一种根据设计指标预测压气机各转速峰值效率点的方法

摘要

本发明涉及一种根据设计预测压气机各转速峰值效率点的方法，属于压气机特性预测领域。预测过程的数据输入仅为压气机设计指标(设计点总压比和效率)，无需压气机叶型数据。根据设计点总压比，首先构建三个系数，然后预测出各等转速线峰值效率点特性。本发明中使用的公式及参数均来源于对历史压气机特性数据的挖掘。本发明提出的预测方法可用于轴流压气机、离心压气机各转速峰值效率点预测，特别适用于在燃气轮机、航空发动机总体设计初期尚无叶型数据时对压气机各转速线峰值效率点进行预测，计算简单便捷、精度较高。

权利要求

1.一种根据设计指标预测压气机特性线峰值效率点的方法，其特征在于根据设计指标：转速的效率最高点的总压比πD和效率ηD，计算各个转速峰值效率点的归一化流量mp、总压比πp和效率ηp，其计算公式如下：γ＝1.4

其中，n为转速，系数kT、kp和kh均为设计指标总压比πD的函数，系数关联式如下所示：kT＝0.068exp(4.86/πD)+0.98kP＝0.058exp(5.65/πD)+1.157kh＝0.52exp(2.41/πD)+0.078。

2.根据权利要求1所述的一种根据设计指标预测压气机特性线峰值效率点的方法，其特征在于所述的系数kT、kp和kh可以进行5％范围内的浮动。

3.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。

说明书

一种根据设计指标预测压气机各转速峰值效率点的方法

技术领域

[0001] 本发明属于压气机特性预测领域，涉及一种压气机特性图预测方法，特别是压气机特性图等转速线峰值效率点的预测。

背景技术

[0002] 压气机是燃气轮机重要部件，用于压缩来流气体，广泛应用于航空动力、船舶动力和热力发电等领域。压气机特性图是压气机在全运行范围内气动性能的主要表示方式，是航空发动机以及燃气轮机实际运行的关键依据，特性图描述了压气机的效率和总压比与无量纲归一化转速、无量纲归一化流量之间关系，一般绘制成包含若干条等转速线的两幅线图，每条等转速线以折合流量为自变量，两幅图中效率和总压比为分别为因变量，每条等转速线上一般都有一个峰值效率点。燃气轮机、航空发动机工作时，压气机工作线一般接近峰值效率点连线，峰值效率点为该转速下压气机工作状态的最佳点，峰值效率点的预测对燃气轮机运行和全范围特性预测有重要意义。

[0003] 一般情况为获取压气机特性图，多通过压气机试验测量和压气机流场数值计算的方法，该两种方法均需要已知压气机叶型数据。在工程实际中，在燃气涡轮发动机初步设计阶段，进行总体性能计算时，需要初步的压气机特性数据，而此时一般没有压气机叶型数据，故只能使用不依赖叶型数据的性能预测算法。

[0004] 目前，压气机性能预测大多是基于已有特性图的内插值或外推到特性图没有包含的转速范围，或者基于根据设计指标对压气机叶型进行正反设计，再通过流场数值计算获得特性，计算量较大。

发明内容

[0005] 要解决的技术问题

[0006] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无需叶形几何数据和流场数值计算，仅需要设计指标和简单计算的压气机特性预测方法。

[0007] 技术方案

[0008] 一种根据设计指标预测压气机特性线峰值效率点的方法，根据设计指标：转速的效率最高点的总压比πD和效率ηD，计算各个转速峰值效率点的归一化流量mp、总压比πp和效率ηp，其计算公式如下：

[0009]

[0010]

[0011]

[0012]

[0013]

[0014] γ＝1.4

[0015] 其中，n为转速，系数kT、kp和kh均为设计指标总压比πD的函数，系数关联式如下所示：

[0016] kT＝0.068exp(4.86/πD)+0.98

[0017] kP＝0.058exp(5.65/πD)+1.157

[0018] kh＝0.52exp(2.41/πD)+0.078。

[0019] 所述的系数kT、kp和kh可以进行5％范围内的浮动。

[0020] 一种计算机系统，包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

[0021] 一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

[0022] 一种计算机程序，包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

[0023] 有益效果

[0024] 本发明提出的一种根据设计指标预测压气机各转速峰值效率点的方法，预测过程的数据输入仅为压气机设计指标(设计点压比和效率)，无需压气机叶型数据。根据设计点压比，首先构建三个系数，然后预测出各等转速线峰值效率点特性。本发明中使用的公式及参数均来源于对历史压气机特性数据的挖掘。本发明提出的预测方法可用于轴流压气机、离心压气机各转速峰值效率点预测，特别适用于在燃气轮机、航空发动机总体设计初期尚无叶型数据时对压气机各转速线峰值效率点进行预测，计算简单便捷、精度较高。有益效果如下：

[0025] 1、本方法不需要压气机的叶型几何参数，仅依靠设计指标进行预测。2、计算量小，无需流场数值计算，经验参数调整范围小。

附图说明

[0026] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0027] 图1为依赖设计指标的预测压气机不同转速峰值效率点特性的方法流程；

[0028] 图2为根据某型压气机的设计指标的预测效果与真实特性图对比，其中三角形为预测值，圆圈为原始真实值，实线为原始特性图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 在对大量压气机特性图的研究过程中发现：压气机不同转速的设计点呈现出一些特殊规律，利用这些规律可以实现对压气机各转速峰值效率点的预测。具体规律为，在压气*机的工作转速范围内，各转速的峰值效率点对应的比功Δh、输入扭矩T、输入功率P与总压比π成线性相关，将各个变量以设计转速峰值效率点相应归一化，该线性关系可以表示为：

[0031] Δh*/Δh*D＝kh(π/πD)+1‑kh

[0032] T*/T*D＝kT(π/πD)+1‑kT

[0033] P*/P*D＝kP(π/πD)+1‑kP

[0034] 经进一步研究发现，比例系数与压气机设计点总压比呈指数关系，即步骤一中表达式：

[0035] kT＝0.068exp(4.86/πD)+0.98

[0036] kP＝0.058exp(5.65/πD)+1.157

[0037] kh＝0.52exp(2.41/πD)+0.078

[0038] 利用上述关系式，通过设计点总压比πD获得以上三个比例系数后，考虑到在设计* * * * * *点转速n＝1、流量m＝1，利用相对扭矩T/Td、相对功率P /Pd、相对比功Δh/Δhd与压气机特性图中变量转速n、流量m、等熵效率η和总压比π之间的物理关系：

[0039]

[0040]

[0041]

[0042] 即可推导出各转速峰值效率点的流量mp、总压比πp和效率ηp，即步骤二中的表达式如下：

[0043]

[0044]

[0045]

[0046] 其中：

[0047]

[0048]

[0049] γ＝1.4

[0050] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

[0051] 以某单级压气机为真值进行预测，其设计参数πD＝1.9195，ηD＝0.85123，步骤一具体包括：三个系数kT、kp和kh均为设计指标总压比πD的函数，关系如下所示：

[0052] kT＝0.068exp(4.86/πD)+0.98

[0053] kP＝0.058exp(5.65/πD)+1.157

[0054] kh＝0.52exp(2.41/πD)+0.078

[0055] 这三个表达式是在对若干幅不同压比的压气机特性图进行研究分析后提出，物理意义为：在等转速线的最高效率点，设计点无量纲的扭矩、功率、比功随总压比线性关系的斜率，该斜率参数与设计压比成指数关系。kT、kp和kh三个参数体现了相同设计指标不同设计构型之间的差异，带入上式计算可得：

[0056] kT＝1.8352

[0057] kp＝2.2579

[0058] kh＝1.9031

[0059] 该三参数可根据经验及历史数据进行约5％范围内的浮动，参照原型压气机进行浮动后，参数值为：

[0060] kT＝1.872

[0061] kp＝2.383

[0062] kh＝1.822

[0063] 步骤二具体包括：各转速线峰值效率点的归一化流量mp、总压比πp和效率ηp与转速n、设计指标及步骤二中三个系数的关系为：

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] 其中：

[0068]

[0069]

[0070] γ＝1.4

[0071] 附图2显示了预测结果和真值的对比图，三角形为预测值，圆圈为真实值，可见预测值与真值非常接近，仅有微小差别，因此本预测算法精度较高。

[0072] 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公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。