多级压气机气动匹配设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及航空发动机高压压气机气动领域，更具体地涉及一种基于等出口换算流量原理的多级压气机气动匹配设计方法。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，从而将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，其实质是一种旋转叶轮式热力发动机，其基本工作原理是：压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。

在航空发动机中，压气机是最核心的部件之一，发动机的性能通常取决于压气机的气动性能。压气机是用于压缩气体的部件，一般为多级设计，其各级之间的气动匹配则是影响气动性能的关键因素。因而，在压气机初始设计阶段，需要通过多方面考量获取一个最优的多级压气机气动布局，在这之后再对各级进行单独设计。而多级压气机作为一个整体，其各级之间具有非常强的关联性，各级之间气动性能相互影响。因此，在进行某一级的单独设计时，该级上下游各级的性能乃至整个压气机的气动布局都有可能随之变化，由此可能会对压气机整体气动布局造成不利地影响。因此，如何在不影响压气机整体气动布局的前提下完成单级压气机的气动设计，已然成为了压气机设计过程中极具挑战性的问题。

例如，现有文献CN109165440A（公布日期为2019年1月8日）公开了一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法，该方法对给定的轴流压气机叶片几何，采用RANS方法，进行全三维粘性内流场数值模拟，根据数值模拟结果，构造静叶各设计截面设计目标载荷，对于转子，计算得到动叶设计截面目标载荷分布，给定出口流量边界条件，保证优化前后流量不变，通过实际计算流量和规定设计流量的差距，在初始背压的基础上，自动完成出口背压的调节，最终满足流量设计要求。

显然，该现有文献CN109165440A采用的方法是根据出口流量来调节出口背压，而非基于等出口换算流量进行单级设计的方法。

再比如，现有文献CN111079236A（公布日期为2020年4月28日）公开了一种用于舰船燃气轮机压气机增容的母型机匹配点获取方法，该方法包括：结合设定的改型压气机的流量和总压比，得到母型压气机的流量和总压比，将得到的母型压气机的流量和总压比绘制在母型机通用特性图上作为母型压气机上的两个匹配点，连接两个匹配点，得到一条直线，满足选定改型机设计参数（压比、流量）的所有可用匹配点都在这条直线及其延伸线上；然后，再改变改型机设计目标（流量、压比），重复计算步骤，可以得到一系列直线，每个直线对应一个设计流量和压比，根据一系列直线簇，可以根据理论上的母型机匹配点，快速分析改型机设计点性能，确定最佳设计参数。

显然，该现有文献CN111079236A的方法是在分布直线两端的两个匹配点对应不同的转速，而非计算得到等出口换算流量线的两个端点的方法。

然而，多级压气机各级之间耦合度极高，各级之间相互影响，增加了压气机的设计难度。如何有效地将单级设计从多级设计中剥离出来，是压气机设计工作中至关重要的问题。显然，上述现有文献都无法有效地解决目前存在的技术难题。

鉴于上述内容可知，目前在本技术领域中还尚不存在这样一种多级压气机气动匹配设计方法，该方法基于等出口换算流量的原理，并以保持“等熵效率不变”为条件，计算获得经过单级设计工作点的等出口换算流量线；在获取单级的等出口换算流量线之后，通过设计系统偏差修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标，进而开展单级迭代设计；具体开展某一特定级三维设计工作时，该级进口条件使用S2设计环节获得的二维总温、总压、气流角剖面，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致，即压气机各设计环节保持一致。因此，如何能够设计一种实现上述效果的多级压气机气动匹配设计方法俨然成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明正是为了解决上述技术问题而作，其目的在于提供一种多级压气机气动匹配设计方法，该方法在满足压气机整机气动布局设计目标前提下，能够有效地将单级设计从多级设计工作中剥离出来，并且在不影响压气机整体气动布局的前提下完成单级压气机的气动设计，从而优化了压气机设计流程。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多级压气机气动匹配设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：开展第i级单级设计，基于一维设计结果，获取单级等出口换算流量线。

步骤二：通过设计系统偏差修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标，进而开展第i级单级迭代设计。

较佳地，在本发明的多级压气机气动匹配设计方法中，在步骤一中，通过压气机一维设计，可以获得压气机进口物理流量

较佳地，在本发明的多级压气机气动匹配设计方法中，在步骤一中，求解所述等出口换算流量线上的其中一个端点的坐标，取进口换算流量偏置量

所述其中一个端点的进口换算流量计算公式为

………（2）

所述其中一个端点的出口换算流量计算公式为

………（3）

式（3）/（2）得到

………（4）

由于已知条件

………（5）

将（5）中各式代入式（4），式（4）可变为

………（4）

第i级单级效率EFF计算公式为

………（5）

由“保持等熵效率不变”的条件可得

………（6）

因此式（4）变为

………（7）

联立式（4）、（7）可得关于

较佳地，在本发明的多级压气机气动匹配设计方法中，在步骤一中，采用获得所述等出口换算流量线上的其中一个端点的坐标位置的相同的方法，求得当

较佳地，在本发明的多级压气机气动匹配设计方法中，在步骤二中，即使所述第i级设计工作点出现偏离，该级的出口换算流量仍然保持不变，因而不会影响该级与下游各级的流量匹配关系，从而保持多级压气机气动设计布局。

较佳地，在本发明的多级压气机气动匹配设计方法中，在步骤二中，开展第i级单级三维设计工作，该级进口条件采用二维S2设计获得的二维总温、总压、气流角剖面设计结果，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致，即压气机各设计保持一致。

如上所述，多级压气机的匹配需要考虑多种因素，其中流量匹配是最重要的设计思路。由此，本发明多级压气机气动匹配设计方法的核心技术在于能够在确保单级出口换算流量不变的条件下保持上下游各级之间的气动布局。在完成压气机整体气动布局设计的前提下，单级压气机设计基于等出口换算流量原理，通过设计系统偏差修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标，进而开展单级迭代设计。沿等出口换算流量线进行迭代设计，该级的设计工作点发生变化时，其出口换算流量保持不变，即下一级的进口换算流量保持不变，因而下一级流量特性不会发生变化。由于从前往后各级均采用该思路设计，因而压气机从前往后的流量特性保持不变，从而确保了压气机整体气动布局的稳定。

本发明的多级压气机气动匹配设计方法基于等出口换算流量的原理，并以保持“等熵效率不变”为条件，计算获得经过单级设计工作点的等出口换算流量线；在获取单级的等出口换算流量线之后，通过设计系统偏差修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标，进而开展单级迭代设计；具体开展某一特定级三维设计工作时，该级进口条件使用S2设计环节获得的二维总温、总压、气流角剖面，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致，即压气机各设计环节保持一致。

鉴于上述内容，与现有技术相比，本发明多级压气机气动匹配设计方法具备以下显著的有益效果：

第一、基于等出口换算流量原理，在单级压气机设计工作点发生变化时，保持该级出口换算流量不变，减弱对上下游各级的影响，从而确保了压气机整体气动布局不变；

第二、在满足压气机整体气动布局不变的前提下，为压气机单级设计提供了合理的设计目标，使得耦合度极高的压气机多级设计，简化为单级设计；

第三、实现了压气机单级设计从多级设计剥离出来的目的，简化设计工作；以及

第四、某一特定级三维设计时，进口条件使用S2设计环节获得的二维总温、总压、气流角剖面，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致，即压气机各设计环节保持一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一较佳实施例。

图1为本发明多级压气机气动匹配设计方法的一较佳实施例的流程图；

图2为本发明多级压气机气动匹配设计方法的设计系统偏差示意图；

图3为本发明多级压气机气动匹配设计方法的单级压气机进口总压、总温、气流角二维剖面示意图。

具体实施例

为了使得本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更为详细地描述。

对此，首先需要指出的是，在这些实施例的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施例的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施例的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施例到另一种实施例之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计、制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

另外，需要说明的是，除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其它元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

总体而言，本发明的多级压气机气动匹配设计方法基于等出口换算流量的原理，并以保持“等熵效率不变”为条件，计算获得经过单级设计工作点的等出口换算流量线；在获取单级的等出口换算流量线之后，通过设计系统偏差修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标，进而开展单级迭代设计；具体开展某一特定级三维设计工作时，该级进口条件使用S2设计环节获得的二维总温、总压、气流角剖面，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致，即压气机各设计环节保持一致。

下面，首先对以下技术术语的定义先进行解释：

“换算流量”是指：单位时间内从压气机或其中某一级内流过的气体的质量，根据压气机进口或单级进口的总温、总压，换算到标况进口（总压101325Pa、总温288.15K）条件下的得到的流量，单位一般为kg/s；

“匹配”是指：多级压气机，综合考虑多方面因素，对各级之间的的负荷、效率等参数进行的气动布局设计；

“等熵效率”是指：压气机等熵功率与实际压缩工质所需功率之比。

接着，结合图1－3对本发明多级压气机气动匹配设计方法的一具体实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明范围做出更为清晰的界定。

如图1所示，图中示出了本发明多级压气机气动匹配设计方法的一较佳实施例的流程图。本发明多级压气机气动匹配设计方法的具体方案如下：

首先，如图2所示，图中示出了本发明多级压气机气动匹配设计方法的设计系统偏差示意图。在图2所示的单级“换算流量-压比”图中，获得了一条经过单级设计工作点T的等出口换算流量线，即图2中所示的线段AB。在求解端点A、B坐标的过程中，增加“等熵效率不变”的条件，保证方程组可解。“等熵效率不变”的条件，使得单级设计工作点变化时，其单级等熵效率不变，进一步减小了对上下游各级的气动影响，保证了压气机整体气动布局的一致性。

接着，在如上所述获取单级的等出口换算流量线之后，通过设计系统偏差△修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标T’，进而开展单级迭代设计，从而实现了将单级设计从多级设计剥离出来的目的，并且在不影响压气机整体气动布局的前提下完成单级压气机的气动设计，从而优化了压气机设计流程。

最后，在具体开展某一特定级三维设计工作时，该级进口条件使用S2设计环节获得的二维总温、总压、气流角剖面，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致，即压气机各设计环节保持一致。

本发明多级压气机气动匹配设计方法的具体实施步骤如下：

步骤一：开展第i级单级设计，基于一维设计结果，获取单级等出口换算流量线。

步骤二：通过设计系统偏差修正，沿等出口换算流量线，获取修正后的单级设计目标，进而开展第i级单级迭代设计。

根据本发明的一较佳实施例，步骤一包括如下具体步骤：

步骤1.1：通过压气机一维设计，可以获得压气机进口物理流量

步骤1.2：求解图2所示的等出口换算流量线AB上的端点A的坐标。取进口换算流量偏置量

端点A的进口换算流量计算公式为

………（2）

端点A的出口换算流量计算公式为

………（3）

式（3）/（2）得到

………（4）

由于已知条件

………（5）

将（5）中各式代入式（4），式（4）可变为

………（4）

第i级单级效率EFF计算公式为

………（5）

由“保持等熵效率不变”的条件可得

………（6）

因此式（4）变为

………（7）

联立式（4）、（7）可得关于

步骤1.3：采用步骤1.2相同的方法，求得当

根据本发明的另一较佳实施例，步骤二包括如下具体步骤：

步骤2.1：第i级一维设计目标工作点为图2中的点T，但是压气机设计过程中由于各种原因，第i级的三维设计最终设计结果很难恰好位于T点。通过本方法，允许第i级设计工作点略偏离T点，但必须沿等出口换算流量线AB变化。沿该线变化，即使设计工作点出现偏离，该级的出口换算流量仍然保持不变，因而不会影响该级与下游各级的流量匹配关系，可以保持压气机一维气动设计的意图，保持多级压气机气动设计布局。通过该方法，实现了压气机单级设计从多级设计中剥离出来的目的，简化设计工作。

步骤2.2：具体开展第i级单级三维设计工作时，如图3所示，该级进口条件采用二维S2设计获得的二维总温、总压、气流角剖面设计结果，使三维设计与一维、二维设计结果保持一致。

具体地讲，在步骤2.1中，如图2所示，在压气机设计过程中，压气机的单级特性线（本文中“单级特性线”是指流量－压比单级特性线）通常由CFD（计算流体力学）软件计算获得的。该CFD软件计算获得的单级特性线与真实结果（“真实结果”是指最终通过压气机试验获得的压气机单级特性线）通常会存在一定偏差。对于某一种特定的CFD计算软件，该偏差通常为设计系统偏差（总是会偏大或偏小）

（1）CFD计算软件产生的影响

具体地讲，不同的CFD计算软件所使用的CFD算法、计算模型设置等是不同的，由此造成计算结果也会产生不同的偏差。通常，对于某一确定的CFD计算软件、确定的计算模型设置而言，其偏差影响

（2）CFD计算所用几何模型与真实几何模型差异带来的影响

具体地讲，真实的压气机几何模型通常是极为复杂的，在实际进行的压气机设计CFD计算过程中，几何模型是经过一定程度简化的，删减了某些几何特征（比如删减了转子封严篦齿几何特征、压气机叶片叶根倒圆几何特征等），这些被删减的几何特征对计算结果会产生一定影响，这就会造成计算结果与真实结果（试验结果）之间存在一定偏差，该偏差

总地来说，在步骤2.1中，如图2所示，在压气机设计过程中，通过一定的技术积累，事先获取设计系统偏差

综上所述，相较于现有技术而言，本发明多级压气机气动匹配设计方法基于等出口换算流量的原理，并以保持“等熵效率不变”为条件，计算获得经过单级设计工作点T的等出口换算流量线，从而在确保单级出口换算流量不变的条件下保持上下游各级之间的气动布局。在完成压气机整体气动布局设计的前提下，单级压气机设计基于等出口换算流量原理，每一级沿等出口换算流量线进行迭代设计，该级的设计工作点发生变化时，其出口换算流量保持不变，即下一级的进口换算流量保持不变，因而下一级流量特性不会发生变化。由于从前往后各级均采用该思路设计，因而压气机从前往后的流量特性保持不变，由此确保了压气机整体气动布局的稳定。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，熟悉本领域的技术人员易于想到其它的优点和修改。因此，在其更宽泛的方面上来说，本发明并不局限于这里所示和所描述的具体细节和代表性实施例。因此，本领域技术人员能够将上述实施例的要素进行合理的组合或者改动，以便在不脱离如所附权利要求书及其等价物所限定的本发明总的发明概念的精神或范围的前提下作出各种修改。

本发明具体实施例中的符号说明：

Mass 压气机进口物理流量

Min 单级进口换算流量

Mout 单级出口换算流量

PR 单级进出口总压比

TR 单级进出口总温比

Ptin 单级进口总压

Ptout 单级出口总压

Ttin 单级进口总温

Ttout 单级出口总温

γ 比热容比

k 进口换算流量偏置量

target 设计工作点T对应的参数

A 端点A对应的参数

B 端点B对应的参数

T 单级设计工作点

T’ 修正后的单级设计工作点

∆ 设计系统偏差