CN116861703A - 压气机可调静子角度优化方法 - Google Patents

Abstract

提供一种压气机可调静子角度优化方法，应用于多级可调静子角度的寻优，其特征在于，包括如下步骤：A1.确定压气机的因变量参数，并确定目标因变量参数值，以各级可调静子的角度为自变量；A2.固定压气机转速，从最后一级可调静子的角度开始调整，进行压气机试验，当最后一级的因变量参数匹配目标因变量参数值时，确定最后一级可调静子的匹配角度；A3.从后往前地逐级调整各级可调静子角度，至各级的因变量参数均匹配至各级的目标因变量参数值，获取各级可调静子的匹配角度。上述优化方法针对不同的优化目标，能够实现可调静子角度优化策略的快速寻优，加快试验进程。

Description

压气机可调静子角度优化方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及压气机试验领域。

背景技术

高压压气机作为航空发动机的重要部件，其性能优劣对发动机的性能至关重要，因此在压气机部件设计过程中往往需要开展压气机性能试验以验证压气机的性能能否满足发动机要求。

众所周知，压气机设计是一门复杂学科，实现气流在压气机内的高效增压过程难度较大；并且，由于高压压气机级数多，多级匹配对压气机的性能影响较大。尽管实现了压气机的设计，但是由于加工、试制、装配等误差以及间隙与设计的误差、CFD计算与实际试验的偏差，往往会导致在压气机性能试验过程中，与设计存在较大的偏差，甚至会导致压气机的效率、裕度偏低。如，压气机在低转速工况下表现出前喘后堵，在高转速状态下又表现出前堵后喘的匹配状态。

因此现代压气机设计中往往采用可调静子叶片（Variable Stator Vane，VSV）来试验压气机在不同转速下的多级匹配，使得各级匹配满足设计目标，或使得压气机效率进一步提高，或使得压气机裕度提高。

但是，在试验过程中，单排可调静子的调整往往会影响多级的负荷。如图1所示，单排可调静子角度（安装角）的改变影响了当前级及前面所有级的压比匹配，但对该级之后的压比匹配的影响微乎其微。

此外，如一台十级压气机中通常有4~5级的可调静子叶片，其角度组合数众多，如何在众多角度组合中寻优，高效实现可调静子角度的优化，成为压气机性能试验过程中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种压气机可调静子角度优化方法，能够针对不同优化目标实现多级可调静子角度的合理、快速寻优。

为实现上述目的的压气机可调静子角度优化方法，应用于多级可调静子角度的寻优，其特征在于，包括如下步骤：A1.确定压气机的因变量参数，并确定目标因变量参数值，以各级可调静子的角度为自变量；A2.固定压气机转速，从最后一级可调静子的角度开始调整，进行压气机试验，当所述最后一级的因变量参数匹配所述目标因变量参数值时，确定最后一级可调静子的匹配角度；A3.从后往前地逐级调整各级可调静子角度，至各级的因变量参数均匹配各级的目标因变量参数值，获取各级可调静子的匹配角度。

在一个或多个实施例中，所述目标因变量参数为压比，所述目标因变量参数值为设计压比值。

在一个或多个实施例中，先进行压气机流量的调节。

在一个或多个实施例中，调节压气机流量的步骤为：确定目标总流量；从前往后地逐级调整各级可调静子的角度，使压气机总流量匹配所述目标总流量。

在一个或多个实施例中，最先调节进气导流叶片的角度。

在一个或多个实施例中，所述目标因变量参数为压气机效率，所述目标因变量参数值为步骤A2或A3中测试得到的压气机效率范围内的最大值。

在一个或多个实施例中，各级所述可调静子的角度变化范围为-7~+7°，正值表示关小该级可调静子，负值表示张大该级可调静子。

由于单排可调静子角度的改变影响了当前级及前面所有级的压比负荷匹配，对该级之后的影响微乎其微，因此上述压气机可调静子角度优化方法从后往前地优化可调静子角度的策略，能够在不影响在后级别的静子角度的前提下实现各级可调静叶安装角的快速寻优。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是第4级可调静子角度变化对各级压比的影响示意图；

图2是多级压气机的示意图；

图3是压气机可调静子角度优化方法的流程图；

图4是以压比为因变量参数时的5级可调静子角度调节过程的流程图；

图5是压气机流量调整过程中5级可调静子角度调节过程的流程图；

图6是以压气机效率因变量参数时的5级可调静子角度调节过程流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

图2示出了多级压气机的示意图，IGV表示进口导流叶片（Inlet Guide Vane），而后的R1表示第一级转子（Rotor），S1表示第一级静子（Stator），依次类推至第十级转子R10。最后一级OGV为出口导流叶片（Outlet Guide Vane）。可调静子叶片（Variable StatorVane，VSV）为角度可调的静子叶片。

在本申请中，各级静子均为可调静子叶片（VSV）。

图1示出了任一级别可调静子角度变化对各级压比的影响示意图，并以第4级可调静子叶片为例。在图1中，横坐标表示质量流量（Mass Flow），纵坐标表示压气机总压比（Total Pressure Ratio），根据横坐标质量流量的增加，从左向右的各列离散点分别表示第7级到第1级叶片。

需要说明的是，图1中示出的是各级叶片，一般的，各级叶片包括一级静子叶片和一级转子叶片，如图1中的第四级叶片包括图2的第3级静叶S3和第4级动叶R4，也即第3级静叶S3和第4级动叶R4之间的区域。

在图1中，当调节第4级可调静子的角度，如菱形所示的，张大第4级可调静子4°，则该级可调静子角度的改变影响了当前级及前面所有级叶片，也即第3、2、1级叶片的负荷匹配，对该级之后的叶片负荷匹配的影响微乎其微，如图1所示的第7、6、5级叶片特性，压比流量几乎不存在变化。又如正三角形所示的，关小第4级可调静子4°，当前级及前面所有级叶片的负荷匹配受到影响，但第7、6、5级叶片仍然不变，各压比的离散点接近于集中在同一状态。

根据该数据得出以下规律：单级可调静子角度，又称单级可调静子的安装角，的改变影响了当前级及前面所有级的压比匹配，但对该级之后的压比匹配的影响微乎其微。

本公开的压气机可调静子角度优化方法用于针对不同的目标因变量参数，实现多级可调静子角度的快速寻优。

自变量为各级可调静子的角度，因变量参数是根据各级可调静子的角度而变化的压气机参数，是不同的压气机优化目标，如将压比（pressure ratio）作为因变量参数，表征空气压力在压气机内提高的程度；还可以以压气机效率作为因变量参数，表征理想压气机功与实际压气机功的比值。

如图3所示，该方法包括如下步骤：A1.确定压气机的因变量参数，并确定目标因变量参数值，以各级可调静子的角度为自变量；A2.固定压气机转速，从最后一级可调静子的角度开始调整，进行压气机试验，当最后一级的因变量参数匹配目标因变量参数值时，确定最后一级可调静子的匹配角度；A3.从后往前地逐级调整各级可调静子角度，至各级的因变量参数均匹配至目标因变量参数，获取各级可调静子的匹配角度。

如以压比作为因变量参数，目标因变量参数值为工程人员所设计的压比值，则该方法具体按照如下步骤进行：确定各级可调静子的目标级压比值；固定压气机转速，从最后一级可调静子的角度开始调整，使最后一级的实际压比值匹配该级目标压比值时，获取最后一级可调静子的匹配角度，匹配角度指该级可调静子的优选角度；从后往前地逐级调整各级可调静子角度，至各级的实际压比值均匹配各级设计的目标级压比值，获取各级可调静子的匹配角度，进而获得各级角度的优选角度组合。

如图4所示，例如具有5排可调静子（IGV、S1、S2、S3、S4）的十级高压压气机，首先按一定间隔角度调整S4，也即第4级静叶，使R5，也即第5级动叶与第4级静叶所在级范围内，也就是S4-R5所在一级的压比匹配至该级设计目标压比值，当二者匹配时认为该工况下的角度具有较佳性能，为该级可调静子优选的匹配角度。

随后依次调整S3、S2、S1、IGV，直至所有可调级均匹配至设计的目标级压比值，即获得满足各级设计目标的可调静子的最优角度的集合，此时该压气机达到该设计状态通常会有比较优异的性能。

该方法中，在进行A1前，还需先调节压气机流量，使流量得到优化，使静子角度得到预调节。

如图2所示，压气机包括多级静叶和多级动叶。根据压气机的特点，各排可调静子叶片的角度调整对流量的影响从前到后依次减小，也即一般情况下，调节前一级静子，会对当前级和后一级的流量影响较大。为快速匹配压气机流量目标，一般需要前往后优化静子叶片，当前一级静子叶片的流量满足该级要求后，调整后一级静子叶片，直至各级流量负荷匹配设计目标。但由于在先的静子叶片对流量的影响较大，如果对第一级静子叶片的过重调整，会使第一级承载的流量过大，导致第一级负荷过高，此时需适应性调整第二级负荷使其匹配第一级负荷。因此，需关注各级的流量分布方案。

在一些实施例中，优化压气机流量的步骤为：确定目标总流量；随后从前往后地逐级调整各级可调静子的角度，使压气机总流量匹配目标总流量。一般而言影响总流量较大的是第一级可调静子。

如图5所示，仍以5排可调静子（IGV、S1、S2、S3、S4）的十级高压压气机为例，先调节进气导流叶片（IGV）的角度，在IGV角度优化完毕后，逐级从前往后的优化S1-S4级的角度，直至流量满足设计要求，各级流量符合也满足设计要求，完成对流量的优化，以及对静子角度的预调节。

在压气机试验过程中，通常会为进一步开展可调静子角度优化试的验探索，使用压气机效率为压气机优化设计提供方向，也即将目标因变量参数设置为压气机效率。

目标因变量参数为压气机效率时，则目标因变量参数值为压气机测试能够得到的压气机效率范围内的最大值，也即在不同工况下的测试数据集合中能够得到的最大值。

基于压气机某一级可调静子的角度变化会对其前面级的负荷产生影响，而各级的负荷分配对压气机效率影响较大，以压气机效率作为优化目标，进行多级可调静子角度的寻优方法为：固定压气机转速，从最后一级可调静子的角度开始调整，进行压气机试验，当最后一级的压气机效率为试验能够获得的最大值时，确定最后一级可调静子的匹配角度，也即在该匹配角度为该级可调静子的最优角度；从后往前地逐级调整各级可调静子角度，至各级的压气机效率均为能达到的最大值，则获取各级可调静子最佳的匹配角度，完成角度优化。

如图6所示，从压气机最后一级可调静子开始优化角度，并从后往前，即首选优化S4角度，通常按+0°、+1°、+2°、+3°、+4°、+5°、-1°、-2°、-3°、-4°、-5°甚至更大角度。可调静子的角度变化优选范围为-7~+7°，正值表示关小该级可调静子，负值表示张大该级可调静子。多次调整角度，直至寻得整机效率最高的S4（第四级静子）角度，并固定该角度，随后按同样方法依次优化S3（第三级静子）、S2（第二级静子）、S1（第一级静子）、IGV（进口导流叶片）。按该方法可以寻得更高效率的可调静子角度，实现全域快速搜索可调静子最佳角度，提高了效率。

因此，为实现不同的优化目标，本方法具有不同的可调静子角度优化策略。对于以压气机压比或压气机效率为目标的优化策略，根据高压压气机的特点，对静子叶片从后往前的进行调节，高效实现可调静子角度的优化，避免压气机性能试验件长时间运行，导致的资源浪费、人力浪费，同时避免长时间运行带来的安全隐患。

每级可调静子在其最佳角度下，使得优化目标得到提升。例如，以压气机压比为优化目标，则将使得压气机压比得到提升。

因此，为实现不同的优化目标因变量，本方法具有不同的可调静子角度优化策略。优化目标因变量可以为压气机流量，或压比，或压气机效率。

对于以压比或压气机效率为目标的优化，对静子叶片从后往前的进行调节，高效实现可调静子角度的优化，避免压气机性能试验件长时间运行而导致的资源浪费、人力浪费，同时避免长时间运行带来的安全隐患。

而优化压比时，可以先进行压气机流量的优化策略。为快速匹配压气机流量目标，进行流量的优化策略时对静子叶片是从前往后的调节，以获得当压气机具有最佳流量目标时的角度方案。

本领域技术人员可以理解的是，压气机的因变量参数包括但不限于上述实施例中提到的压比或压气机效率，还可以为其它压气机变量。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (7)

1.压气机可调静子角度优化方法，应用于多级可调静子角度的寻优，其特征在于，包括如下步骤：

A1.确定压气机的因变量参数，并确定目标因变量参数值，以各级可调静子的角度为自变量；

A2.固定压气机转速，从最后一级可调静子的角度开始调整，进行压气机试验，当所述最后一级的因变量参数匹配所述目标因变量参数值时，确定最后一级可调静子的匹配角度；

A3.从后往前地逐级调整各级可调静子角度，至各级的因变量参数均匹配至各级的目标因变量参数值，获取各级可调静子的匹配角度。

2.如权利要求1所述的压气机可调静子角度优化方法，其特征在于，所述目标因变量参数为压比，所述目标因变量参数值为设计压比值。

3.如权利要求2项所述的压气机可调静子角度优化方法，其特征在于，先进行压气机流量的调节。

4.如权利要求3所述的压气机可调静子角度优化方法，其特征在于，调节压气机流量的步骤为：

确定目标总流量；

从前往后地逐级调整各级可调静子的角度，使压气机总流量匹配所述目标总流量。

5.如权利要求4所述的压气机可调静子角度优化方法，其特征在于，最先调节进气导流叶片的角度。

6.如权利要求1所述的压气机可调静子角度优化方法，其特征在于，所述目标因变量参数为压气机效率，所述目标因变量参数值为步骤A2或A3中测试得到的压气机效率范围内的最大值。

7.如权利要求6所述的压气机可调静子角度优化方法，其特征在于，各级所述可调静子的角度变化范围为-7~+7°，正值表示关小该级可调静子，负值表示张大该级可调静子。