一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法技术

一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，具体为：一、根据多级轴流压气机级间测量参数，建立对应的S2流场计算流线曲率控制方程；二、根据多级压气机可能总温升可能较高，采用变比热工质计入级间测量参数的影响；三、根据热力学关系和静子模型得到流场中的静子落后角、熵分布参数；四、进行流场计算，得到根据级间测量参数的轴流压气机S2流场反演结果；五、根据反演得到的流场参数、性能参数等计算结果进行分析和诊断。本方法采用变比热工质，处理压气机级数较多，温升较大的情况时，准确度更高。打破了多级压气机测试中不同高度测点静压均等于壁面静压的假设，流场结果自动满足径向平衡方程，S2流场诊断精度更高，减少压气机设计循环。

【技术实现步骤摘要】
一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法
本专利技术涉及一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，它涉及到空气动力学及航空燃气涡轮发动机压气机试验流场诊断，属于航空燃气涡轮发动机压气机气动设计分析领域。
技术介绍
航空发动机是飞机的动力来源，因此飞机性能的提升要求飞机的发动机足够强劲。国外的先进发动机现在能够达到推重比10一级，涡轮前温度2000K。采用高推重比大推力发动机对于飞机性能的提升相当巨大，所以现在对发动机性能要求也水涨船高。我国正致力争取缩短与外国先进水平的差距。发动机传统设计过程，不论部件还是整机，都需要投入及其大量的人力物力财力；在设计过程中，一般采用试验方式，将设计中存在的问题显现出来，然后对症下药，找出改进方法，再进行新的样品加工，完成相应的校正与比对，检验先前推断是否合理，改进方式是否有效的结论。总的来说，这是一种反复迭代的设计方法。设计者的经验在设计过程中起着至关重要的作用。在这种“设计→实验→再设计→再实验”的循环过程中，实现错误认识减的少，最终达到可用设计。计算流体力学(CFD)可以提供丰富的部件与流场细节用于参考，但是目前主流的模拟软件在处理级数较多多级压气机时，其计算结果准确性却不尽人意。在目前设计压气机的全三维模拟由于计算资源等原因限制主要还是以定常模拟为主，转静子各自当作叶栅排进行计算，各排叶片通过转静交界面进行连接。但是转静交界面作为掺混面，将前排叶片出口的非均匀流动进行了均化，人为地添加了掺混，产生了额外的熵增。同时多级压气机中的泄漏流动、盘腔流动、几何形状等参数，均可能在CFD和真实物理样机中存在较大差别。那么这种处理方式在级数较少时产生的误差可能还不会很大，但是级数一旦多起来之后后面级的计算结果就会发生偏差，多级压气机的匹配会遭到破坏，级数越多累计误差越多。在20世纪60年代，压气机的级压比逐渐提高，流道的收缩愈专利技术显，准三维的设计体系开始出现。由于这种方法对子午流场的计算更详细，更加适应一些原来二维设计体系下存在的问题。目前准三维设计体系已经发展到比较成熟的一个阶段，如国外的F100，F110，E3，74A，CFM56等都是采用这种方法设计的。准三维设计过程中由于降低了压气机内流动的维度，还是需要可靠的经验数据等支撑才可以得到较好的结果。通常的工程用经验公式是有适用范围的，当然这涉及到试验结果数据库的建立与分析，但这是压气机设计技术发展的必由之路。比如GE通用电器公司的进行了大量低速压气机实验台，分析整理出了一套评估损失和裕度的经验关系。此外PW普惠，RR罗罗，CIAM俄罗斯中央航空发动机研究院等机构也积累了大量的数据，并形成经验，设计出了一批优秀的产品。综上所述，由于目前全三维模拟分析的手段对多级压气机的还存在一些不足，所以对试验样机的数据进行形成相关经验，并通过准三维的方式进行分析便具有更加重要的意义。因此在当今的多级压气机设计条件下，物理样机试验仍旧是很重要的一环。在直接测量得到多级压气机内流场难以完成的条件下，如何处理、整理好级间测量数据的需求就凸显出来。级间测量给出了试验物理样机的流场内某些位置点的物理参数，因此将之作为子午流场计算的输入条件，结合静子模型时，其数据是足以反演出满足S2流面内的流场的，从而可以得到较传统测量数据处理方式更加精准的结果。本专利技术正是基于这一原理提出了一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法并验证了这一方法的可靠性。本专利技术打破了径向静压不变的假设，所得到的流场结果自动满足流场的径向平衡方程。其子午流场计算结果精准度较传统的方式得到明显提高。而计算结果的级熵增来直接来自于测量参数，从而避免了传统通流分析过程中可能出现因损失模型偏差带来的误差逐级放大现象。本方法可以快捷地得到压气机原型机实验S2流场与设计S2流场的差别，试验中各级性能、各基元级性能与设计值的偏差，用于后续改进设计，或修正设计模型，提升设计数据库的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，以获得对压气机试验子午流场的反演结果。本方法的主要应用场景是在压气机物理样机进行了级间测试，设计人员取得了相应的级间测试数据后。设计人员可以诊断方法进行S2流场计算，其结果自动满足径向平衡方程。级间测量参数通常是在静子前缘处测量，此处气流周向速度较大，导致静压沿展向不一致，所以展向均匀静压假设会导致结果往往具有更大的误差，本方法可以避免这些问题。进行计算后的流场可以显示出子午S2流场中的马赫数、熵、速度、总压、静压、总温、静温、D因子、气流角、叶片迎角/落后角等相关参数分布，这些参数在传统的级间测量数据处理过程中是不易求得的。在有了流场参数后，对于压气机的每级特性如流量系数、负荷系数、效率等性能参数也可以得到，每一排叶片的工作状态便可以与设计值进行比较，更精准地进行调试，这也是优于传统的测量点展向均匀静压假设下结果的。“S2流面”指吴仲华先生(1951)提出的“两簇流面交替迭代法”中，进口处法向量与子午平面垂直，从轮毂到机匣的流面。“S2流场”是指“S2流面”上的流场。本专利技术提出一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，该方法具体步骤为：步骤一：对于轴流压气机的设计调试过程来说，往往会产生级间测量的大量结果，得到可靠的级间测量参数结果，通常为静子前缘的总温总压。根据级间测量参数，得到对应的便于求解的S2流场流线曲率控制方程。步骤二：由于多级轴流压气机的总温升可能较高，工作物质(工质)的物性变化可能较大，所以需要在计算中必须考虑变比热计算公式。工程上一般以多项式由实验结果拟合得到定压比热的函数关系：式中符号说明如下：cp——定压比热R——气体常数ci——各常系数T——气体静温步骤三：经过气体工质的变比热设定，结合热力学关系以及静子损失模型，可以得到压气机的熵分布，通过静子落后角预测模型，可以得到静子落后角的变化。这样的得到的流场熵分布，按照单级(一级静子+一级转子)熵增来看，与试验测得流场参数保持一致。一级内转子、静子间的熵增分配，取决于静子损失模型。从而避免了静子损失模型误差带来的后面级计算结果严重失真。步骤四：通过流线曲率法计算S2流场得到根据试验级间测量参数反演的流场。通过编程语言，如C、Fortran等实现流线曲率法迭代过程，求解展向平衡方程，将步骤三种得到的基于级间测量参数的熵分布作为输入，求解得到各计算站上各对应展高处的轴向、周向和径向速度、马赫数、总压、静压、总温、静温、各叶片排损失等各项参数。此流场反映了试验中无法直接观测的轴流压气机的S2流场流动情况。步骤五：通过对反演得到的流场结果、各级性能、各基元性能等进行分析，观察各级、各基元级的迎角增大或减小，各级、各基元级流量系数增大或减小，子午流场中是否出现了明显的子午速度增大或减小，各级损失相比设计值是否发生明显偏差等等。可以快速诊断出试验流场存在的问题，便于进行调试、后续设计工具改进等等。下面将详细介绍各步骤所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，其中，S2流场是指S2流面上的流场；S2流面是吴仲华提出的两簇流面交替迭代法中，进口处法向量与子午平面垂直，从轮毂到机匣的流面；/n其特征在于：该方法具体步骤为：/n步骤一：对于轴流压气机的设计调试过程来说，会产生级间测量的大量结果，得到可靠的级间测量参数结果，为静子前缘的总温总压；根据级间测量参数，得到对应的便于求解的S2流场流线曲率控制方程；/n步骤二：由于多级轴流压气机的总温升很高，工作物质的物性变化大，所以需要在计算中必须考虑变比热计算公式；以多项式由实验结果拟合得到定压比热的函数关系：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，其中，S2流场是指S2流面上的流场；S2流面是吴仲华提出的两簇流面交替迭代法中，进口处法向量与子午平面垂直，从轮毂到机匣的流面；
其特征在于：该方法具体步骤为：
步骤一：对于轴流压气机的设计调试过程来说，会产生级间测量的大量结果，得到可靠的级间测量参数结果，为静子前缘的总温总压；根据级间测量参数，得到对应的便于求解的S2流场流线曲率控制方程；
步骤二：由于多级轴流压气机的总温升很高，工作物质的物性变化大，所以需要在计算中必须考虑变比热计算公式；以多项式由实验结果拟合得到定压比热的函数关系：



其中，cp为定压比热；R为气体常数；ci为各常系数；T为气体静温；
步骤三：经过气体工作物质的变比热设定，结合热力学关系以及静子损失模型，得到压气机的熵分布，通过静子落后角预测模型，得到静子落后角的变化；从而得到的流场熵分布，按照单级熵增来看，与试验测得流场参数保持一致；一级内转子、静子间的熵增分配，取决于静子损失模型；避免了静子损失模型误差带来的后面级计算结果严重失真；
步骤四：通过流线曲率法计算S2流场得到根据试验级间测量参数反演的流场；通过编程语言，实现流线曲率法迭代过程，求解展向平衡方程，将步骤三种得到的基于级间测量参数的熵分布作为输入，求解得到各计算站上各对应展高处的轴向、周向和径向速度、马赫数、总压、静压、总温、静温、各叶片排损失的参数；此流场反映了试验中无法直接观测的轴流压气机的S2流场流动情况；
步骤五：通过对反演得到的流场结果、各级性能、各基元性能进行分析，观察各级、各基元级的迎角增大或减小，各级、各基元级流量系数增大或减小，子午流场中是否出现了明显的子午速度增大或减小，各级损失相比设计值是否发生明显偏差；诊断出试验流场存在的问题，便于进行调试、后续设计工具改进。


2.根据权利要求1所述的一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，其特征在于：步骤一中所述的“得到可靠的级间测量参数结果，为静子前缘的总温总压；根据级间测量参数，得到对应的便于求解的S2流场流线曲率控制方程”其具体方法如下：
根据流体的动力方程组，即牛顿第二运动定律，在相对柱坐标系下，忽略彻体力的作用，有动量方程如下：



其中为气体的相对速度，为角速度矢量，为到轴线的矢径，ρ为气体密度，▽p为静压压力梯度，为粘性应力梯度，算符▽为柱坐标系下求梯度运算
结合S2流面、迁移粘性以及定常假设，得到分量展开形式：



其中，r,x为径向坐标m、周向rad、轴向坐标m；w为相对速度m/s；ω为转速rad/s；ρ为密度kg/m3；p为静压Pa；f为粘性力产生的加速度m/s2；下标r,u,x代表径向，周向，轴向分量；
在随流坐标系中，得到如下常微分形式的完全展向平衡方程，得到用于根据级间参数快速求解流场的控制方程：



其中，m,l,r为流向、展向、径向坐标m；θ,σ,β为计算站与轴向夹角，流线与轴向夹角，相对气流角rad；为S2流面内的流向、展向偏导数；rm为流线曲率半径m；
v为绝对速度m/s；i为转焓J；T为静温K；s为熵J/K；下标m,u代表子午、周向分量；
关于流量方程，流线曲率法中，往往采用连续方程的积分形式表达各流管总质量的守恒，其具体表达形式为：



其中，G为流量kg/s；kg为环壁堵塞系数；l为展向坐标m；下标tip代表叶尖处；下标hub代表轮毂处。


3.根据权利要求2所述的一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，其特征在于：若出现的倒流，为保证流线曲率法继续计算流管流量；压气机S2流面的回流区始终在轮毂或机匣处发生，最靠边界处的流管包含了整个回流区以及部分正向流动区域，以达到此流管的流量。


4.根据权利要求3所述的一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，其特征在于：机匣和轮毂流线的速度值取为负值；设定其值最小为主流速度的-0.3倍。


5.根据权利要求1所述的一种基于轴流压气机级间测量参数的S2流场诊断方法，其特征在于：步骤二中，所描述的变比热“以多项式由实验结果拟合得到定压比热的函数关系”，建立的方法如下：
根据空气的物性，知道cp是与静温相关的物理量，即cp＝f(T)；若不考虑比热随温度的变化，称之为定比热...

【专利技术属性】
技术研发人员：金东海，桂幸民，周成华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11