CN112632719A - 一种基于一维平均流线法的多级轴流压气机特性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于一维平均流线法的多级轴流压气机特性校正方法，根据多级轴流压气机运行所遵循的物理规律，建立基于一维平均流线法的多级轴流压气机性能分析方法，针对叶栅性能模型发展一种自动校准方法，搜寻压气机压比和效率与特定工作点的实验数据相匹配的叶片尾迹动量厚度系数，建立压气机已知条件范围的完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库；由已知叶片尾迹动量厚度系数标量数据库，求取所求工作点的尾迹动量厚度系数，实现对压气机特性的自动校准。本发明计算速度快，具有通用性，可以对压气机特性进行预测加密和外推，用于进口导叶、静叶可调时的特性预测，或计算没有实验数据或CFD数据转速下的整体性能。

Description

一种基于一维平均流线法的多级轴流压气机特性校正方法

技术领域

本发明涉及的是一种仿真方法，具体地说是燃气轮机仿真方法。

背景技术

一维平均流线法性能求解中通过引入流体粘性作用的影响进行性能分析，因此落后角和损失等经验模型对一维计算精度起到了显著影响。目前公开文献中的叶栅经验模型主要是针对标准叶型。但是随着叶轮机械的发展，通过参数化优化或反设计等方法得到的现代叶型及弯、掠等先进技术被广泛应用于现代高性能压气机中，现有的经验模型对现代叶型的适用性有待进一步检验。因此，如何利用模型自动校准方法对经验模型进行校准成为性能分析的关键。

经验模型通常是测试结果的平均值或统计曲线的拟合，因此不能期望各种经验相关性可以准确地代表每一台压气机。在多级压气机中，不同叶片排所处的工况条件并不相同，经验模型对各叶片排的准确性也存在一定差异，模型偏差的不断累积加剧了性能预测结果对经验模型的敏感性。此外，叶轮机械内流动具有强三维、有旋及非定常等特点，在多级轴流压气机中流动情况尤为复杂，因此经验模型难以普遍适用于各种流动情况。通过修正经验模型实现对压气机特性的自动校准，可以进一步提高性能分析的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供用于进口导叶、静叶可调时的特性预测，或计算没有实验或CFD数据的转速下整体性能的一种基于一维平均流线法的多级轴流压气机特性校正方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于一维平均流线法的多级轴流压气机特性校正方法，其特征是：

(1)建立一维平均流线法模型

平均流线法基于一维流动假设，在压气机子午流面上指定一条流线，其半径的定义为：

R_t为外径，R_h为内径，R_m为平均半径；该流线称为平均流线；平均流线与各排叶片前后缘的交点即为流场参数的计算点，也称计算站，对于各计算站而言，确定流场收敛的原则是连续性条件得到满足，连续性方程即为平均流线方法的控制方程：

m＝ρV_mA(1-B)

其中V_m为平均流线上的气流速度，A为通流区域面积，B为堵塞量，ρ为密度，m为质量流量；

由各计算站所处位置的流动参数代表该压气机整体气动布局情况，通过迭代求解，使得连续性条件得到满足，则本站计算完成；根据已知的几何参数和边界条件，通过基本气动关系式对多级压气机逐排求解，并采用落后角及损失等经验模型来引入流体粘性的影响；

根据输入平均流线程序不同的进口温度、压力、转速、质量流量，输出不同的性能分析结果：

[PI,Eff]＝f(T₀,P₀,n,G)

PI为压气机压比，Eff为压气机效率，n为转速，G为质量流量，T₀、P₀为进口温度与压力；

(2)选定优化变量

由二维低速叶栅损失试验得到的叶片尾迹动量厚度表达式为：

其中

为叶型损失中的尾迹动量厚度，K₁是常数，K₂为综合影响因子，

为等效扩压因子；取叶片尾迹动量厚度计算公式中的K₁为设计变量，对特定工作点反复运行平均流线模型进行性能分析，通过优化算法搜寻得到与特定工作点压气机压比和效率与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数K₁；

(3)建立完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库

对不同压气机等转速线取3个特定工作点，包括一个近失速点、一个近堵塞点以及一个中间流量点，对每个工作点，以尾迹动量厚度拟合公式中的系数K₁为设计变量，目标函数及约束条件为：

vlb≤K₁≤ulb

RMSE为目标函数值，K₁最优时，RMSE最小，PI₀、Eff₀为此工作点下试验数据，vlb为K₁下限，ulb为上限；对每个工作点搜寻与特定工作点性能与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数K₁，建立压气机已知条件范围的完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库；

(4)建立中间标量的插值方法

计算压气机特性线或所需工作点特性时，对落在计算等转速线上的点，依据标量数据库中已知等转速线上的3个特定工作点的标量通过Hermite插值建立中间标量K₁，代入平均流线法进行性能分析；对于不在标量数据库中的未知等转速线上的未知工作点，首先依据标量数据库中等转速线上3个特定工作点，通过线性插值建立未知工作点所在等转速线n_Inter上的3个特定工作点的标量K₁，再依据未知工作点所在等转速线n_Inter上的3个特定工作点的标量K₁通过Hermite插值建立未知工作点的中间标量K₁，代入平均流线法型性能分析，由此得到性能分析结果，从而实现对压气机特性的自动校准。

本发明的优势在于：将压气机特性的自动校准方法应用于一维平均流线法中的经验损失模型，从而得到较符合试验数据的压气机整体特性参数，可以进一步提高性能分析的准确性。该方法计算速度快、精度较高，具有通用性，可以对压气机特性进行预测加密和外推，用于进口导叶、静叶可调时的特性预测，或计算没有实验或CFD数据的转速下整体性能，具有一定的应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，以平均流线与各排叶片前后缘的交点为流场参数的计算点，由各计算站所处位置的流动参数代表该压气机整体气动布局情况，以落后角及损失等经验模型体现粘性、湍流、跨音、非定常等因素的影响，沿轴向分别计算各级(排)叶片出口参数，以此推进计算，最终通过叠加得到整机总体性能与气动布局参数。建立基于一维平均流线法的多级轴流压气机气动分析方法。在已知轴流压气机几何参数的基础上进行一维性能分析。

针对叶栅性能模型发展一种自动校准方法，由于特性和实验特性之间的差值主要是因为所选择的损失模型无法准确计算叶片尾迹动量厚度(也有其他因素的影响，但影响较小)，不同的系数使尾迹动量厚度不同，压比与效率特性也不同。对不同压气机等转速线取3个或以上不同质量流量的特定工作点，以尾迹动量厚度拟合公式中的系数为优化变量，对每个工作点反复运行平均流线模型，搜索优化群体中的最优个体，得到与特定工作点压气机压比和效率与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数，建立压气机已知条件范围的完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库。

由已知叶片尾迹动量厚度系数标量数据库，建立数据库之外工作点的尾迹动量厚度系数标量。对落在计算等转速线上的点通过Hermite插值建立中间标量；对各等转速线之间的工作点先通过线性插值建立特定工作点标量，再通过Hermite插值建立中间标量。平均流线法进行性能分析，由此得到性能分析结果，实现对压气机特性的自动校准。

本发明具体流程为：

(1)建立一维平均流线法模型

平均流线法基于一维流动假设。在压气机子午流面上指定一条特殊流线，其半径的定义为：

R_t为外径，R_h为内径，R_m为平均半径。

则该流线称为平均流线。平均流线与各排叶片前后缘的交点即为流场参数的计算点，也称计算站。对于各计算站而言，确定流场收敛的原则是连续性条件得到满足，故连续性方程即为平均流线方法的控制方程：

m＝ρV_mA(1-B) (2)

其中V_m为平均流线上的气流速度，A为通流区域面积，B为堵塞量，ρ为密度，m为质量流量。

由各计算站所处位置的流动参数代表该压气机整体气动布局情况，通过迭代求解，使得连续性条件得到满足，则本站计算完成。根据已知的几何参数和边界条件，通过基本气动关系式对多级压气机逐排求解，并采用落后角及损失等经验模型来引入流体粘性的影响。

根据输入平均流线程序不同的进口温度、压力、转速、质量流量，将输出不同的性能分析结果：

[PI,Eff]＝f(T₀,P₀,n,G) (2)

PI为压气机压比，Eff为压气机效率，n为转速，G为质量流量，T₀、P₀为进口温度与压力。

(2)优化变量的选定

亚音速压气机中，叶型损失占比较大。研究已经表明，绝大多数叶型损失模型只考虑了尾缘动量损失厚度的作用。由二维低速叶栅损失试验得到的叶片尾迹动量厚度表达式为：

其中

为叶型损失中的尾迹动量厚度，K₁是常数，一般取值0.0073，K₂为综合影响因子，约为1，

为等效扩压因子。取叶片尾迹动量厚度计算公式中的K₁为设计变量，对某一特定工作点反复运行平均流线模型进行性能分析，通过优化算法搜寻得到与特定工作点压气机压比和效率与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数K₁。

(3)建立完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库

对不同压气机等转速线取3个特定工作点，包括一个近失速点、一个近堵塞点以及一个中间流量点。对于表现出较强曲率的压气机特性，需要根据所需的精度取更多得工作点。对每个工作点，以尾迹动量厚度拟合公式中的系数K₁为设计变量，目标函数及约束条件为：

vlb≤K₁≤ulb (6)

RMSE为目标函数值，K₁最优时，RMSE最小，PI₀、Eff₀为此工作点下试验数据，vlb为K₁下限，ulb为上限。对每个工作点搜寻与特定工作点性能与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数K₁，建立压气机已知条件范围的完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库。

(4)建立中间标量的插值方法

计算压气机特性线或所需工作点特性时，以不同压气机等转速线为例：对落在计算等转速线上的点，依据标量数据库中已知等转速线上的3个特定工作点的标量通过Hermite插值建立中间标量K₁，代入平均流线法进行性能分析；对于不在标量数据库中的未知等转速线上的未知工作点，首先依据标量数据库中等转速线上3个特定工作点，通过线性插值建立未知工作点所在等转速线n_Inter上的3个特定工作点的标量K₁，再依据未知工作点所在等转速线n_Inter上的3个特定工作点的标量K₁通过Hermite插值建立未知工作点的中间标量K₁，代入平均流线法型性能分析。由此得到性能分析结果，从而实现对压气机特性的自动校准。

Claims (1)

1.一种基于一维平均流线法的多级轴流压气机特性校正方法，其特征是：

(1)建立一维平均流线法模型

平均流线法基于一维流动假设，在压气机子午流面上指定一条流线，其半径的定义为：

R_t为外径，R_h为内径，R_m为平均半径；该流线称为平均流线；平均流线与各排叶片前后缘的交点即为流场参数的计算点，也称计算站，对于各计算站而言，确定流场收敛的原则是连续性条件得到满足，连续性方程即为平均流线方法的控制方程：

m＝ρV_mA(1-B)

其中V_m为平均流线上的气流速度，A为通流区域面积，B为堵塞量，ρ为密度，m为质量流量；

由各计算站所处位置的流动参数代表该压气机整体气动布局情况，通过迭代求解，使得连续性条件得到满足，则本站计算完成；根据已知的几何参数和边界条件，通过基本气动关系式对多级压气机逐排求解，并采用落后角及损失等经验模型来引入流体粘性的影响；

根据输入平均流线程序不同的进口温度、压力、转速、质量流量，输出不同的性能分析结果：

[PI,Eff]＝f(T₀,P₀,n,G)

PI为压气机压比，Eff为压气机效率，n为转速，G为质量流量，T₀、P₀为进口温度与压力；

(2)选定优化变量

由二维低速叶栅损失试验得到的叶片尾迹动量厚度表达式为：

其中

为叶型损失中的尾迹动量厚度，K₁是常数，K₂为综合影响因子，

为等效扩压因子；取叶片尾迹动量厚度计算公式中的K₁为设计变量，对特定工作点反复运行平均流线模型进行性能分析，通过优化算法搜寻得到与特定工作点压气机压比和效率与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数K₁；

(3)建立完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库

对不同压气机等转速线取3个特定工作点，包括一个近失速点、一个近堵塞点以及一个中间流量点，对每个工作点，以尾迹动量厚度拟合公式中的系数K₁为设计变量，目标函数及约束条件为：

vlb≤K₁≤ulb

RMSE为目标函数值，K₁最优时，RMSE最小，PI₀、Eff₀为此工作点下试验数据，vlb为K₁下限，ulb为上限；对每个工作点搜寻与特定工作点性能与实验数据相匹配的最优叶片尾迹动量厚度系数K₁，建立压气机已知条件范围的完整叶片尾迹动量厚度系数标量数据库；

(4)建立中间标量的插值方法

计算压气机特性线或所需工作点特性时，对落在计算等转速线上的点，依据标量数据库中已知等转速线上的3个特定工作点的标量通过Hermite插值建立中间标量K₁，代入平均流线法进行性能分析；对于不在标量数据库中的未知等转速线上的未知工作点，首先依据标量数据库中等转速线上3个特定工作点，通过线性插值建立未知工作点所在等转速线n_Inter上的3个特定工作点的标量K₁，再依据未知工作点所在等转速线n_Inter上的3个特定工作点的标量K₁通过Hermite插值建立未知工作点的中间标量K₁，代入平均流线法型性能分析，由此得到性能分析结果，从而实现对压气机特性的自动校准。

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