用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法与流程
1.本发明涉及叶轮机械技术领域，公开了用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法。
背景技术：
2.旋转失速和喘振是压气机特有的两种不稳定流态，它们导致压气机性能降低，严重时可能使整台发动机熄火。研究表明，压气机的失稳过程与叶尖间隙泄漏流有密切联系，如泄漏流的形态决定了初始扰动的形式；泄漏涡自身的不稳定性，泄漏涡的破碎对失速起始过程有重要影响。目前，对叶尖泄漏流影响失速起始过程的机理尚不是特别清楚。因此，发展一种可用于压缩系统稳定性计算的叶尖间隙泄漏流模型，具有重要的意义。
3.目前已有的叶尖间隙模型如yaras和sjolander的模型、storer和cumpsty的模型等，几乎都是将叶尖间隙折算为流动损失来处理，缺乏对间隙影响下具体流场的描述，因此无法用于研究叶尖泄漏流对失稳动态过程中流场的影响。曹人靖等(曹人靖,陶德平,周盛.叶尖间隙对轴流压缩系统稳定性的影响)发展了一种考虑叶尖间隙对轴流压缩系统稳定性影响的计算模型，建模了叶尖间隙引起的端部损失；但其利用无粘的moore-greitzer模型计算失稳动态过程，因此仅考虑了损失引起的时滞参数的变化，未能反映损失引起的性能下降和流场变化，也不能用于压缩系统的三维数值模拟。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于提供用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，在主燃烧室设计仿真时考虑了来流的影响及高压涡轮导向器喉道临界的堵塞作用等；打破了部件壁垒，可快速实现主燃烧室设计中多部件、多专业的高效协同，更加真实的考虑了主燃烧室的工作场景，能够提高了主燃烧室部件在发动机设计中的匹配性，同时又保证了计算的高效性；还能实现主燃烧室基于真实工作场景的功能验证。
5.为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
6.用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，根据叶顶处平面叶栅的几何特征、进出口气流角和压升特性，计算叶尖涡的几何特征和压升特性。
7.进一步地，构建方法包括如下步骤：
8.步骤s1、根据叶顶处平面叶栅的进出口气流角，计算zweifel效率，即无量纲化的叶片两侧压差；
9.步骤s2、根据叶顶处平面叶栅的几何特征、进出口气流角和压升特性，以及计算得到的zweifel效率，分别计算叶尖涡的几何特征和压升特性；
10.叶尖涡的几何特征包括叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角，以及叶尖涡的截面半径。
11.进一步地，叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角计算方法为：根据zweifel效率计算平面叶栅升力系数，根据得到的平面叶栅的升力系数，计算叶尖涡内的气流方向与叶片的
夹角。
12.进一步地，叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角其中平面叶栅的升力系数其中，zw是无量纲化的叶片两侧压差，即zweifel效率；α
in
是平面叶栅的进口气流角，α
out
是平面叶栅的出口气流角。
13.进一步地，无量纲化的叶片两侧压差其中s是叶片间距、c
x
是叶排的轴向弦长，α
in
是平面叶栅的进口气流角，α
out
是平面叶栅的出口气流角。
14.进一步地，叶尖涡的截面半径其中θ为叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角，δ
jet
是叶尖射流的厚度，也即叶尖间隙的宽度；x
bl
为叶尖涡在叶片上垂直投影点到叶片前缘的距离。
15.进一步地，叶尖涡内的压升特性定义为为总-静压升系数，总-静压升系数其中ψ
tip
是叶顶处平面叶栅的总-静压升系数、zw是根据平面叶栅的进出口气流角计算得到的无量纲化的叶片两侧压差，cd是射流流量系数，φ为叶排进口的流量系数，α
out
是平面叶栅的出口气流角。
16.与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
17.1、本发明可根据已知的叶尖处平面叶栅的几何、进出口气流角关联和压升特性，可以算得叶尖涡的方向、尺寸和叶尖涡内的压升特性。可以在压缩系统稳定性计算过程中，将算得的几何特征和压升特性，关联叶尖涡区域内叶排的进出口气流参数，从而实现在压缩系统的三维数值模拟中体现叶尖间隙的影响。
18.2、本发明可用于在压缩系统三维数值模拟中对叶排进行建模，并体现叶尖间隙对压缩系统性能、稳定边界和失速起始过程的影响，从而用于压缩系统稳定性计算。
附图说明
19.图1a为实施例2中转子的叶顶处和叶尖涡内的进出口气流角关联曲线；
20.图1b为实施例2中静子的叶顶处和叶尖涡内的进出口气流角关联曲线；
21.图2a为实施例2中转子的叶顶处和叶尖涡内在不同入口气流角下的总-静压升特性曲线；
22.图2b为实施例2中静子的叶顶处和叶尖涡内在不同入口气流角下的总-静压升特性；
23.图3为实施例2中压气机级在不同大小的叶尖间隙下的总-静压升特性曲线；
24.图4为实施例2中无叶尖间隙失速过程中转子出口截面不同时刻的压力分布示意图；
25.图5为实施例2中有1％叶尖间隙失速过程中转子出口截面不同时刻的压力分布示意图。
具体实施方式
26.下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
27.实施例1
28.用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，根据叶顶处平面叶栅的几何特征、进出口气流角和压升特性，计算叶尖涡的几何特征和压升特性。
29.计算流程包括如下步骤：
30.步骤s1、根据叶顶处平面叶栅的进出口气流角，计算zweifel效率，即无量纲化的叶片两侧压差；
31.步骤s2、根据叶顶处平面叶栅的几何特征、进出口气流角和压升特性，以及计算得到的zweifel效率，分别计算叶尖涡的几何特征和压升特性；
32.叶尖涡的几何特征包括叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角，以及叶尖涡的截面半径。
33.本实施例中，根据已知的叶尖处平面叶栅的几何、进出口气流角关联和压升特性，可以算得叶尖涡的方向、尺寸和叶尖涡内的压升特性。可以在压缩系统稳定性计算过程中，将算得的几何特征和压升特性，关联叶尖涡区域内叶排的进出口气流参数，从而实现在压缩系统的三维数值模拟中体现叶尖间隙的影响。如在压缩系统的三维数值模拟中，用叶排的进出口气流角关联和压升特性来关联叶排进出口气流参数，并在叶顶区宽度为rd的区域使用算得的叶尖涡内的气流角关联和压升特性，从而体现叶尖间隙对压缩系统性能、稳定边界和失速起始过程的影响，从而用于压缩系统稳定性计算。
34.实施例2：
35.用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，包括以下步骤：
36.阶段一：计算叶尖涡的几何特征：
37.步骤1.根据平面叶栅的进出口气流角，计算zweifel效率其中zw是无量纲化的叶片两侧的压差，p
p
和ps分别为压力面和吸力面的平均压力，p
t,
是入口相对总压，p
out
是出口静压；
38.本实施例中基于无粘、薄叶片假设，zweifel效率可由气流角给出：
39.其中s是叶片间距、c
x
是叶排的轴向弦长、α
in
和α
out
分别是进出口气流角。
40.步骤2.计算平面叶栅的升力系数：
41.本实施例中基于无粘假设，升力系数可由zweifel效率估计本实施例中基于无粘假设，升力系数可由zweifel效率估计
42.步骤3.计算叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角
43.步骤4.计算叶尖涡的截面半径：
44.本实施例中将叶尖涡建模为半圆柱理想涡，则其截面半径为：
[0045][0046]
其中δ
jet
是叶尖射流的厚度，也即叶尖间隙的宽度；x
bl
是沿叶片方向的坐标，即叶尖涡在叶片上垂直投影点到叶片前缘的距离。
[0047]
阶段二：计算叶尖涡内的压升特性
[0048]
首先定义总-静压升系数其中p
out
为叶排出口处的静压、p
t
为入口处的总压、ρ为入口处的密度、ur为转子叶片中径处的牵连速度；定义叶排进口的流量系数为其中为流量、a为进口处的流通截面积，w
x
为进口处的轴向速度。
[0049]
如果假设无损失，则叶尖涡离开叶片时，与弦长垂直的速度分量如果假设无损失，则叶尖涡离开叶片时，与弦长垂直的速度分量
[0050]
假设叶尖射流刚离开叶片时，瞬间与主流剪切产生一定的总压损失，之后即混入主流，其后的压升特性为平面叶栅的压升特性。用射流流量系数cd反映上述总压损失，则真实的w
⊥
为因此，w
⊥
的损失造成的总压损失为
[0051][0052]
基于无粘假设，叶片两侧的压差可以写为
[0053][0054]
因此叶尖涡内的总-静压升系数为：其中ψ
tip
是叶尖处平面叶栅的总-静压升系数、zw是之前计算得到的zweifel效率，cd是射流流量系数，根据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)的势流计算结果，可取cd＝0.844，则
[0055]
利用本实施例中所构建的三维叶尖间隙模型，计算了一个低压压气机级中，转子和静子叶尖涡内的气流角关联，并与叶顶处平面叶栅的进出口气流角关联对比。如图1a、图
1b所示，从图中可以看出，叶尖涡内的出口气流角总是大于主流区，并且随着入口气流角增大，主流区气流发生分离，主流区出口气流角产生明显增加，此时由于升力的上升趋势减缓，导致叶尖涡出口气流角的上升减缓，甚至有所下降。
[0056]
图2a和图2b展示了平面叶栅的总-静压升特性，以及不同入口气流角下叶尖涡内的总-静压升特性。可见，随着入口气流角的增大，叶尖涡造成的损失也随之增加，使叶尖涡内的总-静压升系数降低。
[0057]
利用euler方程求解器计算叶排前后气流通道内的流动，并使用气流角关联和压升特性关联叶排进出口的气流参数，从而可以模拟压气机级的工作过程，得到不同叶尖间隙宽度下级的总-静压升特性，见图3。叶尖间隙的宽度以其占叶片通道高度的百分比衡量。可见叶尖间隙的引入使得级稳定工作时的压比降低、稳定边界右移，且这一趋势随着叶尖间隙的增大而增大。其中“试验”对应的曲线是在一台单级压气机上进行的，叶尖间隙宽度2mm，约占通道高度的1％，转速1500rpm条件下获得的。
[0058]
图4和图5分别展示了无间隙和有1％间隙的情况下，失速过程中转子出口截面不同时刻的压力分布(单位为kpa)。可以看出，无间隙的情况下失速团为单团，并占据约50％的周向空间；有间隙的情况下失速团则分裂为三个，而占据的径向高度有所减小。
[0059]
上述的数值实验表明，本实施例的叶尖间隙模型可以计算叶尖涡的进出口气流角关联和压升特性，其表现符合实际的物理机制；可用于压缩系统的三维数值计算，能够体现叶尖间隙对稳定边界和失速起始过程的影响。
[0060]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，根据叶顶处平面叶栅的几何特征、进出口气流角和压升特性，计算叶尖涡的几何特征和压升特性。2.根据权利要求1所述的用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，构建方法包括如下步骤：步骤s1、根据叶顶处平面叶栅的进出口气流角，计算zweifel效率，即无量纲化的叶片两侧压差；步骤s2、根据叶顶处平面叶栅的几何特征、进出口气流角和压升特性，以及计算得到的zweifel效率，分别计算叶尖涡的几何特征和压升特性；叶尖涡的几何特征包括叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角，以及叶尖涡的截面半径。3.根据权利要求2所述的用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角计算方法为：根据zweifel效率计算平面叶栅升力系数，根据得到的平面叶栅的升力系数，计算叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角。4.根据权利要求3所述的用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角其中平面叶栅的升力系数其中，zw是无量纲化的叶片两侧压差，即zweifel效率；α
in
是平面叶栅的进口气流角，α
out
是平面叶栅的出口气流角。5.根据权利要求2-4任意一项所述的用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，无量纲化的叶片两侧压差其中s是叶片间距、c
x
是叶排的轴向弦长，α
in
是平面叶栅的进口气流角，α
out
是平面叶栅的出口气流角。6.根据权利要求2所述的用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，叶尖涡的截面半径其中θ为叶尖涡内的气流方向与叶片的夹角，δ
jet
是叶尖射流的厚度，也即叶尖间隙的宽度；x
bl
为叶尖涡在叶片上垂直投影点到叶片前缘的距离。7.根据权利要求2所述的用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，其特征在于，叶尖涡内的压升特性定义为为总-静压升系数，总-静压升系数静压升系数其中ψ
tip
是叶顶处平面叶栅的总-静压升系数、zw是根据平面叶栅的进出口气流角计算得到的无量纲化的叶片两侧压差，c
d
是射流流量系数，φ为叶排进口的流量系数，α
out
是平面叶栅的出口气流角。
技术总结
本发明涉及叶轮机械技术领域，公开了用于压缩系统稳定性计算的三维叶尖间隙模型的构建方法，本发明可根据已知的叶尖处平面叶栅的几何、进出口气流角关联和压升特性，可以算得叶尖涡的方向、尺寸和叶尖涡内的压升特性。可以在压缩系统稳定性计算过程中，将算得的几何特征和压升特性，关联叶尖涡区域内叶排的进出口气流参数，从而实现在压缩系统的三维数值模拟中体现叶尖间隙的影响；尤其是在压缩系统三维数值模拟中对叶排进行建模，并体现叶尖间隙对压缩系统性能、稳定边界和失速起始过程的影响，从而用于压缩系统稳定性计算。从而用于压缩系统稳定性计算。从而用于压缩系统稳定性计算。
