优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法、系统、终端

技术领域

本发明属于压气机技术领域，尤其涉及一种优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法、系统、终端。

背景技术

目前，压气机机匣处理的主要作用是减小失速点的流量，从而增加压气机的喘振裕度，在实际工作中，由于APU引气压力较高或出口负载变化导致压气机工作点逼近喘振边界，可能导致压气机的叶片断裂，甚至APU发动机熄火等严重故障。为了提高压气机的喘振裕度，目前航空发动机主要采用压气机级间放气、进口可调导叶等方法。采用级间放气会使压气机出口压力剧烈波动，并不适用于APU，而采用进口可调导叶结构复杂，会明显增加发动机的重量，且喘振裕度增加有限。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有压气机的机匣处理结构不能适应压气机进气量增大的需求，排气段处理机匣在低工况下喘振裕度不高。

解决以上问题及缺陷的难度为：

本发明的技术难点在于对原有机匣处理结构的改进，之后通过理论计算结合仿真实验的方法进行多次优化修正，得到效果较优的机匣处理结构。

解决以上问题及缺陷的意义为：

通过本发明，通过对现有机匣处理结构的优化改进，可以提高压气机在低工况下的喘振裕度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法、系统、终端。

本发明是这样实现的，一种优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法，所述优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法包括：

对原机带轴向斜槽和回流腔机匣及参数改进型机匣进行数值模拟，确定参数改进型机匣的结构形式，并通过优化排气段、网格划分优化参数改进型机匣。

所述参数改进型机匣结构：

由喘振机理出发，当冲角增加时：①在压差作用下，气流进入机匣环形腔室并流向级的进口，使叶顶轴向速度增加，抑制叶顶气流分离；②循环流动把进入动叶的主流空气挤向轮毂，使轮毂处轴向速度增加；③腔室将脉动气流能量耗散，抑制了旋转分离的发展。

由前期对原型机匣处理计算，发现排气段对轴向速度的增加量较小，由于喘振发生主要是由于叶顶处轴向速度，流量减少，叶背发生气流分离导致，因此，针对发现问题对其进行改进，在原型机匣的基础上，改进排气段，增大轴向速度，改进结构如图13所示，将环形凹槽进气结构改为整个环形进气，调整进气段入口，扩大进气角度，增加进气量；在出气段，将出口改为倾斜收缩喷嘴，增大出口速度，计算低工况时的扩稳效果。

进一步，优化排气段包括：增大轴向速度，采用整个环形进气，通过调整进气段入口，扩大进气角度，增加进气量；在出气段，采用倾斜收缩喷嘴作为出气口，增大出口速度。

进一步，所述优化网格划分包括：

计算网格采用IGG/AutoGrid5进行单通道网格的划分，将计算区域分为主流区与机匣处理区；

对主流区网格拓扑结构采用O4H型结构，壁面附近的网格沿壁面法向方向按几何级数的规律加密，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.001mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，边界层外的网格均匀分布；

对机匣处理部分采用ZR技术处理，将机匣进气段设置为环形进气，围绕整个叶轮进行划分。

进一步，所述优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法包括以下步骤：

步骤一，获取原型机匣处理几何模型，建立原型机匣处理平面数值模型；

步骤二，计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分；

步骤三，基于计算的相关数据，计算原型机匣处理的喘振裕度；

步骤四，基于计算的相关数据进行机匣处理的结构优化，并计算结构优化后的机匣处理的喘振裕度；对比改进后机匣处理的喘振裕度与原型机匣处理的喘振裕度确定优化有效性。

进一步，步骤二中，所述计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分包括：

(1)计算域：采用CFD方法对涡轮流场进行数值模拟；

(2)网格划分：计算网格采用可视化IGG/AutoGrid5进行单通道网格的划分，将整个计算区域分为主流区与机匣处理区；所述主流流道利用NUMECA中专门针对叶轮机械部分网格生成模块AutoGrid整体划分网格，主流区网格拓扑结构采用O4H型结构，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.001mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，壁面附近的网格沿壁面法向方向按几何级数的规律加密，网格数约为该方向网格总数的三分之一，边界层外的网格均匀分布；机匣处理区和转子区之间设置转静子交界面；

(3)设计工况计算：通过设定边界条件、确定收敛标准，对压气机三维流场进行模拟，并基于模拟数值对机匣处理的总压分布、相对马赫数分布、压比流量进行分析。

进一步，所述通过设定边界条件，对压气机三维流场进行模拟包括：

对压气机三维流场进行模拟，进口给定总温，总压和气流角，出口给定平均静压，壁面采用绝热无滑移边界条件；

所述边界条件设置包括：

1)进口边界：流动方向为轴向，设定均匀总压为99300Pa，均匀总温为300K；

2)出口边界：平均静压为430000Pa；

3)固壁：无滑移固壁，绝热；

4)转子转速：7436RPM；

5)工质：空气；

6)转/静交界面处理：主流区各转/静交界面采用Conservation Coupling bypitchwise row，机匣处理结构的转静交界面采用Non reflecting 1D。

进一步，所述收敛标准包括：

总残差降低至一定水平后不再降低；总参数随迭代步数增加不再改变，总参数包括效率、压比、输出功率和扭矩；进出口流量差异不超过0.5％；总参数随迭代步数增加呈周期性波动。

进一步，所述机匣处理的喘振裕度计算公式如下：

本发明另一目的在于提供一种优化压气机机匣处理提高稳定裕度系统，包括：

原型机匣处理平面数值模型构建模块，用于获取原型机匣处理几何模型，建立原型机匣处理平面数值模型；

原型机匣处理的网格划分模块，用于计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分；

原型机匣处理的喘振裕度计算模块，用于基于计算的相关数据，计算原型机匣处理的喘振裕度；

机匣处理的喘振裕度计算模块，用于基于计算的相关数据进行机匣处理的结构优化，并计算结构优化后的机匣处理的喘振裕度；对比改进后机匣处理的喘振裕度与原型机匣处理的喘振裕度确定优化有效性。

本发明另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法，包括下列步骤：

步骤一，获取原型机匣处理几何模型，建立原型机匣处理平面数值模型；

步骤二，计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分；

步骤三，基于计算的相关数据，计算原型机匣处理的喘振裕度；

步骤四，基于计算的相关数据进行机匣处理的结构优化，并计算结构优化后的机匣处理的喘振裕度；对比改进后机匣处理的喘振裕度与原型机匣处理的喘振裕度确定优化有效性。

本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明能够有效优化排气段处理机匣，在低工况下对稳定裕度改善效果最好，本发明的方案相对于原始机匣处理将喘振裕度增大了6.04％。

附图说明

图1是本发明实施例提供的优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的进出口流量收敛曲线示意图。

图3是本发明实施例提供的全局残差收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为全局残差(无量纲).

图4是本发明实施例提供的效率收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为效率(无量纲)。

图5是本发明实施例提供的压比收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为压比(无量纲)。

图6是本发明实施例提供的通流部分总压分布示意图。

图7是本发明实施例提供的机匣处理截面速度流线分布示意图。

图8是本发明实施例提供的无机匣处理叶顶截面相对马赫数分布示意图。

图9是本发明实施例提供的带机匣处理叶顶截面相对马赫数分布示意图。

图10是本发明实施例提供的工况下原型机匣处理压比-流量特性示意图。横坐标为流量(kg/s)，纵坐标为压比(无量纲)。

图11是本发明实施例提供的工况原型机匣处理的效率-流量特性示意图。横坐标为流量(kg/s)，纵坐标为效率(无量纲)。

图12是本发明实施例提供的压比-流量特性对比示意图。横坐标为流量(kg/s)，纵坐标为压比(无量纲)；Original：原始没有机匣处理的结构；Case3：原始机匣处理结构；Case4：本发明的机匣处理结构。

图13是本发明实施例提供的改进型机匣示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法包括：

对原机带轴向斜槽和回流腔机匣及参数改进型机匣进行数值模拟，确定机匣处理的结构形式，通过优化排气段、网格划分优化压气机机匣处理。

本发明实施例提供的优化排气段包括：增大轴向速度，采用整个环形进气，通过调整进气段入口，扩大进气角度，增加进气量；在出气段，采用倾斜收缩喷嘴作为出气口，增大出口速度。

本发明实施例提供的优化网格划分包括：

计算网格采用IGG/AutoGrid5进行单通道网格的划分，将计算区域分为主流区与机匣处理区；

对主流区网格拓扑结构采用O4H型结构，壁面附近的网格沿壁面法向方向按几何级数的规律加密，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.001mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，边界层外的网格均匀分布；

对机匣处理部分采用ZR技术处理，将机匣进气段设置为环形进气，围绕整个叶轮进行划分。

如图1所示，本发明实施例提供的优化压气机机匣处理提高稳定裕度的方法包括以下步骤：

S101，获取原型机匣处理几何模型，建立原型机匣处理平面数值模型；

S102，计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分；

S103，基于计算的相关数据，计算原型机匣处理的喘振裕度；

S104，基于计算的相关数据进行机匣处理的结构优化，并计算结构优化后的机匣处理的喘振裕度；对比改进后机匣处理的喘振裕度与原型机匣处理的喘振裕度确定优化有效性。

步骤S102中，本发明实施例提供的计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分包括：

(1)计算域：采用CFD方法对涡轮流场进行数值模拟；

(2)网格划分：计算网格采用可视化IGG/AutoGrid5进行单通道网格的划分，将整个计算区域分为主流区与机匣处理区；所述主流流道利用NUMECA中专门针对叶轮机械部分网格生成模块AutoGrid整体划分网格，主流区网格拓扑结构采用O4H型结构，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.001mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，壁面附近的网格沿壁面法向方向按几何级数的规律加密，网格数约为该方向网格总数的三分之一，边界层外的网格均匀分布；机匣处理区和转子区之间设置转静子交界面；

(3)设计工况计算：通过设定边界条件、确定收敛标准，对压气机三维流场进行模拟，并基于模拟数值对机匣处理的总压分布、相对马赫数分布、压比流量进行分析。

本发明实施例提供的通过设定边界条件，对压气机三维流场进行模拟包括：

对压气机三维流场进行模拟，进口给定总温，总压和气流角，出口给定平均静压，壁面采用绝热无滑移边界条件；

边界条件设置包括：

1)进口边界：流动方向为轴向，设定均匀总压为99300Pa，均匀总温为300K；

2)出口边界：平均静压为430000Pa；

3)固壁：无滑移固壁，绝热；

4)转子转速：7436RPM；

5)工质：空气；

6)转/静交界面处理：主流区各转/静交界面采用Conservation Coupling bypitchwise row，机匣处理结构的转静交界面采用Non reflecting 1D。

本发明实施例提供的收敛标准包括：

总残差降低至一定水平后不再降低；总参数随迭代步数增加不再改变，总参数包括效率、压比、输出功率和扭矩；进出口流量差异不超过0.5％；总参数随迭代步数增加呈周期性波动。

本发明实施例提供的机匣处理的喘振裕度计算公式如下：

本发明还提供一种优化压气机机匣处理提高稳定裕度系统，包括：

原型机匣处理平面数值模型构建模块，用于获取原型机匣处理几何模型，建立原型机匣处理平面数值模型；

原型机匣处理的网格划分模块，用于计算原型机匣处理的域、设计工况，确定原型机匣处理的网格划分；

原型机匣处理的喘振裕度计算模块，用于基于计算的相关数据，计算原型机匣处理的喘振裕度；

机匣处理的喘振裕度计算模块，用于基于计算的相关数据进行机匣处理的结构优化，并计算结构优化后的机匣处理的喘振裕度；对比改进后机匣处理的喘振裕度与原型机匣处理的喘振裕度确定优化有效性。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：

1、原型机匣处理数值计算

(1)原型机匣处理几何模型

原型机匣处理模型为带轴向斜槽和回流腔的结构.

(2)建立平面数值模型

原型带轴向斜槽和回流腔机匣处理结构。

2、数值计算

2.1计算域

采用CFD方法对涡轮流场进行数值模拟，为减少计算量，采用周期边界处理方法，计算域只包括一个流道，此外，为保证计算收敛，将出口位置沿Z轴(工质流向)向下游延伸1倍动叶弦长。

2.2网格划分

计算网格采用可视化IGG/AutoGrid5进行单通道网格的划分，整个计算区域分为主流区与机匣处理区。主流流道利用NUMECA中专门针对叶轮机械部分网格生成模块AutoGrid整体划分网格，主流区网格拓扑结构采用O4H型结构。在网格生成过程中，考虑粘性流场计算中低雷诺数湍流模型的应用，捕捉近壁面湍流附面层流动的详细流动特征，加密靠近壁面的网格，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.001mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，壁面附近(近似于边界层内)的网格沿壁面法向方向按几何级数的规律加密，网格数约为该方向网格总数的三分之一，边界层外的网格均匀分布。计算结果表明，壁面绝大部分区域y+<20，流道区域y+<10。

机匣处理结构采用Autogrid5划分结构化网格，机匣处理区和转子区之间设置转静子交界面，叶轮组三维网格总数为1800万，网格总块数为221，经过网格质量检查，网格参数均在合理取值范围内，检查结果如下：

3、设计工况计算

3.1边界条件

对压气机三维流场进行模拟，进口给定总温，总压和气流角，出口给定平均静压，壁面采用绝热无滑移边界条件，边界条件设置如下：

1)进口边界：流动方向为轴向，设定均匀总压为99300Pa，均匀总温为300K；

2)出口边界：平均静压为430000Pa；

3)固壁：无滑移固壁，绝热；

4)转子转速：7436RPM；

5)工质：空气。

转/静交界面处理：主流区各转/静交界面采用Conservation Coupling bypitchwise row，机匣处理结构的转静交界面采用Non reflecting 1D，为了保证计算的收敛性，将专家参数loccor设置为0。

3.2收敛标准

在三维流场计算中，判断算例收敛的准则为：

总残差降低至一定水平后不再降低；

总参数随迭代步数增加不再改变，总参数包括效率、压比、输出功率和扭矩等；

进出口流量差异不超过0.5％；

总参数随迭代步数增加呈周期性波动。

4、工况计算

4.1边界条件

对低工况运行时，机匣处理进行数值计算，设定边界条件如下：

进口边界：流动方向为轴向，设定均匀总压为99300Pa，均匀总温为300K；出口边界：平均静压为180000Pa；固壁：无滑移固壁，绝热；转子转速：5567RPM；工质：空气。转/静交界面处理：主流区各转/静交界面采用Conservation Coupling by pitchwise row，机匣处理结构的转静交界面采用Non reflecting 1D，为了保证计算的收敛性，将专家参数loccor设置为0。

4.2收敛曲线

本发明给出了经过8000次迭代计算后，全局残差下降到10e-4，效率和压降呈振荡性收敛，且不再发生变化，进出口流量完全匹配，因此可以判断为计算收敛。

4.3计算结果分析

(1)总压分布

低工况下，通流部分总压分布中可以看出，在有机匣处理段，在主流与机匣处理区域部分总压较大，此处产生了总压损失。

进一步分析机匣处理段流场分布，在总压损失区，主流通道与机匣回流腔内部均产生了回转涡流，相比于设计工况，主流区的回转涡流范围较大，此时产生的损失较大，通流部分轴向流速降低。

(2)相对马赫数分布

叶顶截面的相对马赫数分布中从不带机匣处理和有机匣处理，可以看出，低工况下叶顶截面流速明显降低，在机匣回流腔的作用下，带机匣处理叶顶截面相对马赫数相对增大。

其中，图2是本发明实施例提供的进出口流量收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为流量kg/s。

图3是本发明实施例提供的全局残差收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为全局残差(无量纲)。

图4是本发明实施例提供的效率收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为效率(无量纲)。

图5是本发明实施例提供的压比收敛曲线示意图。横坐标为计算迭代步数(无量纲)，纵坐标为压比(无量纲)。

图6是本发明实施例提供的通流部分总压分布示意图。

图7是本发明实施例提供的机匣处理截面速度流线分布示意图。

图8是本发明实施例提供的无机匣处理叶顶截面相对马赫数分布示意图。

图9是本发明实施例提供的带机匣处理叶顶截面相对马赫数分布示意图。

(3)低工况下压比流量，效率流量特性

图10是本发明实施例提供的工况下原型机匣处理压比-流量特性示意图。

0.2工况下，计算原型机匣处理的压比流量，效率流量特性图11所示，图12是本发明实施例提供的压比-流量特性对比示意图。

(4)喘振裕度

将计算数据带入稳定裕度改进量计算公式，对原型机匣处理的喘振裕度改进量进行计算，其中，在转速为5567RPM情况下，工作点压比为2.6，流量为50kg/s，机匣处理近失速点压比为2.74，流量为49.35kg/s，得到原型机匣处理的稳定裕度改进量为6.77％。

5、改进型机匣处理的性能

根据对原型机匣处理分析，发现：排气段对轴向速度的增加量较小。

因此，对其进行改进，改进方案：优化排气段，增大轴向速度。

5.1优化排气段

由喘振机理出发，当冲角增加时：①在压差作用下，气流进入机匣环形腔室并流向级的进口，使叶顶轴向速度增加，抑制叶顶气流分离；②循环流动把进入动叶的主流空气挤向轮毂，使轮毂处轴向速度增加；③腔室将脉动气流能量耗散，抑制了旋转分离的发展。

由前期对原型机匣处理计算，发现排气段对轴向速度的增加量较小，由于喘振发生主要是由于叶顶处轴向速度，流量减少，叶背发生气流分离导致，因此，针对发现问题对其进行改进，在原型机匣的基础上，改进排气段，增大轴向速度，改进结构如图所示，将环形凹槽进气结构改为整个环形进气，调整进气段入口，扩大进气角度，增加进气量；在出气段，将出口改为倾斜收缩喷嘴，增大出口速度，计算低工况时的扩稳效果。

具体包括：

1、网格划分

计算网格采用IGG/AutoGrid5进行单通道网格的划分，整个计算区域分为主流区与机匣处理区。主流区网格拓扑结构采用O4H型结构。壁面附近(近似于边界层内)的网格沿壁面法向方向按几何级数的规律加密，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.001mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，边界层外的网格均匀分布。对机匣处理部分采用ZR技术处理，将机匣进气段设置为环形进气，围绕整个叶轮进行划分。

2、计算及结果分析

计算设定与前期低工况计算类似，设定进口边界：流动方向为轴向，设定均匀总压为99300Pa，均匀总温为300K；出口边界：平均静压为188000Pa；固壁：无滑移固壁，绝热；转子转速：5567RPM；工质：空气。经过8000次迭代计算后达到收敛。

对这种改进型结构与原型机匣及优化周向槽机匣的气动特性进行对比分析。

(1)流场涡系分布

改进型结构机匣处理区流场流动情况所示，在机匣处理回流腔内产生了涡流，尤其在进气段，回转涡流相对于原型机匣作用区域减小，对下游叶栅的影响也相对降低。回转涡系产生了气动损失，为分析气动损失情况，计算熵增分布云图，可以看出，损失主要分布在环形进气与内壁机匣相接区域，但机匣内部整体损失与原型机匣相比明显降低，对下游叶栅造成的损失同样降低。

(2)相对马赫数分布

原型机匣、改进3型机匣与环形进气改进型机匣的叶顶截面马赫数分布所示，环形进气改进型机匣的截面马赫数最大，其流速最快，这主要是由于通过优化进气段与排气出口，增大了进气量同时增大了排气流速，在这种共同作用下，叶顶截面主流场受环形流场的作用，加速了叶顶区的流速。

(3)压比流量，效率流量特性

对原型、改进3型机、环形进气改进型机，0.2工况下的压比流量特性进行计算，压比-流量特性以及效率-流量特性计算所示，可以看出，环形进气改进型机其喘振裕度最大，但在增大了喘振裕度的同时气动效率最低。

将计算数据带入稳定裕度改进量计算公式，对原型机匣处理的喘振裕度改进量进行计算，其中，在转速为5567RPM情况下，工作点压比为2.6，流量为50kg/s，机匣处理近失速点压比为2.77，流量为47.13kg/s，得到稳定裕度改进量为12.9％，环形进气改进型机优化方案相对于原始机匣处理将喘振裕度增大了6.2％。

(4)喘振裕度

计算数据带入稳定裕度改进量计算公式，对原型机匣处理的喘振裕度改进量进行计算，其中，在转速为5567RPM情况下，工作点压比为2.6，流量为50kg/s，机匣处理近失速点压比为2.89，流量为49.13kg/s，得到稳定裕度改进量为13.11％。因此，优化方案相对于原始机匣处理将喘振裕度增大了6.04％。

5.2机匣处理性能对比

通过性能计算结果对比，可以得到如下结论：

优化排气段处理机匣在低工况下对稳定裕度改善效果最好，稳定裕度提高了6.04％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。