【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及服役环境下航空燃气涡轮发动机性能快速评定方法，具体涉及一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法。
技术介绍
1、航空燃气涡轮发动机，尤其是军用航空燃气涡轮发动机，服役环境下不可避免会吸入砂石、飞鸟等硬物，进而打伤高速旋转的压气机叶片。硬物打伤压气机叶片，一方面会对叶片的结构强度产生影响，另一方面会影响压气机的气动特性、使得航空发动机的性能发生衰退。由于服役环境下，航空燃气涡轮发动机吸入的硬物类型、几何特征不可预见，且硬物与叶片的碰撞过程也不可预见，要分析硬物打伤叶片对压气机气动特性的影响就需要随机构造大量的硬物打伤叶片几何特征，研究分析压气机气动特性的变化，统计给出硬物打伤叶片影响压气机气动特性的规律。
2、压气机气动特性实验成本较高，因此采用数值仿真的方法研究分析硬物打伤叶片对压气机气动特性的影响是较为可行的技术路径。常规的压气机气动特性数值仿真方法，是通过求解流体连续方程、动量方程和能量方程方程，获得不同压气机叶片几何和工况下的气动参数，进而计算得到压气机的气动特性，应用于大量案例的研究分析，存在计算周期长、计算量大的问题，难以直接应用于硬物打伤叶片对压气机气动特性影响的分析。因此，发展硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，对于快速评定服役环境下航空发动机的性能具有重要意义。
技术实现思路
1、针对硬物打伤叶片影响压气机气动特性的研究分析，本专利技术提出一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，具体包括下列步骤；
2、步骤
3、具体包括下列步骤：
4、step1:压气机级环境下叶型生成；
5、令z轴为压气机的旋转轴，以z轴为中心生成回转面s2，根据压气机叶片实际几何，回转面s2与z轴的距离可能是变化的，即叶片进口半径r1和叶片出口半径r2的数值可能不同；由于压气机叶片的弯扭掠造型，叶片进口和出口的叶片高度可能并不相同，所以进口和出口同一相对叶高对应的绝对位置r1和r2可能并不相同；回转面s2与压气机叶片相交形成的截面曲线即为压气机叶型，通过改变r1和r2的数值，获得不同叶高位置的压气机叶型；
6、step2:掉块叶型几何特征的参数化；
7、令叶片的轴向为x轴，对于硬物打伤导致的叶尖前缘掉块，首先确定掉块沿叶高方向的尺度δr，在δr范围内提取不同叶高处的压气机叶型，对于每个压气机叶型，都存在一个前缘掉块区域，利用叶片吸力面和压力面型面沿轴向，即x轴的起始点坐标在坐标系里来参数化表征叶型前缘掉块区域；对于正常的压气机叶型，叶片吸力面和压力面型面沿x轴的起始点均在前缘点，对应的起始点坐标均为x0，出现前缘掉块时，吸力面型面沿x轴的起始点坐标变为xs，压力面型面沿x轴的起始点坐标变为xp，前缘掉块区域的几何特征用参数xs和xp来表征；
8、步骤二、生成包含硬物打伤的叶片几何数据；
9、对于步骤一中的参数xs和xp，根据航空燃气涡轮发动机服役过程中压气机叶片硬物打伤案例数据预估最大值xsm和xpm；硬物打伤叶片发生时，叶片几何变化不可预见、具有很强的随机性，因此，在(0，xsm)与(0，xpm)两个区间内分别抽取n个数值，即xsi和xpi，i＝1～n；将xsi和xpi组合，获得n组前缘掉块几何特征；对于任意一组xsi和xpi，首先利用压气机叶型几何型面气动设计方法生成原始的压气机叶型；之后，过xsi和xpi所对应的压力面和吸力面上的两点作一条直线，用该直线将原始叶型截断，截断后叶型的后半部分与该直线共同组成前缘掉块叶型，一共可在原始叶型的基础之上产生n个前缘掉块叶型；对于掉块叶片，在发生前缘掉块的δr范围内作不同叶高处的回转面s1与该掉块叶片相交，获得不同的叶型几何，假设一共提取了m个压气机叶型，每个叶型都能够利用上述方法产生n个前缘掉块叶型；
10、步骤三、建立硬物打伤叶片几何特征与压气机叶型气动特性变化的关联模型；
11、对于步骤二中m个压气机叶型中的第k个压气机叶型，利用计算流体力学或实验测试，获得原始叶型和n个前缘掉块叶型的气动参数，计算原始叶型和前缘掉块叶型总压损失和落后角的差异，获得前缘掉块影响下压气机叶型总压损失和落后角的变化；对于给定的第k个压气机叶型，通过步骤二生成n个前缘掉块的压气机叶型，对原始叶型和前缘掉块叶型分别计算来流马赫数、进气攻角改变时叶型的总压损失和落后角，这里来流马赫数、进气攻角根据压气机不同转速、流量时叶片不同截面处的来流参数确定；对于第k个压气机叶型，将原始叶型和前缘掉块叶型的总压损失和落后角分别相减，得到相应的总压损失差值δωki和落后角差值δβki，k＝1～m，i＝1～n，建立δωki和δβki与前缘掉块特征和来流马赫数、进气攻角的映射关系：δωki＝f(gki,ikj,makj)、δβki＝g(gki,ikj,makj)，其中gki为第k个压气机叶型的前缘掉块特征，即为xsi和xpi，ikj、makj分别为第k个压气机叶型的进气攻角和来流马赫数，j＝0～m，m为工况个数，j的取值由第k个压气机叶型的进气攻角和来流马赫数范围决定，对于进气攻角而言，假设第k个压气机叶型最小攻角为ikmin、最大攻角为ikmax，ikj＝ikmin+(ikmax-ikmin)*j/m；来流马赫数也照此计算；
12、步骤四、建立叶片体积力模型，对硬物打伤影响下压气机的气动特性快速预测；
13、具体包括下列步骤：
14、step1：叶片角动量和熵增计算；
15、对于给定的压气机叶片，利用建模方法提取叶片的角动量和熵增，建立叶片体积力模型；
16、角动量γ＝r(ωr-cm*tanβ)
17、其中，r为叶型半径；ω为转子角速度，cm为当地气流的轴向速度，β为气流角；
18、
19、其中，rg为气体常数，u0为气流速度，pt0为总压，ψ为损失系数；
20、step2：预测叶尖前缘掉块对压气机气动特性的影响；
21、对于给定压气机叶片不同截面处的m个叶型，分别进行分析，确定不同工况下第k个压气机叶型的进气攻角ikj和来流马赫makj，并将步骤二中生成的前缘掉块几何特征gki作为输入，利用步骤三建立的映射关系δωki＝f(gki,ikj,makj)、δβki＝g(gki,ikj,makj)获得第k个压气机叶型在前缘掉块影响下总压损失和落后角的变化；基于压气机叶片不同截面处叶型总压损失的变化，获得前缘掉块影响下叶片的熵增，基于压气机叶片不同截面处落后角的变化，获得前缘掉块影响下叶片的角动量，由此建立硬物打伤叶片的体积力模型；将原始叶型和叶尖前缘掉块叶型的叶片体积力模型作为源项施加在流体动力学方程之中，以此模拟叶片对气流的作用，利用计算流体力学方法求解原始和叶尖前缘掉块压气机的气动特性，对比分析即能够预测叶尖前缘掉块对压气机气动特性的影响。
22、在本专利技术的一个具体实施例中，步骤二中，n本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，其特征在于，具体包括下列步骤；
2.一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，其特征在于，步骤二中，N不小于30，m不小于3。
3.一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，其特征在于，步骤三中，利用Kriging代理模型建立两者映射关系，M不小于10。
【技术特征摘要】
1.一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，其特征在于，具体包括下列步骤；
2.一种硬物打伤叶片影响压气机气动特性快速预测方法，其特征在于，步骤二中，n...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海灯，吴云，龙宇涵，李应红，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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