基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法将叶片磨损简化为叶尖间隙值与叶片表面粗糙度均匀增大，通过流场仿真对叶片磨损形态的压气机，分别进行具有不同叶尖间隙值、不同叶片表面粗糙度以及同时具有两种情形叠加的叶片磨损的数值计算，与无故障压气机气动性能参数进行对比，得到压气机发生所述三种叶片磨损的性能衰退特性。采用单通道网格计算，节约计算资源，并且覆盖了不同叶片磨损程度，可表征发生叶片磨损故障后对压气机气动性能的影响，为航空发动机压气机气路故障数据仿真提供一类有效的故障特征系数。障特征系数。障特征系数。

【技术实现步骤摘要】
基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法


[0001]本公开涉及航空发动机气路故障诊断领域，特别涉及一种基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法。

技术介绍

[0002]航空发动机气路故障诊断技术在航空发动机健康管理系统中占据重要的地位，发动机状态预测及健康管理的研究工作建立在大量数据的基础上开展，而目前在实际机组上能够获取的数据量具有很大的局限性，难以通过现有的真实数据构建有效的气路故障诊断系统。基于发动机的性能模型，通过给定气路部件的效率和流量偏差系数，对相应气路故障进行模拟，是获取气路故障数据应用最广泛的方法。
[0003]航空发动机长期在恶劣的环境下运行，压气机处于机体前端，容易受空气中风沙、冰晶、盐雾、化学污染物以及机械碰磨等因素影响造成叶片磨损，使叶尖顶隙增大和叶片表面粗糙度增大，导致压气机性能下降，这是气路故障的常见形式。为了使基于性能模型气路故障数据模拟更接近实际情况，实现高逼真度的故障数据模拟，有必要对叶片磨损的压气机在不同工况下、不同压比下流量和效率特性偏差比率的变化规律进行研究。因此，如何获得压气机在发生不同情况的叶片磨损故障后，在不同运行工况下其性能参数发生的偏差特性成为该领域亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本公开提供了一种基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法包括以下步骤：
[0005]S100、基于CFD软件建立无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机数值计算模型并对其进行网格划分；
[0006]S200、对所述无故障压气机进行三维数值计算，获得无故障压气机气动性能参数,所述无故障压气机气动性能参数包括第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数；
[0007]S300、对叶片磨损形态的压气机，进行具有不同叶尖间隙值的第一故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第一故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶片表面粗糙度的第二故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第二故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶尖间隙值和不同叶片表面粗糙度发生第三故障情形下叶尖磨损的三维数值计算，获得第三故障情形气动性能参数；
[0008]S400、将步骤S300中获得的第一故障情形压气机气动性能参数、和/或第二故障情形气动性能参数、和/或第三故障情形气动性能参数分别与步骤S200获得的第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数进行对比，得到压气机发生第一故障情形、和/或第二故障情形、和/或第三故障情形后的性能衰退特性。
[0009]可选的，其中，步骤S100中所述数值计算模型通过如下步骤建立：
[0010]101、采用SolidWorks或UG三维建模软件对所述无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机以及其流道进行三维建模以得到三维的几何模型；
[0011]102、采用DesignModeler软件或类似软件对所述三维的几何模型进行前处理并提取流体计算域。
[0012]可选的，其中，三维数值计算使用CFX求解器，设为定常流动，采用k
‑
ε湍流模型，选取方案为高阶迎风格式和湍流数值方法。
[0013]可选的，其中，所述步骤S200包括以下步骤：S201、设置基础边界条件，并对所建仿真模型进行网格无关性验证。
[0014]可选的，其中，所述步骤S201中设置基础边界条件，包括：在网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；
[0015]入口边界设置为总温和总压边界，其值为总温288.15K和总压101325Pa；
[0016]出口边界设置为平均静压，进气方向设置为轴向；
[0017]叶片、轮毂和机匣均设为绝热无滑移壁面，对转子叶片和轮毂设置相应转速；
[0018]叶片通道两侧设置为周期性边界条件。
[0019]可选的，其中，所述步骤S300所述第一故障情形包括设置相对于设计叶尖间隙不同程度增大的叶尖间隙值。
[0020]可选的，其中，所述步骤S300所述第一故障情形包括设置叶尖间隙值分别为1.25T、1.5T、1.75T、2T和2.5T，T为设计叶尖间隙。
[0021]可选的，其中，所述步骤S300所述压气机叶尖磨损故障形式包括设置不同程度增大的叶片表面等效粗糙度值。
[0022]可选的，其中，所述步骤S300所述压气机叶尖磨损故障形式包括设置表面等效粗糙度值分别为5μm、10μm、30μm、50μm和70μm。
[0023]可选的，其中，所述步骤S300所述压气机叶尖磨损故障形式包括同时设置叶尖间隙值增大和叶片表面等效粗糙度值增大。
[0024]可选的，其中，所述步骤S400中性能衰退特性包括压气机发生不同形式的叶片磨损故障，其在相同压比下的等熵效率和质量流量的衰退数据。
[0025]本公开具备如下有益技术效果：将叶片磨损简化为叶尖间隙值与叶片表面粗糙度均匀增大，可采用单通道网格计算，节约计算资源，并且覆盖了不同叶片磨损程度，可表征发生叶片磨损故障后对压气机气动性能的影响，为航空发动机压气机气路故障数据仿真提供一类有效的故障特征系数。通过对该影响进行定量的分析，基于分析结果可指导通过发动机部件级模型的气路故障数据生成。
附图说明
[0026]附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0027]图1为本专利技术实施例提供的基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性的表征方法流程图；
[0028]图2为本专利技术实施例提供的为压气机单通道流体计算域；
[0029]图3为本专利技术实施例提供的为压气机单通道网格细节；
[0030]图4(a)、图4(b)为本专利技术实施例提供的压气机网格无关性验证对比图；
[0031]图5为本专利技术实施例提供的在设计转速下不同叶片磨损程度下与无故障叶片的效率特性曲线对比图；
[0032]图6为本专利技术实施例提供的在设计转速下不同叶片磨损程度下与无故障叶片的压比特性曲线对比图；
[0033]图7(a)、图7(b)为本专利技术实施例提供的轴流压气机不同工况下的效率和压比变化特性；
[0034]图8本专利技术实施例提供的轴流压气机叶片磨损总体故障特性。
具体实施方式
[0035]下面结合附图1至图8和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0036]需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
[0037]除非另有说明，否本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法包括以下步骤：S100、基于CFD软件建立无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机数值计算模型并对其进行网格划分；S200、对所述无故障压气机进行三维数值计算，获得无故障压气机气动性能参数,所述无故障压气机气动性能参数包括第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数；S300、对叶片磨损形态的压气机，进行具有不同叶尖间隙值的第一故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第一故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶片表面粗糙度的第二故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第二故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶尖间隙值和不同叶片表面粗糙度发生第三故障情形下叶尖磨损的三维数值计算，获得第三故障情形气动性能参数；S400、将步骤S300中获得的第一故障情形压气机气动性能参数、和/或第二故障情形气动性能参数、和/或第三故障情形气动性能参数分别与步骤S200获得的第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数进行对比，得到压气机发生第一故障情形、和/或第二故障情形、和/或第三故障情形后的性能衰退特性。2.根据权力要求1所述方法，其中，优选的，三维数值计算使用CFX求解器，设为定常流动，采用k
‑
ε湍流模型，选取方案为高阶迎风格式和湍流数值方法。3.根据权力要求1所述方法，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿佳，余壮，徐茂峻，廖增步，高飞宇，邓云涛，李明，宋志平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：