[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

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。

进一步地，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。

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。

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。

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。