計算結果中的部分參數；
[0032] 4.3)應用氣動擁塞公式和上限流量判斷準則判斷上限流量，若迭代值為上限流量 則終止整個迭代，若迭代值不為上限流量且未達迭代次數則按遞增量得到新的迭代值并回 到步驟3)，若迭代值不為上限流量且達到迭代次數則重新設置更大的迭代次數，重新執行 步驟2)。
[0033] 所述的氣動擁塞公式戈
，其中：臨界聲31
，臨界密度
，流線所在截面的無量綱臨界面積為：
[0034]
[0035] 所述的上限流量判斷準則指達到氣動擁塞的流線流量之和大于當前迭代值的一 半時的迭代值即為上限流量。 技術效果
[0036] 與現有技術相比，本發明預測跨聲速工況上限流量精度高，不依賴壓氣機經驗數 據庫，節省了設計方案所需的成本，計算流程模塊化，與流場計算結果禪合，可靠性高。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發明流程示意圖；
[0038] 圖2為S維幾何與子午面投影示意圖；
[0039] 圖3為流道示意圖；
[0040] 圖4為流場計算結果圖；
[0041 ]圖5為上限流量判斷結果與試驗結果對比圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在W本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
[0043] 本實施例通過軸流壓氣機上限流量測試方法來預測一臺跨聲速軸流壓氣機的上 限流量，即首先根據壓氣機的幾何參數和邊界條件經前處理構造出適于流線曲率法計算的 流道，而后設定上限流量的初始迭代值及其遞增量、迭代次數，每個迭代步中進行流場計算 和上限流量判別，直至判斷出上限流量，終止時的迭代值作為上限流量，最后記錄上限流量 并對其評估。
[0044] 所述的壓氣機的幾何參數包括:前緣半徑、前緣軸向位置、尾緣半徑、尾緣軸向位 置、輪穀半徑、輪穀軸向位置、外機厘半徑、外機厘軸向位置、葉頂間隙、前緣幾何角、尾緣幾 何角、前緣小圓厚度、葉片最大厚度、尾緣小圓厚度、葉片最大厚度處軸向位置、罩量角、弦 長、安裝角和葉片數。所需的邊界條件包括:進口滯止溫度、滯止壓力和周向速度。壓氣機的 主要設計參數如表1所示。
[0045] 表1壓氣機設計參數
[0046] 如圖I所示，壓氣機上限流量的預測包括W下步驟：
[0047] 1)對設計方案確定的如圖2所示的壓氣機幾何參數和邊界條件進行前處理，構造 出適于流線曲率法計算的流道：
[004引1.1)依次構造外機厘、輪穀、葉片前緣和葉片尾緣的型線函數。對輸入的幾何參數 進行=次自然樣條插值獲得幾何參數的型線函數即幾何型線，把已知的離散幾何點轉化為 連續函數。
[0049] 1.2)構造無葉片區內計算站的型線函數。如圖3所示，按照相同的插值方法，在進 氣段和出氣段的無葉片區構造了徑向計算站，且進氣段的計算站之間的軸向距離按照一定 比例衰減。構造了葉片之間無葉片區的計算站，使計算站的軸向位置位于兩排葉片的中點 處，總共構造了 18處計算站。
[0050] 1.3)依照流量徑向分配需求確定流線分布規律，并應用于無葉片區內計算站、葉 片前緣和葉片尾緣，從而構造出流線型線函數，如圖3所示構造了 36條流線，形成流道。
[0051] 所述的流線分布規律呆
庚中：
[0052]
，i = I，2，. . .，N-1，S(i)為第i條流線距輪穀的 距離，N為流線總數，A、B、C和D選取不同值則流量徑向分配需求不同。但需滿足A+B = C+D = 1，且4、8、(：和0皆取正值。
[0053] 2)設定上限流量的初始迭代值，迭代次數和遞增量。初始迭代值可為小于上限流 量的任意正值，遞增量按照需求的測試精度決定，迭代次數的設置僅為終止異常值引起的 無限循環，故應使得達到迭代次數時的迭代值大于上限流量，若因迭代次數過少引起計算 終止，僅需將迭代次數調大即可，選取初始迭代值為20kg/s，遞增量為O.Olkg/s，迭代次數 為1000次。
[0054] 3)進行本迭代步的流場計算：
[0055] 3.1)確定流場計算次數，流場計算次數過大會顯著延長計算時間，流場計算次數 過少則流場難W收斂，運里選擇流場計算次數為1000次。
[0056] 3.2)計算初始流場，氣體動力學管道流動規律即忽略葉片對流動的影響，起到構 造初始流場的作用。在初始流量即初始迭代值為20kg/s，管道進口流速為165m/s，由于流道 不斷收縮，在亞聲速條件下流動持續加速，獲得初始流場。
[0057] 3.3)逐一求解各個計算站的流線曲率法控制方程組，各個計算站首先迭代求解動 量方程，并求解賭方程確定損失，最后通過連續性方程保證各個計算站的流量相同，即整機 各個計算截面流量守恒。在流量為20.7kg/s時，計算站上不同流線的速度不同，將各個截面 的速度進行積分，積分結構在規定的精度范圍內應達到20.7kg/s，圖4為20.7kg/s時的收斂 流場，若流場不收斂則迭代繼續，直至計算終止。
[005引所述的流線曲率法控制方程組包括賭方程、連續性方程和動量方程。
[0059] 所述的連續性方程為
，其中：P為 密度，W為相對速度，r為徑向，Z為軸向，n為流面法向量。
[0060] 所述的動量方程為
，其中：P為 壓力，E為粘性應力，《為角速度。
[0061] 所述的賭方程為: ，其中：S為賭，Cp為等壓比熱容，？之為相對 滯止溫度，R為氣體常數，乃佈刈怖IE化yj。
[0062] 3.4)若流線曲率法控制方程組收斂或達到流場計算次數，則進行下一步，否則重 新構造流線型線函數，并回到步驟3.2)。流場計算收斂或者達到了流場計算次數皆表明流 場計算過程的終止，不收斂且未達到流程計算次數則需要進一步進行流場計算，即調整流 線型線函數后回到步驟3.2)重新計算。
[0063] 3.5)儲存并輸出流場計算結果。
[0064] 4)對流場計算結果進行判別，判斷出上限流量則終止，否則，若未達到迭代次數， 按遞增量得到新的迭代值并回到步驟3)，若達到迭代次數，重新設定迭代次數并回到步驟 2):
[0065] 4.1)如果流場計算結果發散，到達迭代次數則重新設置更大的迭代次數，執行步 驟2)，未達迭代次數則按遞增量選得到新的迭代值并回到步驟3)，如果流場計算結果收斂 則執行4.2)。
[0066] 4.2)調用流場計算結果中的部分參數，讀取子午流向速度、密度、相對滯止溫度和 相對滯止壓力四類流場計算參數，W及輸入的幾何參數，為計算上限流量做準備。
[0067] 4.3)應用氣動擁塞公式和上限流量判斷準則判斷上限流量，若迭代值為上限流量 則終止整個迭代，若迭代值不為上限流量且未達迭代次數則按遞增量得到新的迭代值并回 到步驟3)，若迭代值不為上限流量且達到迭代次數則重新設置更大的迭代次數，重新執行 步驟2)。
[006引所述的氣動擁塞公式為
*其中：臨界聲速
，臨界密度
流線所在截面的無量綱臨界面積為：
[0069]《公式應用到輪穀至外機厘內包含 1_、 /
J 的所有流線上，氣動擁塞公式成立或氣動擁塞公式中自'
r大于1則稱該流線達到氣動 擁塞。
[0070] 所述的上限流量判斷準則指達到氣動擁塞的流線流量之和大于當前迭代值的一 半時的迭代值即為上限流量。所述的流線流量為將流道分割為有限條流線后，相鄰流線之 間通過的流量。
[0071] 5)將終止時的迭代值作為上限流量并進行記錄評估。壓氣機的上限流量實測結果 為20.95±0.3kg/s，預測結果為20.88kg/s，預測結果在實測結果的誤差范圍內，為合理值。
[0072] 與現有技術相比，本方法不依賴壓氣機經驗數據庫，應用的物理模型可W替代經 驗數據庫;采用的數值方法精度高，判斷方法與流場計算結果禪合，提升了可靠性，上限流 量判斷結果與實驗結果的誤差為0.3%，且數值模型中遞增量誤差遠小于實驗測量誤差，僅 為實驗測量誤差的3 % ;計算流程模塊化，縮短了設計時間，單步計算時間和流場收斂的計 算次數皆遠小于=維計算流體力學方法，相較=維計算流體力學方法和實驗方法，應用本 方法消耗的時間可忽略不計;給出的結果為其他數值方法和實驗方法提供參考，大量節省 了設計方案所需的成本。
【主權項】
1. 一種軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征在于，首先根據壓氣機的幾何參數和邊 界條件經前處理構造出適于流線曲率法計算的流道，而后設定上限流量的初始迭代值及其 遞增量、迭代次數，每個迭代步中進行流場計算和上限流量判別，直至判斷出上限流量，終 止時的迭代值作為上限流量，最后記錄上限流量并對其評估。2. 根據權利要求1所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，具體包括以下步 驟： 1) 對設計方案確定的壓氣機幾何參數和邊界條件進行前處理，構造出適于流線曲率法 計算的流道； 2) 設定上限流量的初始迭代值、迭代次數和遞增量； 3) 進行本迭代步的流場計算； 4) 對流場計算結果進行判別，判斷出上限流量則終止，否則，若未達到迭代次數，按遞 增量得到新的迭代值并回到步驟3)，若達到迭代次數，重新設定迭代次數并回到步驟2); 5) 將終止時的迭代值作為上限流量并進行記錄評估。3. 根據權利要求2所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的步驟1)具體 包括以下步驟： 1.1) 依次構造外機匣、輪轂、葉片前緣和葉片尾緣的型線函數； 1.2) 構造無葉片區內計算站的型線函數； 1.3) 依照流量徑向分配需求確定流線分布規律，并應用于無葉片區內計算站、葉片前 緣和葉片尾緣，從而構造出流道的流線型線函數。4. 根據權利要求3所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的流線分布規 律為為第i條 流線距輪轂的距離，N為流線總數，A、B、C和D選取不同值則流量徑向分配需求不同，A+B = C+ D = l，且A、B、C和D皆為正值。5. 根據權利要求3所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的步驟3)具體 包括以下步驟： 3.1) 確定流場計算次數； 3.2) 計算初始流場； 3.3) 逐一求解流場，求解各個計算站的流線曲率法控制方程組； 3.4) 若流線曲率法控制方程組收斂或達到流場計算次數，則進行下一步，否則重新構 造流線型線函數，并回到步驟3.2)。6. 根據權利要求5所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的流線曲率法 控制方程組包括熵方程、連續性方程和動量方程。7. 根據權利要求6所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的連續性方程 為：其中：P為密度，W為相對速度，r為徑 向，z艿細冋，η艿沭囬'/云冋重； 所述的動量方程為：E為粘性應力，ω為角速度； 所述的熵方程為'其中：s為熵，(^為等壓比熱容，（為相對滯止 溫度，R為氣體常數，/C為相對滯止壓力。8. 根據權利要求5所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的步驟4)具體 包括以下步驟： 4.1) 如果流場計算結果發散時，到達迭代次數則重新設置更大的迭代次數，重新執行 步驟2)，未達迭代次數則按遞增量得到新的迭代值并回到步驟3)，如果流場計算結果收斂 則執行下一步； 4.2) 調用流場計算結果中的部分參數； 4.3) 應用氣動擁塞公式和上限流量判斷準則判斷上限流量，若迭代值為上限流量則終 止整個迭代，若迭代值不為上限流量且未達迭代次數則按遞增量得到新的迭代值并回到步 驟3)，若迭代值不為上限流量且達到迭代次數則重新設置更大的迭代次數，重新執行步驟 2) 〇9. 根據權利要求8所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的氣動擁塞公式夕 乾線所在 截?10. 根據權利要求9所述的軸流壓氣機上限流量測試方法，其特征是，所述的上限流量 判斷準則指達到氣動擁塞的流線流量之和大于當前迭代值的一半時，迭代值即為上限流 量。
【文檔編號】G06F17/50GK106021708SQ201610327935
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】吳東潤, 斯夏依, 滕金芳, 羌曉青
【申請人】上海交通大學