CN112253545A - 压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法 - Google Patents

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CN112253545A CN202011513982.6A CN202011513982A CN112253545A CN 112253545 A CN112253545 A CN 112253545A CN 202011513982 A CN202011513982 A CN 202011513982A CN 112253545 A CN112253545 A CN 112253545A
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Abstract

本发明涉及一种压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法包括步骤A：根据单级可调静叶的调节角度变化前后在压气机的横截面上的投影面积的变化，测算压气机内气流流量的变化，改善了相关技术中存在通过试验测试不同静叶角度下压气机的流量存在的成本高、周期长、风险大、试验数据有限的问题。

Description

压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，具体而言，涉及一种压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法。
背景技术
航空发动机或燃气轮机中，压气机前面一级或多级静子叶片一般设计为安装角度可调节（称为VSV可调叶片），以提高非设计转速下压气机的性能。发动机转速变化时，通过VSV作动机构实时调节VSV叶片安装角度（沿叶片积叠轴旋转），以使航空发动机具有最优的性能。因此，每个转速下，每一级VSV均有一个确定的调节角度，从而形成全转速下的VSV调节规律。
该VSV调节规律对发动机的性能至关重要，因此压气机气动性能设计和发动机总体性能匹配设计过程中，需要经过多轮反复迭代，获得一组最优的VSV调节规律，使发动机的性能达到最佳状态。在此过程中，经常需要分析某一确定转速下，VSV角度发生变化时，压气机流量的变化情况。此外，受VSV作动机构控制精度的影响，同一构型的压气机VSV角度也会出现轻微差异，这种情况下也需要评估VSV角度差异对压气机流量的影响。
通常情况下，开展压气机VSV敏感性试验，能够较准确地获取想要的结果。但是试验成本高、周期长、风险大、试验数据有限，无法及时支撑发动机的设计工作。。
发明内容
本发明旨在提供一种压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，以改善相关技术中存在通过试验测试不同静叶角度下压气机的流量存在的成本高、周期长、风险大、试验数据有限的问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，该方法包括步骤A：根据单级可调静叶的调节角度变化前后在压气机的横截面上的投影面积的变化，测算压气机内气流流量的变化。
在一些实施例中，压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法还包括步骤B：通过累加多级静叶的调节角度变化对压气机的气体流量的影响，获得多级可调静叶联动时压气机总流量的变化。
在一些实施例中，所述步骤A包括：
获取压气机在设计转速
Figure 676357DEST_PATH_IMAGE001
下的第i级静叶VSVi的叶片参数，所述叶片参数包括叶片中间高度截面上弦长方向与压气机中轴线的夹角
Figure 531181DEST_PATH_IMAGE002
、第i级静叶VSVi的叶片数量
Figure 248601DEST_PATH_IMAGE003
、叶片中间高度截面上叶片的弦长值
Figure 519177DEST_PATH_IMAGE004
、叶片中间高度截面到压气机中轴线的高度值
Figure 268302DEST_PATH_IMAGE005
和叶片的调节角度值
Figure 28448DEST_PATH_IMAGE006
；
获取压气机在转速
Figure 170847DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的调节角度值
Figure 307431DEST_PATH_IMAGE008
，并计算压气机在转速
Figure 913993DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角
Figure 782723DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 307743DEST_PATH_IMAGE010
;
计算将第i级静叶VSVi的调节角度修订为
Figure 982438DEST_PATH_IMAGE011
时且压气机在转速
Figure 381189DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的中间高度截面上弦长方向与压气机中轴线的夹角
Figure 748717DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 928025DEST_PATH_IMAGE013
；
获取压气机在转速
Figure 78515DEST_PATH_IMAGE007
时且第i级静叶VSVi的调节角度值为
Figure 656739DEST_PATH_IMAGE008
时压气机的气流流量
Figure 929589DEST_PATH_IMAGE014
，并计算压气机在转速
Figure 533877DEST_PATH_IMAGE007
时且第i级静叶VSVi的调节角度值为
Figure 550374DEST_PATH_IMAGE011
时压气机的气流流量
Figure 986035DEST_PATH_IMAGE015
，其中,
Figure 633048DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 518440DEST_PATH_IMAGE017
,
当
Figure 338628DEST_PATH_IMAGE018
时，
Figure 504162DEST_PATH_IMAGE019
；
否则，
Figure 384393DEST_PATH_IMAGE020
。
在一些实施例中，所述步骤B包括：
获得各级静叶的流量变化系数
Figure 760011DEST_PATH_IMAGE021
；以及
获取压气机在转速
Figure 118311DEST_PATH_IMAGE007
时且多级静叶的调节角度值为
Figure 525634DEST_PATH_IMAGE008
时压气机的气流流量
Figure 248870DEST_PATH_IMAGE014
，并计算压气机在转速
Figure 315046DEST_PATH_IMAGE007
时且多级静叶的角度值为
Figure 477037DEST_PATH_IMAGE011
时压气机的气流流量
Figure 476217DEST_PATH_IMAGE015
，其中,
Figure 432672DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 45532DEST_PATH_IMAGE022
，也即变化系数
Figure 11214DEST_PATH_IMAGE023
等于各级静叶的流量变化系数
Figure 864900DEST_PATH_IMAGE021
相乘。
在一些实施例中，所述获取压气机在转速
Figure 929939DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的角度值
Figure 33024DEST_PATH_IMAGE008
包括：根据压气机原始的静叶调节角度随压气机转速的变化的曲线获得角度值
Figure 208922DEST_PATH_IMAGE008
。
应用本发明的技术方案，该方法通过原有的可调静叶的调节角度与压气机对应关系曲线获得可调静叶在特定转速
Figure 710923DEST_PATH_IMAGE007
下的可调静叶的调节角度；然后修订该特定转速下的可调静叶的角度，再后根据上述的公式计算可调静叶角度改变后的压气机的流量。因此，通过计算的方法就可以获得可调静叶角度变化后压气机的流量与变化前的关系，从而优化可调静叶的调节角度与压气机对应关系曲线，改善了相关技术中存在通过试验测试不同静叶角度下压气机的流量存在的成本高、周期长、风险大、试验数据有限的问题。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明的实施例的压气机的局部的结构示意图。
图2示出了本发明的实施例的压气机的可调静叶的结构示意图。
图3示出了本发明的实施例的压气机转速与可调静叶角度的关系图。
图4示出了本发明的实施例的压气机的可调静叶往打开和关闭方向变化示意图。
图5示出了本发明的实施例的压气机的可调静叶打开和关闭时压气机特性线和喘振边界线的变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本实施例的航空发动机的压气机的局部结构示意图，图2示出了本实施例的压气机的可调静叶的结构示意图，以下结合图1和图2所示介绍本实施例中所设计的参数如下。
参数1、N2R：相对换算转速，无量纲，特别地， N2R0表示设计转速，其中N2Rk表示任意某一转速（可以为设计转速）。
参数2、N：压气机1的可调静叶2的总级数。
参数3、下标0：设计转速N2R0下的参数。
参数4、下标i：第i级可调静叶2的参数，i取值范围为1～n。
参数5、上标’：表示可调静叶的调节角度变化后的参数。
参数6、VSVi,0：设计转速N2R0下，第i级可调静叶2的变化前的调节角度值。
参数7、VSVi,k：N2Rk转速下，第i级可调静叶2变化前的调节角度值。
参数8、VSV’i，k: N2Rk转速下，第i级可调静叶2变化后的调节角度值。
参数9、α：可调静叶的叶片中间高度截面上，叶片弦长方向与压气机中轴线3的夹角。
参数10、αi,0：设计转速N2R0下，第i级可调静叶的叶片中间高度截面4上，叶片弦长方向与压气机中轴线的夹角。
参数11、α’i,k： N2Rk转速下，可调静叶调节角度变化后，第i级可调静叶的叶片中间高度截面上，叶片弦长方向与压气机中轴线的夹角。
参数12、NBi：第i级可调静叶的叶排中叶片数量。
参数13、BTi：第i级可调静叶的叶片中间高度截面上，叶片的弦长值。
参数14、Rmidi：第i级可调静叶的叶片中间高度截面到压气机中轴线3的距离。
参数15、hi:VSVi（第i级可调静叶）的叶片前缘位置的叶片高度。
参数16、π：圆周率。
参数17、θi,k：N2Rk转速下，第i级可调静叶对应的流量变化系数。
参数18、θk：N2Rk转速下的流量累积变化系数，表征多级可调静叶角度联动时压气机总流量的变化。
Figure 681284DEST_PATH_IMAGE024
：N2Rk转速下，可调静叶静叶的调节角度变化前压气机的物理流量。
Figure 271665DEST_PATH_IMAGE025
：N2Rk转速下，下标0：设计转速N2R0下的参数。调节静叶的调节角度变化后压气机的物理流量。
需要说明的是：本实施例中，将压气机的速度为设计转速N2R0时可调静叶的角度定义为0度，压气机的速度变化后，控制可调静叶的角度变化，以使压气机具有最优的性能，可调静叶相对于压气机的速度为设计转速N2R0时的位置变化的角度为调节角度。
传统做法，可调静叶（VSV）角度对压气机性能影响，需要在压气机部件上开展VSV角度敏感性试验，获得VSV角度对压气机部件性能影响的基础数据，以支撑压气机或航空发动机整机的优化设计工作。该做法存在以下不足。
（1）、试验成本高、周期长，只能获取有限转速下的数据，无法及时支撑发动机的设计工作。
（2）、如图4所示，VSV角度变化分为打开和关闭两个变化方向。图5给出了两种变化方向，压气机特性线和边界线的变化情况。VSV角度往关闭方向变化时，压气机特性线往左下角变化，喘振边界线抬升，压气机处于更加安全的工作状态。而VSV角度往打开方向变化时，压气机工作线抬升，喘振边界线降低，喘振裕度明显减小，压气机处于更高风险的工作状态。因此，打开角度的VSV敏感性试验风险极大。通常情况下，为降低试验风险，需避免开展VSV开角度过大的试验，因而只能获得有限角度范围内的试验数据。
本实施例提供一种方法，在不开展可调静叶（VSV）角度敏感性试验的情况下，完成压气机可调静叶VSV角度变化对压气机流量影响的预估。本方法基于压气机物理流量与VSV调节前后横截面流通面积之间的关联关系，通过VSV叶片在横截面投影面积的变化情况，分析单级VSV角度变化对压气机物理流量的影响。进一步，由于多级压气机总流量受各个单级VSV调节角度变化综合影响，分析各个单级流通面积的变化，通过多级累加获得多级VSV联动时压气机总流量的变化。
该方法具体实施步骤如下。
一、VSV单级角度变化对压气机流量影响的预估。
首先分析单级VSV角度变化时，压气机流量的变化情况。以第一级可调静叶VSV1为例，介绍N2Rk转速下，VSV1角度由VSV1，k变化为VSV’ 1，k时，压气机流量变化的分析过程，具体如下。
（1.1）、、压气机叶片造型设计一般在设计转速N2R0下开展，因此很容易获知设计转速下，叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角α1，0、VSV1叶排的叶片数量NB1、VSV1叶片中间高度截面上叶片的弦长值BT1，叶片中间截面到压气机中轴线的高度值Rmid1，如图1和2所示。
（1.2）、如图3所示，设计压气机时，会获得一组初始的全转速VSV角度调节规律（即各级VSV角度值随转速变化的关系曲线）。某一确定转速下，各级VSV均有确定的角度值。在设计转速N2R0下VSV1的角度值为VSV1,0，N2RK转速下VSV1的角度值为VSV1,k。
（1.3）、N2RK转速下，VSV1的初始角度值为VSV1,k，对应的压气机物理流量为
Figure 516833DEST_PATH_IMAGE026
，此时叶片中间高度截面弦长与压气机中轴线的夹角为：
Figure 79533DEST_PATH_IMAGE027
。
（1.4）、N2Rk转速下，出于VSV优化设计或其他需求，将VSV1的角度值变化为VSV’ 1，k，此时叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角变为：
Figure 814270DEST_PATH_IMAGE028
。
（1.5）、VSV角度变化前，VSV1（第1级可调静叶）的流道可流通区域在横截面上的投影面积为：
Figure 295543DEST_PATH_IMAGE029
。
角度变化后，VSV1流道可流通区域在横截面上的投影面积为：
Figure 406718DEST_PATH_IMAGE030
。
此时，根据面积变化与流量变化的关联关系原理，得到VSV1角度变化后，对应于VSV1的流量变化系数为：
Figure 292766DEST_PATH_IMAGE031
。
特别地，当
Figure 463984DEST_PATH_IMAGE032
时，以VSV1叶片在横截面上的投影来衡量流通面积的变化，从而对应于VSV1的流量变化系数为：
Figure 169903DEST_PATH_IMAGE033
。
综上所述，对应于VSV1的流量变化系数为：
Figure 816261DEST_PATH_IMAGE034
。
（1.6）、对于单级VSV变化的情况，其压气机流量累积变化系数θk即为压气机单级流量变化系数θ1,k，即θk=θ1,k。
（1.7）、因此N2Rk转速下，VSV1角度由VSV1,k变化为VSV’ 1，k后，压气机物理流量由
Figure 619132DEST_PATH_IMAGE026
变化
Figure 695672DEST_PATH_IMAGE035
。
二、VSV多级联动变化对压气机流量影响的预估。
对于多级VSV角度同时变化的情况，假设N2Rk转速下，VSV1～VSVn在初始调节规律的基础上，分别由VSV1,k-VSVn,k分别变化为VSV’ 1，k-VSV’ n，k，分析压气机物理流量的变化，其具体过程如下。
（2.1）、参考步骤1.1～1.5的分析过程，分别获得对应于VSV1～VSVn的单级流量变化系数分别为θ1,k~θn,k，进而获得压气机流量累积变化系数θk=θ1,k*θ2,k*…*θn,k。
（2.2）进而可以得到N2Rk转速下，多级VSV角度联动变化后，压气机物理流量由
Figure 154466DEST_PATH_IMAGE036
变化为
Figure 341865DEST_PATH_IMAGE037
。
由此可见，本实施例提供了一种优化可调静叶的调节角度与压气机对应关系曲线的方法，该方法通过原有的可调静叶的调节角度与压气机对应关系曲线获得可调静叶在特定转速
Figure 264822DEST_PATH_IMAGE038
下的可调静叶的调节角度；然后修订该特定转速下的可调静叶的角度，再后根据上述的公式计算可调静叶角度改变后的压气机的流量。因此，通过计算的方法就可以获得可调静叶角度变化后压气机的流量与变化前的关系，从而优化可调静叶的调节角度与压气机对应关系曲线。
以下为两个根据上述的方法计算压气机流量的案例。
案例一：
本案例中，详细介绍90%转速下且压气机初始流量为20kg/s时，VSV1角度由31°变化为28°时，压气机物理流量的变化情况。详细过程如下。
（1）、某型压气机，VSV1叶片数
Figure 470454DEST_PATH_IMAGE039
为30，叶片中间截面到压气机中轴线的高度值
Figure 478862DEST_PATH_IMAGE040
为0.2m，叶片弦长
Figure 469951DEST_PATH_IMAGE041
为0.018m，在100%设计转速下，叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角
Figure 185098DEST_PATH_IMAGE042
为30.5°。
（2）、100%设计转速下，VSV1调节角度
Figure 603441DEST_PATH_IMAGE043
为0°，90%设计转速下，VSV1调节角度
Figure 771248DEST_PATH_IMAGE044
为31°。
（3）、在90%转速下，VSV1初始角度
Figure 563099DEST_PATH_IMAGE044
为31°，此时VSV1叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角为
Figure 195069DEST_PATH_IMAGE045
。
（4）、在90%转速下，VSV1由初始角度31°变化为28°，此时叶片VSV1叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角为：
Figure 721996DEST_PATH_IMAGE046
。
（5）、基于面积变化与流量的对应关系原理，得到角度变化后，对应于VSV1的流量变化系数为：
Figure 704995DEST_PATH_IMAGE047
。
（6）、对于单级VSV变化的情况，其压气机流量累积变化系数
Figure 975571DEST_PATH_IMAGE048
即为压气机单级流量变化系数
Figure 462047DEST_PATH_IMAGE049
，即
Figure 484842DEST_PATH_IMAGE050
。
（7）、90%转速下，压气机初始流量为20kg/s，VSV1角度由初始角度31°变化为28°，压气机物理流量由初始的20kg/s变化为
Figure 627242DEST_PATH_IMAGE051
。
案例二：
基于某型十级高压压气机试验实际角度变化情况，以及物理流量试验实测结果，将该方法的预估流量结果与试验实测流量结果进行比对，分析了本专利方法的准确性。出于试验数据保密性的考虑，本实施实例仅给出VSV角度的变化量及最终结果。
某型十级高压压气机前五级静叶可调，某次试验90%转速下VSV1、VSV2、VSV3、VSV4、VSV5调节角度分别变化-5.7°、-3°、-2.3°、-1.7°、-1.1°（往打开方向变化）。采用本专利提出的方法对压气机流量变化进行分析，对该压气机前五级VSV分别采用案例一中的分析步骤，分别获得各级的单级流量变化系数，进而获得压气机总流量的累积变化系数为1.068，即VSV角度变化后，压气机物理流量增加了6.8%，该次试验实测结果流量增加7.2%，两者极为接近，表明本专利提出的方法具有较高的准确性。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，其特征在于，包括步骤A：根据单级可调静叶的调节角度变化前后在压气机的横截面上的投影面积的变化，测算压气机内气流流量的变化。
2.根据权利要求1所述的压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，其特征在于，还包括步骤B：通过累加多级静叶的调节角度变化对压气机的气体流量的影响，获得多级可调静叶联动时压气机总流量的变化。
3.根据权利要求1或2所述的压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，所述步骤A包括：
获取压气机在设计转速
Figure 138306DEST_PATH_IMAGE001
下的第i级静叶VSVi的叶片参数，所述叶片参数包括叶片中间高度截面上弦长方向与压气机中轴线的夹角
Figure 416972DEST_PATH_IMAGE002
、第i级静叶VSVi的叶片数量
Figure 548351DEST_PATH_IMAGE003
、叶片中间高度截面上叶片的弦长值
Figure 240364DEST_PATH_IMAGE004
、叶片中间高度截面到压气机中轴线的高度值
Figure 852742DEST_PATH_IMAGE005
和叶片的调节角度值
Figure 313810DEST_PATH_IMAGE006
；
获取压气机在转速
Figure 681338DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的调节角度值
Figure 595067DEST_PATH_IMAGE008
，并计算压气机在转速
Figure 336102DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的叶片中间高度截面上弦长与压气机中轴线的夹角
Figure 589360DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 862210DEST_PATH_IMAGE010
;
计算将第i级静叶VSVi的调节角度修订为
Figure 528815DEST_PATH_IMAGE011
时且压气机在转速
Figure 545312DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的中间高度截面上弦长方向与压气机中轴线的夹角
Figure 980973DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 359477DEST_PATH_IMAGE013
；
获取压气机在转速
Figure 513378DEST_PATH_IMAGE007
时且第i级静叶VSVi的调节角度值为
Figure 333566DEST_PATH_IMAGE008
时压气机的气流流量
Figure 623733DEST_PATH_IMAGE014
，并计算压气机在转速
Figure 441648DEST_PATH_IMAGE007
时且第i级静叶VSVi的调节角度值为
Figure 817265DEST_PATH_IMAGE011
时压气机的气流流量
Figure 175565DEST_PATH_IMAGE015
，其中,
Figure 520572DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 306125DEST_PATH_IMAGE017
,
当
Figure 169039DEST_PATH_IMAGE018
时，
Figure 331030DEST_PATH_IMAGE019
；
否则，
Figure 533472DEST_PATH_IMAGE020
。
4.根据权利要求3所述的压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，其特征在于，所述步骤B包括：
获得各级静叶的流量变化系数
Figure 755506DEST_PATH_IMAGE021
；以及
获取压气机在转速
Figure 102786DEST_PATH_IMAGE007
时且多级静叶的调节角度值为
Figure 802889DEST_PATH_IMAGE008
时压气机的气流流量
Figure 859838DEST_PATH_IMAGE014
，并计算压气机在转速
Figure 252773DEST_PATH_IMAGE007
时且多级静叶的调节角度值为
Figure 90279DEST_PATH_IMAGE011
时压气机的气流流量
Figure 594073DEST_PATH_IMAGE015
，其中,
Figure 502598DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 66435DEST_PATH_IMAGE022
，也即变化系数
Figure 391237DEST_PATH_IMAGE023
等于各级静叶的流量变化系数
Figure 433142DEST_PATH_IMAGE021
相乘。
5.根据权利要求3所述的压气机的可调静叶角度变化对流量影响的测算方法，其特征在于，所述获取压气机在转速
Figure 464683DEST_PATH_IMAGE007
时第i级静叶VSVi的调节角度值
Figure 199421DEST_PATH_IMAGE008
包括：根据压气机原始的静叶调节角度随压气机转速的变化的曲线获得角度值
Figure 745940DEST_PATH_IMAGE008
。
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