一种压气机喘振边界的预测方法和装置制造方法及图纸

一种压气机喘振边界的预测方法和装置，所述方法包括：为压气机自身构建压气机模型，及为压气机下游的管路容腔系统构建管路容腔模型；求解所述压气机模型和所述管路容腔模型，得到所述压气机在多个工作点的仿真结果；及，根据仿真结果中所述压气机的流量和压比确定所述工作点是否发生喘振；其中，所述压气机模型为三维体积力模型，所述管路容腔模型是一维模型和集总参数模型的耦合。本公开实施例提升了压气机喘振的预测精度和计算效率。了压气机喘振的预测精度和计算效率。了压气机喘振的预测精度和计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种压气机喘振边界的预测方法和装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本公开要求2022年5月13日递交给中国国家知识产权局的，申请号为202210523898.5、专利技术名称为“一种压气机喘振边界的预测方法和装置”的中国专利申请的优先权，其内容在此通过引用而并入。


[0003]本公开涉及但不局限于压气机，更具体地，涉及一种压气机喘振边界的预测方法和装置。

技术介绍

[0004]压气机是航空发动机、车辆涡轮增压器、工业压缩机的重要组成部件。压气机通过其旋转部件的做功，将机械能转化为增压气体的动能和势能。在此过程中，由于压气机叶片增压能力的限制，当工作流量减小到一定的量值的时候，压气机会发生喘振失稳现象，导致压气机的性能下降，甚至破坏压气机的结构完整性。
[0005]为了避免在使用中出现喘振失稳现象，提前获知压气机的喘振边界极为重要，即压气机在什么工况下工作时会发生喘振。尽管通过试验测量能获取较为准确的喘振边界信息，但具有成本高、时间长、危险性大等问题，相较而言，采用数值仿真方法预测喘振边界则具有成本低、速度快的特点，且不存在试验风险的问题。但目前提出的各种数值仿真方法均存在预测精度较试验结果偏差较大的问题。

技术实现思路

[0006]以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
[0007]本公开一实施例提供了一种压气机喘振边界的预测方法，包括：
[0008]为压气机自身构建压气机模型，及为压气机下游的管路容腔系统构建管路容腔模型；
[0009]求解所述压气机模型和所述管路容腔模型，得到所述压气机在多个工作点的仿真结果；
[0010]根据仿真结果中所述压气机的流量和压比确定所述工作点是否发生喘振；
[0011]其中，所述压气机模型为三维体积力模型，所述管路容腔模型是一维模型和集总参数模型的耦合，所述一维模型基于压气机出口管路构建，所述集总参数模型基于压气机下游的容腔和阀门构建。
[0012]本公开一实施例还提供了一种压气机喘振边界的预测装置，包括处理器以及存储有计算机程序的存储器，其中，所述处理器执行所述计算机程序时能够实现如本公开任一实施例所述的压气机喘振边界的预测方法。
[0013]本公开实施例可以直接模拟喘振现象，并考虑了容腔和管路系统对压气机喘振预
测的影响，同时该方法采用体积力模型加速了全三维数值仿真方法的计算速度，采用一维模型和三维模型耦合的方法参数化了压气机下游的管路容腔系统，从而能够既快速又准确地进行压气机的喘振预测。
[0014]在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
[0015]图1是本公开一实施例压气机喘振边界的预测方法的流程图；
[0016]图2是本公开一实施例压气机喘振边界的预测装置的示意图；
[0017]图3是本公开一实施例压缩系统模型的模块图；
[0018]图4是本公开一实施例为压气机构建的三维体积力模型的示意图；
[0019]图5A和图5B是本公开一实施例压气机模型(三维模型)和管路模型(一维模型)之间进行信息双向传递的示意图；
[0020]图6是本公开一实施例以压气机转速和阀门开度系数为控制参数确定的稳定点和喘振边界的示意图；
[0021]图7是本公开一实施例得到的一个示例性的喘振圈的示意图。
具体实施方式
[0022]下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
[0023]本公开的描述中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本公开中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例不应被解释为比其他实施例更优选或更具优势。本文中的“和/或”是对关联对象的关联关系的一种描述，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0024]本公开各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。
[0025]目前采用数值仿真预测喘振边界的方法其预测精度较试验结果偏差较大，其原因主要有：1)传统全三维数值仿真方法无法直接模拟喘振现象，因此只能通过数值发散作为喘振的判定准则；2)集总参数方法需要用户给定压气机的完整特性曲线作为输入，而完整特性曲线往往需要通过复杂的试验获取，根据模型预测、拟合和插值的方法自然而然会引入误差；3)喘振边界位置受压气机出口容腔和管路尺寸的影响显著，而预测方法中往往无法考虑实际压气机下游系统的影响。此外，随着压气机级数的增加，通过仿真方法进行预测的计算成本和计算时间都会显著增加，这使得仿真的计算经济性和效率优势大大下降。
[0026]有鉴于此，本公开一实施例提供了一种压气机喘振边界的预测方法，如图1所示，包括：
[0027]步骤110，为压气机自身构建压气机模型，及为压气机下游的管路容腔系统构建管
路容腔模型；
[0028]步骤120，求解所述压气机模型和所述管路容腔模型，得到所述压气机在多个工作点的仿真结果；
[0029]步骤130，根据仿真结果中所述压气机的流量和压比确定所述工作点是否发生喘振；
[0030]其中，所述压气机模型为三维体积力模型，所述管路容腔模型是一维模型和集总参数模型的耦合，所述一维模型基于压气机出口管路构建，所述集总参数模型基于压气机下游的容腔和阀门构建。
[0031]本实施例中，压气机及其下游的管路容腔系统可以统称为压缩系统，如图3所示，为该压缩系统建立的压缩系统模型30包括基于压气机自身构建的压气机模型301，及基于压气机下游的管路容腔系统构建的管路容腔模型。压气机模型301可以是三维体积力模型，用有限体积法求解。管路容腔模型包括基于压气机出口管路构建的管路模型303和基于压气机下游的容腔和阀门构建的容腔阀门模型305，其中管路模型303采用一维模型，容腔阀门模型305采用集总参数模型。管路模型303可以用特征线法求解但不局限于此，容腔阀门模型则耦合在管路模型的出口边界条件中求解。
[0032]以离心为压气机为例，在为压气机构建三维体积力模型时，在压气机模型的流体计算域(简称为计算域，或求解域)的叶片区和非叶片区分别设置多个网格点。通过求解压气机模型对压气机进行仿真模拟时，根据设定的算法、初场及迭代步长等参数，对这些网格点的流动参数进行迭代计算。网格点的流动参数可以包括气流速度，流向速度，气体静密度，气体静压、气体静温、总温、总压、压比、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压气机喘振边界的预测方法，包括：为压气机自身构建压气机模型，及为压气机下游的管路容腔系统构建管路容腔模型；求解所述压气机模型和所述管路容腔模型，得到所述压气机在多个工作点的仿真结果；根据仿真结果中所述压气机的流量和压比确定所述工作点是否发生喘振；其中，所述压气机模型为三维体积力模型，所述管路容腔模型是一维模型和集总参数模型的耦合，所述一维模型基于压气机出口的管路构建，所述集总参数模型基于压气机下游的容腔和阀门构建。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述求解所述压气机模型和所述管路容腔模型，包括：基于初场或上一次迭代结果，采用有限体积法对所述压气机模型的计算域进行一次迭代计算，得到的所述压气机模型出口边界的第一信息传递给所述管路模型进口边界；根据所述第一信息更新所述管路模型进口边界的流动参数，采用特征线法对所述管路模型的计算域进行k次迭代计算，得到的所述管路模型进口边界的第二信息传递给所述压气机模型出口边界，k为正整数；根据所述第二信息更新所述压气机模型出口边界的流动参数，用于对所述压气机模型的计算域的下一次迭代计算；其中，所述集总参数模型耦合在管路模型的出口边界条件中求解，所述压气机模型的迭代步长是所述管路模型的迭代步长的k倍。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一信息包括所述压气机模型出口边界的总温、总压、静压和流量的信息；根据所述第一信息更新所述管路模型进口边界的流动参数，包括：气流为顺流状态时，基于所述第一信息中的总温、总压和流量的信息更新所述管路模型进口边界的节点的流动参数；气流为回流状态时，基于所述第一信息中的静压的信息更新所述管路模型进口边界的节点的流动参数；所述第二信息包括所述管路模型进口边界的总温、总压和静压的信息；根据所述第二信息更新所述压气机模型出口边界的流动参数，包括：气流为顺流状态时，基于所述第二信息中的静压的信息更新所述压气机模型出口边界的网格点的流动参数；气流为回流状态时，基于所述第二信息中总温和总压的信息更新所述压气机模型出口边界的网格点的流动参数。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述采用特征线法对所述管路模型的计算域进行k次迭代计算时，需求解的方程包括：所述采用特征线法对所述管路模型的计算域进行k次迭代计算时，需求解的方程包括：所述采用特征线法对所述管路模型的计算域进行k次迭代计算时，需求解的方程包括：
其中：p为静压；ρ为静密度；A为管路截面积；v为管路流向速度；x为管路长度坐标；t为时间；G为摩擦力；a为声速。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述集总参数模型耦合在管路模型的出口边界条件中求解时，需求解的方程包括：所述集总参数模型耦合在管路模型的出口边界条件中求解时，需求解的方程包括：所述集总参数模型耦合在管路模型的出口边界条件中求解时，需求...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑新前，曾翰轩，邹望之，李加桉，温孟阳，范腾博，杨合理，王钧莹，王宝潼，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：