一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法
阅读说明：本技术 一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法 (Low-pressure-ratio axial flow compressor model level performance calculation method ) 是由 段纪成 史军党 程凯 周向民 田玉宝 毛若明 李晓辉 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法,该方法按照以下步骤进行：步骤一,采集参数：采集轴流压缩机模型级的环境参数、流量参数、进口参数、出口参数和前期准备参数；步骤二,计算三级轴流压缩机模型级的整体性能参数：整体能量头和整体多变效率；步骤三,获取各级各级能量头比例系数和多变效率比例系数：步骤四,各级的级性能参数的分级计算：根据各级多变效率比例系数和各级能量头比例系数,对步骤二获得的三级轴流压缩机模型级的整体性能参数进行逐级分解。本发明通过多级整体试验,各级分解计算和数值模拟的结合获取相对准确的能够指导工业应用的轴流压缩机模型级单级性能参数。(The invention provides a method for calculating the performance of a low-pressure ratio axial flow compressor model level, which comprises the following steps: step one, collecting parameters: collecting model-level environmental parameters, flow parameters, inlet parameters, outlet parameters and early-stage preparation parameters of the axial flow compressor; step two, calculating the integral performance parameters of the model level of the three-level axial flow compressor: the whole energy head and the whole variable efficiency; step three, acquiring the proportional coefficients of the energy heads and the variable efficiency of each stage: step four, calculating the grade performance parameters of each grade in a grading way: and step-by-step decomposition is carried out on the overall performance parameters of the three-stage axial flow compressor model stage obtained in the step two according to the variable efficiency proportionality coefficients of the stages and the energy head proportionality coefficients of the stages. According to the method, through a multi-stage overall test, the combination of decomposition calculation and numerical simulation at each stage is used for obtaining relatively accurate single-stage performance parameters of the axial flow compressor model stage capable of guiding industrial application.)
技术领域
本发明属于轴流压缩机领域，涉及低压比轴流压缩机模型级，具体涉及一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法。
背景技术
轴流压缩机广泛应用于冶金、石化等工业领域。随着机组的大型化、高压力、高效率的要求，对机组的能耗、可靠性、配套水平等技术指标的要求也越来越高。开发新型高效轴流压缩机机组，试验是不可逾越的重要环节。而轴流压缩机模型级试验，特别是单级压升、温升小的模型级，由于流量大、温升小，技术难度大，试验精度很难达到应用要求。数值模拟因技术发展的限制，其计算结果可信度也很难达到工业应用水平。
目前，轴流压缩机模型级试验有以下几种类型：
单级试验：在轴流压缩机单级模型进口流道内和出口流道内安装梳齿型(或耙型)总温、总压探针测试其热力参数获取其性能参数。
多级试验：在轴流压缩机模型级进出口及级间流道内布置梳齿型(或耙型)总温、总压探针测试其所测试级的热力参数获取单级的性能参数。
单级试验因其温升小，受仪表精度的限制，试验误差很大。即使用扭矩仪进行功率测量，因轴承损失，机械摩擦损失，气流热耗损失等很难等量测试或估算，试验结果的可信度很难提高。且单级测试的结果在实际多级应用工况下，级间相互影响的修正，也是技术难点。
多级试验，为了获取级间流场数据，需布置多套探针或使用梳齿型探针进行流道扫描。因受空间限制，布置梳齿型探针时需人为加大级间距离，从而改变了内部流场，使模型级的流场和实际应用产品的流场存在差异。同时。由于梳齿型探针很难做的更小，探针插入流道也会干扰模型级内部流场。
不论是单级试验还是多级试验，为获取轴流压缩机模型级的单级(或每级)的性能，都是在该级的进出口布置相关测点，不能摆脱轴流单级压升小、温升小所带来的测试误差大的问题。例如，轴流压缩机单级的温升在5～15℃时，常规的温度测量变送器的总体误差在0.5℃，这时温度测量的误差本身就比较大，如果，按此温升为依据计算轴流压缩机的功率或效率，误差最大可能达到8～10％。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法，解决现有技术中获取的单级性能参数不精准的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法，所述的轴流压缩机模型级为三级轴流压缩机模型级，三级轴流压缩机模型级分为一级、二级和三级，其特征在于，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，采集参数：
采集轴流压缩机模型级的环境参数、流量参数、进口参数、出口参数和前期准备参数，其中：
环境参数：Pa为大气压力，单位为kPa；Ta为大气温度，单位为K；
流量参数：Qm为质量流量，单位为kg/s；
进口参数：P1st为进口总压，单位为kPa；P1s为进口静压，单位为kPa；T1p为进口有效温度，单位为K；
出口参数：P2st为出口总压，单位为kPa；P2s为出口静压，单位为kPa；T2p为出口有效温度，单位为K；
前期准备参数：k为绝热指数，取k＝1.4；R为气体常数，取R＝288.3J/(kg·K)；A1为进口流道通流面积，单位为m2；A2为出口流道通流面积，单位为m2；γ为进口有效温和出口有效温度对应的温度变送器的恢复系数；
步骤二，计算三级轴流压缩机模型级的整体性能参数：
整体能量头：
整体多变效率：
其中：
进口总温：
进口静温：
进口马赫数的平方：
进口气流平均速度：
进口密度：
出口总温：
出口静温：
出口马赫数的平方：
出口气流平均速度：
出口密度：
整体压比：
步骤三，获取各级各级能量头比例系数和多变效率比例系数：
在数值模拟软件中，输入步骤一中采集的参数，建立三级轴流压缩机模型级的模拟模型，对三级轴流压缩机模型级的模拟模型进行数值模拟，使得模拟模型的整体能量头模拟计算结果与步骤二中获得的整体能量头之间的差值在2％以内，使得模拟模型的整体多变效率模拟计算结果与步骤二中获得的整体多变效率之间的差值在2％以内；
然后在数值模拟软件中获取三级轴流压缩机模型级的模拟模型的各级多变效率的模拟计算结果和各级能量头的模拟计算结果，然后按照如下约束条件获取各级多变效率比例系数和各级能量头比例系数：
λ1+λ2+λ3＝1；h′1pol+h′2pol+h′3pol＝h′pol；
其中：
λ1、λ2和λ3分别为一级能量头比例系数、二级能量头比例系数和三级能量头比例系数；
h′1pol，h′2pol，h′3pol，h′pol分别为数值模拟软件中通过数值模拟计算获取的一级能量头模拟计算结果、二级能量头模拟计算结果、三级能量头模拟计算结果和整体能量头模拟计算结果；
μ1，μ2和μ3分别为一级多变效率比例系数、二级多变效率比例系数和三级多变效率比例系数；
η′1pol,η′2pol,η′3pol，η′pol分别为数值模拟软件中通过数值模拟计算获取的一级多变效率模拟计算结果、二级多变效率模拟计算结果、三级多变效率模拟计算结果和整体多变效率模拟计算结果；
步骤四，各级的级性能参数的分级计算：
根据各级多变效率比例系数和各级能量头比例系数，对步骤二获得的三级轴流压缩机模型级的整体性能参数进行逐级分解：
一级能量头：h1pol＝λ1hpol；一级多变效率：η1pol＝μ1ηpol；
二级能量头：h2pol＝λ2hpol；二级多变效率：η2pol＝μ2ηpol；
三级能量头：h3pol＝λ3hpol；三级多变效率：η3pol＝μ3ηpol。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明通过多级整体试验，各级分解计算和数值模拟的结合获取相对准确的能够指导工业应用的轴流压缩机模型级单级性能参数。
(Ⅱ)本发明应用于轴流压缩机模型级试验，有效推动了轴流压缩机模型级试验进程，提升基础试验研究水平，为轴流压缩机新叶型的开发和产品升级换代，技术进步提供了有力支持。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明中，低压比指的是轴流压缩机模型级中单级压缩比低于1.15。
本发明中，能量头指的是功率。
本发明中，数值模拟软件是轴流压缩机模型级领域常用的已知CFD数值模拟软件.
本发明利用多级模型整体试验性能特性参数、数值模拟性能特性参数、能量头和效率分解三者有机结合获取相对准确的轴流压缩机模型级单级性能参数的总体思维方法。
本发明设计三级轴流压缩机模型级。在进口流道内布置总压、静压探针和总温探针，布置静压测孔连接变送器并将信号送至采集系统，测量获取进口流道内平均总压、总温和静压。在出口流道内布置总压探针和总温探针，布置静压测孔连接变送器并将信号送至采集系统，测量出口流道内平均总压、总温和静压。在级间截面布置总压探针连接压力变送器并将信号送至采集系统，测量级间流道内单点总压。
进口流道内的总压、静压探针和总温探针布置在进口导流部分(轴流压缩机模型级设计时人为加长流道)中距离进口导叶大于三倍弦长气流稳定的部位。总压、静压、总温探针均按照等环面积分配的方式布置，力求所测数据能够代表该截面的平均参数。
出口流道内的总压、静压探针和总温探针布置在出口流道内(轴流压缩机模型级设计时人为加长流道)中距离出口后导叶大于六倍弦长气流稳定的部位。总压、静压、总温探针均按照等环面积分配的方式布置，并考虑气流旋绕流动因素的影响，适当调节探针安装对应角度，力求所测数据能够代表该截面的平均参数。
根据进出口流道内测试的总压、总温、静压可计算出三级轴流压缩机模型级的整体性能，因三级的整体压升、温升远大于单级的压升、温升。例如，轴流压缩机三级的温升在15～45℃时，常规的温度测量变送器的总体误差在0.5℃，这时温度测量的误差较小，如果，按此温升为依据计算轴流压缩机的功率或效率，误差小于2％。符合相关试验标准要求，利用热平衡法计算，完全可以得到符合标准要求的相对准确的热力性能参数。
通过出口调节阀调节测量出不同工况点性能参数绘制三级性能曲线。
对照理论计算和试验结果，并对比试验中级间单点测试的总压值和数值模拟计算结果中对应点的总压值，调整数值模拟计算模型及网格等，使试验结果和数值模拟结果吻合，按数值模拟结果的功率分配比例分解试验的三级总性能，通过功率分解计算相应的热力参数获取单级性能参数。
为了获取特定某单级的性能参数，可根据试验需要，在不同工况点调整试验转速，使该级的试验保持在特定的马赫数下进行。
本发明根据工况点所测得的进口总压(P1st)、进口静压(P1s)、进口有效温度(T1p)、出口总压(P2st)、出口静压(P2s)、出口有效温度(T2p)、试验管道上测得的质量流量(Qm)、前期试验得到的总温探针的恢复系数(γ)及轴流压缩机模型级的相关几何尺寸参数和介质特性参数可以计算出三级轴流压缩机模型级的相关热力特性参数。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种低压比轴流压缩机模型级级性能计算方法，所述的轴流压缩机模型级为三级轴流压缩机模型级，三级轴流压缩机模型级分为一级、二级和三级，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，采集参数：
采集轴流压缩机模型级的环境参数、流量参数、进口参数、出口参数和前期准备参数，其中：
环境参数：Pa为大气压力，单位为kPa；Ta为大气温度，单位为K；
流量参数：Qm为质量流量，单位为kg/s；
进口参数：P1st为进口总压，单位为kPa；P1s为进口静压，单位为kPa；T1p为进口有效温度，单位为K；
出口参数：P2st为出口总压，单位为kPa；P2s为出口静压，单位为kPa；T2p为出口有效温度，单位为K；
前期准备参数：k为绝热指数，取k＝1.4；R为气体常数，取R＝288.3J/(kg·K)；A1为进口流道通流面积，单位为m2；A2为出口流道通流面积，单位为m2；γ为进口有效温和出口有效温度对应的温度变送器的恢复系数；
步骤二，计算三级轴流压缩机模型级的整体性能参数：
整体能量头：
整体多变效率：
其中：
进口总温：
进口静温：
进口马赫数的平方：
进口气流平均速度：
进口密度：
出口总温：
出口静温：
出口马赫数的平方：
出口气流平均速度：
出口密度：
整体压比：
步骤三，获取各级各级能量头比例系数和多变效率比例系数：
在数值模拟软件中，输入步骤一中采集的参数，建立三级轴流压缩机模型级的模拟模型，对三级轴流压缩机模型级的模拟模型进行数值模拟，使得模拟模型的整体能量头模拟计算结果与步骤二中获得的整体能量头之间的差值在2％以内，使得模拟模型的整体多变效率模拟计算结果与步骤二中获得的整体多变效率之间的差值在2％以内；
然后在数值模拟软件中获取三级轴流压缩机模型级的模拟模型的各级多变效率的模拟计算结果和各级能量头的模拟计算结果，然后按照如下约束条件获取各级多变效率比例系数和各级能量头比例系数：
λ1+λ2+λ3＝1；h′1pol+h′2pol+h′3pol＝h′pol；
其中：
λ1、λ2和λ3分别为一级能量头比例系数、二级能量头比例系数和三级能量头比例系数；
h′1pol，h′2pol，h′3pol，h′pol分别为数值模拟软件中通过数值模拟计算获取的一级能量头模拟计算结果、二级能量头模拟计算结果、三级能量头模拟计算结果和整体能量头模拟计算结果；
μ1，μ2和μ3分别为一级多变效率比例系数、二级多变效率比例系数和三级多变效率比例系数；
η′1pol,η′2pol,η′3pol，η′pol分别为数值模拟软件中通过数值模拟计算获取的一级多变效率模拟计算结果、二级多变效率模拟计算结果、三级多变效率模拟计算结果和整体多变效率模拟计算结果；
步骤四，各级的级性能参数的分级计算：
根据各级多变效率比例系数和各级能量头比例系数，对步骤二获得的三级轴流压缩机模型级的整体性能参数进行逐级分解：
一级能量头：h1pol＝λ1hpol；一级多变效率：η1pol＝μ1ηpol；
二级能量头：h2pol＝λ2hpol；二级多变效率：η2pol＝μ2ηpol；
三级能量头：h3pol＝λ3hpol；三级多变效率：η3pol＝μ3ηpol。
叠加验算：
将分解得到的计算结果可再次叠加计算获取计算的整体特性参数。
整体压比：ε"＝ε1ε2ε3
计算出口总压：P"2st＝P1stε"
整体温升：ΔT＝ΔT1+ΔT2+ΔT3
计算出口温度：T"2st＝T1st+ΔT
计算整体效率：
其中：
一级温升：
一级压比：
一二级间总温：T12st＝T1st+ΔT1
一二级间总压：P12st＝P1stε1
二级温升：
二级压比：
二三级间总温：T23st＝T12st+ΔT2
二三级间总压：P23st＝P12stε2
三级温升：
三级压比：
三级后总温： T3hst＝T23st+ΔT3
三级后总压： P3hst＝P23stε3
应用例：
遵照上述实施例1的方法，在轴流压缩机模型级试验装置上进行了试验和计算，某一工况点数据记录和计算结果如下：
测试参数：
准备参数：
三级模型级整机性能计算参数：
参数
单位
数值
备注
进口总温
K
306.3820
进口静温
K
293.6245
进口马赫数
/
0.4661
进口速度
m/s
160.4549
进口密度
kg/m<sup>3</sup>
0.9450
出口总温
K
343.3568
出口静温
K
334.5284
出口马赫数
/
0.3633
出口速度
m/s
124.2878
出口密度
kg/m<sup>3</sup>
1.2193
整机压比
/
1.3822
整机效率
％
81.1644
整机能量头
kW
635.9215
数值模拟计算结果整理参数：
参数
单位
数值
备注
整机能量头
kW
648.6399
一级能量头
kW
212.7539
二级能量头
kW
218.5917
三级能量头
kW
217.2944
整机效率
％
83.5993
一级效率
％
82.5126
二级效率
％
85.1041
三级效率
％
83.1813
比例系数计算：
参数
单位
数值
备注
一级能量头比例系数
/
0.328
二级能量头比例系数
/
0.337
三级能量头比例系数
/
0.335
一级效率比例系数
/
0.987
二级效率比例系数
/
1.018
三级效率比例系数
/
0.995
各级分解计算参数：
叠加验算参数：
参数
单位
数值
备注
计算总压比
/
1.3822
计算出口总压
kPa
128.8234
计算总温升
K
36.9765
计算出口总温
K
343.3585
计算效率
％
81.1677
计算总能量头
kW
635.9215
将叠加计算结果和试验的模型级整机结果进行对比分析，其参数基本一致，其数据偏差很小，可以理解为计算误差所致。
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