用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法與流程
1.本發(fā)明涉及葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域，公開了用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
2.旋轉(zhuǎn)失速和喘振是壓氣機特有的兩種不穩(wěn)定流態(tài)，它們導(dǎo)致壓氣機性能降低，嚴(yán)重時可能使整臺發(fā)動機熄火。研究表明，壓氣機的失穩(wěn)過程與葉尖間隙泄漏流有密切聯(lián)系，如泄漏流的形態(tài)決定了初始擾動的形式；泄漏渦自身的不穩(wěn)定性，泄漏渦的破碎對失速起始過程有重要影響。目前，對葉尖泄漏流影響失速起始過程的機理尚不是特別清楚。因此，發(fā)展一種可用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的葉尖間隙泄漏流模型，具有重要的意義。
3.目前已有的葉尖間隙模型如yaras和sjolander的模型、storer和cumpsty的模型等，幾乎都是將葉尖間隙折算為流動損失來處理，缺乏對間隙影響下具體流場的描述，因此無法用于研究葉尖泄漏流對失穩(wěn)動態(tài)過程中流場的影響。曹人靖等(曹人靖,陶德平,周盛.葉尖間隙對軸流壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響)發(fā)展了一種考慮葉尖間隙對軸流壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的計算模型，建模了葉尖間隙引起的端部損失；但其利用無粘的moore-greitzer模型計算失穩(wěn)動態(tài)過程，因此僅考慮了損失引起的時滯參數(shù)的變化，未能反映損失引起的性能下降和流場變化，也不能用于壓縮系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
4.本發(fā)明的目的在于提供用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，在主燃燒室設(shè)計仿真時考慮了來流的影響及高壓渦輪導(dǎo)向器喉道臨界的堵塞作用等；打破了部件壁壘，可快速實現(xiàn)主燃燒室設(shè)計中多部件、多專業(yè)的高效協(xié)同，更加真實的考慮了主燃燒室的工作場景，能夠提高了主燃燒室部件在發(fā)動機設(shè)計中的匹配性，同時又保證了計算的高效性；還能實現(xiàn)主燃燒室基于真實工作場景的功能驗證。
5.為了實現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
6.用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，根據(jù)葉頂處平面葉柵的幾何特征、進(jìn)出口氣流角和壓升特性，計算葉尖渦的幾何特征和壓升特性。
7.進(jìn)一步地，構(gòu)建方法包括如下步驟：
8.步驟s1、根據(jù)葉頂處平面葉柵的進(jìn)出口氣流角，計算zweifel效率，即無量綱化的葉片兩側(cè)壓差；
9.步驟s2、根據(jù)葉頂處平面葉柵的幾何特征、進(jìn)出口氣流角和壓升特性，以及計算得到的zweifel效率，分別計算葉尖渦的幾何特征和壓升特性；
10.葉尖渦的幾何特征包括葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角，以及葉尖渦的截面半徑。
11.進(jìn)一步地，葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角計算方法為：根據(jù)zweifel效率計算平面葉柵升力系數(shù)，根據(jù)得到的平面葉柵的升力系數(shù)，計算葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的
夾角。
12.進(jìn)一步地，葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角其中平面葉柵的升力系數(shù)其中，zw是無量綱化的葉片兩側(cè)壓差，即zweifel效率；α
in
是平面葉柵的進(jìn)口氣流角，α
out
是平面葉柵的出口氣流角。
13.進(jìn)一步地，無量綱化的葉片兩側(cè)壓差其中s是葉片間距、c
x
是葉排的軸向弦長，α
in
是平面葉柵的進(jìn)口氣流角，α
out
是平面葉柵的出口氣流角。
14.進(jìn)一步地，葉尖渦的截面半徑其中θ為葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角，δ
jet
是葉尖射流的厚度，也即葉尖間隙的寬度；x
bl
為葉尖渦在葉片上垂直投影點到葉片前緣的距離。
15.進(jìn)一步地，葉尖渦內(nèi)的壓升特性定義為為總-靜壓升系數(shù)，總-靜壓升系數(shù)其中ψ
tip
是葉頂處平面葉柵的總-靜壓升系數(shù)、zw是根據(jù)平面葉柵的進(jìn)出口氣流角計算得到的無量綱化的葉片兩側(cè)壓差，cd是射流流量系數(shù)，φ為葉排進(jìn)口的流量系數(shù)，α
out
是平面葉柵的出口氣流角。
16.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具備的有益效果是：
17.1、本發(fā)明可根據(jù)已知的葉尖處平面葉柵的幾何、進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性，可以算得葉尖渦的方向、尺寸和葉尖渦內(nèi)的壓升特性。可以在壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算過程中，將算得的幾何特征和壓升特性，關(guān)聯(lián)葉尖渦區(qū)域內(nèi)葉排的進(jìn)出口氣流參數(shù)，從而實現(xiàn)在壓縮系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬中體現(xiàn)葉尖間隙的影響。
18.2、本發(fā)明可用于在壓縮系統(tǒng)三維數(shù)值模擬中對葉排進(jìn)行建模，并體現(xiàn)葉尖間隙對壓縮系統(tǒng)性能、穩(wěn)定邊界和失速起始過程的影響，從而用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算。
附圖說明
19.圖1a為實施例2中轉(zhuǎn)子的葉頂處和葉尖渦內(nèi)的進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)曲線；
20.圖1b為實施例2中靜子的葉頂處和葉尖渦內(nèi)的進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)曲線；
21.圖2a為實施例2中轉(zhuǎn)子的葉頂處和葉尖渦內(nèi)在不同入口氣流角下的總-靜壓升特性曲線；
22.圖2b為實施例2中靜子的葉頂處和葉尖渦內(nèi)在不同入口氣流角下的總-靜壓升特性；
23.圖3為實施例2中壓氣機級在不同大小的葉尖間隙下的總-靜壓升特性曲線；
24.圖4為實施例2中無葉尖間隙失速過程中轉(zhuǎn)子出口截面不同時刻的壓力分布示意圖；
25.圖5為實施例2中有1％葉尖間隙失速過程中轉(zhuǎn)子出口截面不同時刻的壓力分布示意圖。
具體實施方式
26.下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
27.實施例1
28.用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，根據(jù)葉頂處平面葉柵的幾何特征、進(jìn)出口氣流角和壓升特性，計算葉尖渦的幾何特征和壓升特性。
29.計算流程包括如下步驟：
30.步驟s1、根據(jù)葉頂處平面葉柵的進(jìn)出口氣流角，計算zweifel效率，即無量綱化的葉片兩側(cè)壓差；
31.步驟s2、根據(jù)葉頂處平面葉柵的幾何特征、進(jìn)出口氣流角和壓升特性，以及計算得到的zweifel效率，分別計算葉尖渦的幾何特征和壓升特性；
32.葉尖渦的幾何特征包括葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角，以及葉尖渦的截面半徑。
33.本實施例中，根據(jù)已知的葉尖處平面葉柵的幾何、進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性，可以算得葉尖渦的方向、尺寸和葉尖渦內(nèi)的壓升特性。可以在壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算過程中，將算得的幾何特征和壓升特性，關(guān)聯(lián)葉尖渦區(qū)域內(nèi)葉排的進(jìn)出口氣流參數(shù)，從而實現(xiàn)在壓縮系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬中體現(xiàn)葉尖間隙的影響。如在壓縮系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬中，用葉排的進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性來關(guān)聯(lián)葉排進(jìn)出口氣流參數(shù)，并在葉頂區(qū)寬度為rd的區(qū)域使用算得的葉尖渦內(nèi)的氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性，從而體現(xiàn)葉尖間隙對壓縮系統(tǒng)性能、穩(wěn)定邊界和失速起始過程的影響，從而用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算。
34.實施例2：
35.用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：
36.階段一：計算葉尖渦的幾何特征：
37.步驟1.根據(jù)平面葉柵的進(jìn)出口氣流角，計算zweifel效率其中zw是無量綱化的葉片兩側(cè)的壓差，p
p
和ps分別為壓力面和吸力面的平均壓力，p
t,
是入口相對總壓，p
out
是出口靜壓；
38.本實施例中基于無粘、薄葉片假設(shè)，zweifel效率可由氣流角給出：
39.其中s是葉片間距、c
x
是葉排的軸向弦長、α
in
和α
out
分別是進(jìn)出口氣流角。
40.步驟2.計算平面葉柵的升力系數(shù)：
41.本實施例中基于無粘假設(shè)，升力系數(shù)可由zweifel效率估計本實施例中基于無粘假設(shè)，升力系數(shù)可由zweifel效率估計
42.步驟3.計算葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角
43.步驟4.計算葉尖渦的截面半徑：
44.本實施例中將葉尖渦建模為半圓柱理想渦，則其截面半徑為：
[0045][0046]
其中δ
jet
是葉尖射流的厚度，也即葉尖間隙的寬度；x
bl
是沿葉片方向的坐標(biāo)，即葉尖渦在葉片上垂直投影點到葉片前緣的距離。
[0047]
階段二：計算葉尖渦內(nèi)的壓升特性
[0048]
首先定義總-靜壓升系數(shù)其中p
out
為葉排出口處的靜壓、p
t
為入口處的總壓、ρ為入口處的密度、ur為轉(zhuǎn)子葉片中徑處的牽連速度；定義葉排進(jìn)口的流量系數(shù)為其中為流量、a為進(jìn)口處的流通截面積，w
x
為進(jìn)口處的軸向速度。
[0049]
如果假設(shè)無損失，則葉尖渦離開葉片時，與弦長垂直的速度分量如果假設(shè)無損失，則葉尖渦離開葉片時，與弦長垂直的速度分量
[0050]
假設(shè)葉尖射流剛離開葉片時，瞬間與主流剪切產(chǎn)生一定的總壓損失，之后即混入主流，其后的壓升特性為平面葉柵的壓升特性。用射流流量系數(shù)cd反映上述總壓損失，則真實的w
⊥
為因此，w
⊥
的損失造成的總壓損失為
[0051][0052]
基于無粘假設(shè)，葉片兩側(cè)的壓差可以寫為
[0053][0054]
因此葉尖渦內(nèi)的總-靜壓升系數(shù)為：其中ψ
tip
是葉尖處平面葉柵的總-靜壓升系數(shù)、zw是之前計算得到的zweifel效率，cd是射流流量系數(shù)，根據(jù)heyes等(heyes f.j.g.,hodson h.p.,dailey g.m..the effect of blade tip geometry on the tip leakage flow in axial turbine cascades)的勢流計算結(jié)果，可取cd＝0.844，則
[0055]
利用本實施例中所構(gòu)建的三維葉尖間隙模型，計算了一個低壓壓氣機級中，轉(zhuǎn)子和靜子葉尖渦內(nèi)的氣流角關(guān)聯(lián)，并與葉頂處平面葉柵的進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)對比。如圖1a、圖
1b所示，從圖中可以看出，葉尖渦內(nèi)的出口氣流角總是大于主流區(qū)，并且隨著入口氣流角增大，主流區(qū)氣流發(fā)生分離，主流區(qū)出口氣流角產(chǎn)生明顯增加，此時由于升力的上升趨勢減緩，導(dǎo)致葉尖渦出口氣流角的上升減緩，甚至有所下降。
[0056]
圖2a和圖2b展示了平面葉柵的總-靜壓升特性，以及不同入口氣流角下葉尖渦內(nèi)的總-靜壓升特性。可見，隨著入口氣流角的增大，葉尖渦造成的損失也隨之增加，使葉尖渦內(nèi)的總-靜壓升系數(shù)降低。
[0057]
利用euler方程求解器計算葉排前后氣流通道內(nèi)的流動，并使用氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性關(guān)聯(lián)葉排進(jìn)出口的氣流參數(shù)，從而可以模擬壓氣機級的工作過程，得到不同葉尖間隙寬度下級的總-靜壓升特性，見圖3。葉尖間隙的寬度以其占葉片通道高度的百分比衡量。可見葉尖間隙的引入使得級穩(wěn)定工作時的壓比降低、穩(wěn)定邊界右移，且這一趨勢隨著葉尖間隙的增大而增大。其中“試驗”對應(yīng)的曲線是在一臺單級壓氣機上進(jìn)行的，葉尖間隙寬度2mm，約占通道高度的1％，轉(zhuǎn)速1500rpm條件下獲得的。
[0058]
圖4和圖5分別展示了無間隙和有1％間隙的情況下，失速過程中轉(zhuǎn)子出口截面不同時刻的壓力分布(單位為kpa)。可以看出，無間隙的情況下失速團為單團，并占據(jù)約50％的周向空間；有間隙的情況下失速團則分裂為三個，而占據(jù)的徑向高度有所減小。
[0059]
上述的數(shù)值實驗表明，本實施例的葉尖間隙模型可以計算葉尖渦的進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性，其表現(xiàn)符合實際的物理機制；可用于壓縮系統(tǒng)的三維數(shù)值計算，能夠體現(xiàn)葉尖間隙對穩(wěn)定邊界和失速起始過程的影響。
[0060]
以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
技術(shù)特征：
1.用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，根據(jù)葉頂處平面葉柵的幾何特征、進(jìn)出口氣流角和壓升特性，計算葉尖渦的幾何特征和壓升特性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，構(gòu)建方法包括如下步驟：步驟s1、根據(jù)葉頂處平面葉柵的進(jìn)出口氣流角，計算zweifel效率，即無量綱化的葉片兩側(cè)壓差；步驟s2、根據(jù)葉頂處平面葉柵的幾何特征、進(jìn)出口氣流角和壓升特性，以及計算得到的zweifel效率，分別計算葉尖渦的幾何特征和壓升特性；葉尖渦的幾何特征包括葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角，以及葉尖渦的截面半徑。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角計算方法為：根據(jù)zweifel效率計算平面葉柵升力系數(shù)，根據(jù)得到的平面葉柵的升力系數(shù)，計算葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角其中平面葉柵的升力系數(shù)其中，zw是無量綱化的葉片兩側(cè)壓差，即zweifel效率；α
in
是平面葉柵的進(jìn)口氣流角，α
out
是平面葉柵的出口氣流角。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任意一項所述的用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，無量綱化的葉片兩側(cè)壓差其中s是葉片間距、c
x
是葉排的軸向弦長，α
in
是平面葉柵的進(jìn)口氣流角，α
out
是平面葉柵的出口氣流角。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，葉尖渦的截面半徑其中θ為葉尖渦內(nèi)的氣流方向與葉片的夾角，δ
jet
是葉尖射流的厚度，也即葉尖間隙的寬度；x
bl
為葉尖渦在葉片上垂直投影點到葉片前緣的距離。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，其特征在于，葉尖渦內(nèi)的壓升特性定義為為總-靜壓升系數(shù)，總-靜壓升系數(shù)靜壓升系數(shù)其中ψ
tip
是葉頂處平面葉柵的總-靜壓升系數(shù)、zw是根據(jù)平面葉柵的進(jìn)出口氣流角計算得到的無量綱化的葉片兩側(cè)壓差，c
d
是射流流量系數(shù)，φ為葉排進(jìn)口的流量系數(shù)，α
out
是平面葉柵的出口氣流角。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域，公開了用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算的三維葉尖間隙模型的構(gòu)建方法，本發(fā)明可根據(jù)已知的葉尖處平面葉柵的幾何、進(jìn)出口氣流角關(guān)聯(lián)和壓升特性，可以算得葉尖渦的方向、尺寸和葉尖渦內(nèi)的壓升特性。可以在壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算過程中，將算得的幾何特征和壓升特性，關(guān)聯(lián)葉尖渦區(qū)域內(nèi)葉排的進(jìn)出口氣流參數(shù)，從而實現(xiàn)在壓縮系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬中體現(xiàn)葉尖間隙的影響；尤其是在壓縮系統(tǒng)三維數(shù)值模擬中對葉排進(jìn)行建模，并體現(xiàn)葉尖間隙對壓縮系統(tǒng)性能、穩(wěn)定邊界和失速起始過程的影響，從而用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算。從而用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算。從而用于壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性計算。
