压气机叶片工作模式判定方法、计算设备及可读存储介质
技术领域
本公开涉及叶轮机和流体动力学领域，尤其涉及一种压气机叶片工作模式判定方法、计算设备及可读存储介质。
背景技术
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体介质与轴动力之间相互转换的动力机械。按照功能可以分为原动机械，例如汽轮机、燃气透平、涡轮等(输出功)；工作机械，如水泵、风扇、压气机、螺旋桨等(耗功)。压气机(compressor)是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。在压气机和涡轮中，叶片与流体之间的能量转换的方向是相反的。
对于飞行器来说，当燃烧室没有点燃或转轴的转速突然下降时，发动机将无法为压气机提供动力输出。在这种情况下，发动机的转动部件会受到进口来流的影响。当转速过低时，发动机通过轴输送到压气机叶片的能量将远远小于来流对压气机叶片做的功，也就是说随流量的变化，压气机可能会工作在涡轮模式，此时发动机的牵引力可以忽略不计，将直接影响飞机试图着陆时的滑翔角度和飞行稳定性。此外，由于压气机叶片处于自由旋转状态，因此对此时流经压气机的流体流量、压力、温度以及损失的预估是非常重要的，将直接影响发动机能否再次顺利点火。
行业内针对压气机状态的研究大多采用的是模型预测和实验的方式，虽然这些预测方法和实验结果可以提供发动机在风车状态下的整体性能，但很难给出发动机的内部空气动力学特征。风车状态是指在飞机飞行中发动机处于停车状态时，由于进入发动机气流的冲击而使风扇和压气机空转的工作状态，此时压气机进入风车状态下的涡轮模式。所以近年来，也有基于数值模拟方法的关于发动机在风车状态下的转子/静子叶片气动特性的研究。
虽然风车状态总体上发生于低转速、大流量工况点，但对于不同的压气机转子，由于转子叶片的几何造型和设计条件的不同，进入风车状态的外流条件也有所不同。因此难以仅仅从转速、流量等条件来判断一台压气机此时是否工作在风车状态，也即判断压气机此时是工作在涡轮模式下还是在压气机模式下，这给流场分析工作带来了一定的阻碍。
发明内容
为了解决或者至少缓解上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种压气机叶片工作模式判定方法、计算设备及可读存储介质。
根据本公开的一个方面，一种压气机叶片工作模式的判定方法，包括：
获得压气机叶片对流体的轴向扭矩；以及
根据所述轴向扭矩的值判断所述压气机叶片的工作模式。
根据本公开的至少一个实施方式，所述根据所述轴向扭矩的值判断所述压气机叶片的工作模式包括：
如果所述轴向扭矩的值为正值，则判断所述压气机叶片处于压气机模式；
如果所述轴向扭矩的值为负值，则判断所述压气机叶片处于涡轮模式。
根据本公开的至少一个实施方式，所述根据所述轴向扭矩的值判断所述压气机叶片的工作模式还包括：
如果所述轴向扭矩的值为零，则判断所述压气机叶片处于临界状态。
根据本公开的至少一个实施方式，所述获得压气机叶片对流体的轴向扭矩包括：
获取所述压气机叶片的转速；
获取压气机进口的总温值及总压值；
获取压气机出口的静压值；以及
根据所述转速、所述总温值、所述总压值和所述静压值计算获得所述轴向扭矩。
根据本公开的至少一个实施方式，所述根据所述转速、所述总温值、所述总压值和所述静压值计算获得所述轴向扭矩包括：
选取流体计算模型，设置雷诺数；以及
将所述转速、所述总温值、所述总压值和所述静压值作为输入项输入所述流体计算模型，通过所述流体计算模型计算获得所述轴向扭矩。
根据本公开的至少一个实施方式，所述判定方法还包括：
将所述转速设定为固定值；
通过所述流体计算模型计算获得不同质量流量值所对应的轴向扭矩，形成质量流量值与轴向扭矩之间的关系曲线；以及
根据所述关系曲线计算出轴向扭矩等于零所对应的质量流量值。
根据本公开的另一个方面，一种计算设备，包括：
存储器，所述存储器存储执行指令；以及
处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行前述任一项所述的方法。
根据本公开的再一个方面，一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现前述任一项所述的方法。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开压气机叶片工作模式判定方法的示例性实施方式流程图。
图2是压气机的转子叶片在直角坐标系下的示意图。
图3是根据本公开的判定方法获得的不同转速下流量-扭矩特性图。
图4是图3中30％转速线上的三个工况点的流量-扭矩特性图。
图5是叶片的不同工况下载荷系数沿径向的分布图。
图6是本公开一个实施方式的计算设备的示意性视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
在叶轮机领域中，当燃气涡轮发动机的燃烧室没有点火或突然降低转速时，涡轮通过轴提供给压气机叶片的能量可能不足以对所有吸入压气机的空气做功。也就是说，从进口的来流施加给叶片的能量可能会大于涡轮通过轴提供给压气机叶片的能量。因此，压气机叶片随着来流流量的增大会存在不同的工作模式，即压气机模式和进入风车状态下的涡轮模式。并且，在两种模式之间，会存在一个理想的临界状态，在临界状态下，压气机叶片和来流彼此都没有做功的效果。
虽然风车状态总体上发生于低转速、大流量工况点，但对于不同的压气机转子，由于转子叶片的几何造型和设计条件的不同，进入风车状态的外流条件也有所不同。因此对于工作在低转速下的压气机的转子叶片，难以仅仅从转速、流量等条件来判断一台压气机此时是否工作在风车状态，也即判断压气机此时是工作在涡轮模式下还是在压气机模式下，这给流场分析工作带来了一定的阻碍。
故此本公开针对压气机叶片的工作状况的判断，力图解决或者至少缓解上述技术问题中的至少一个，揭示了一种压气机叶片工作模式判定方法、计算设备及可读存储介质。本公开从风车状态发生的物理机理出发，从能量平衡的角度提出进入风车状态的临界判据，进而深入分析由压气机状态到涡轮状态转变时，其流场结构的演变情况。
根据本公开的一个方面，参见图1所示，图1是本公开压气机叶片工作模式判定方法的示例性实施方式流程图。一种压气机叶片工作模式的判定方法，包括：
S10、获得压气机叶片对流体的轴向扭矩。
压气机叶片在转速较低的情况下，此处所说的低转速是相对于压气机正常工作状况时的转速而言。例如在燃烧室没有点燃或转轴的转速突然下降时，发动机无法为压气机提供动力输出的情况下，压气机叶片的转速会突然下降，随着从压气机进口流入的流体(来流)流量的变化，做功的方向可能会从叶片对来流做功(压气机模式)，转变为来流推动叶片做功(涡轮模式)。本公开从叶片与来流之间做功的角度进行分析，对压气机叶片的工作模式进行判断。
假定压气机叶片工作在某一固定的转速下，并研究随着来流流量的增大，叶片和来流彼此做功的情况，以此来判断压气机叶片工作模式的变化。首先假设忽略摩擦等流动损失，分析叶片在这种情况下的受力情况。参见图2所示的转子叶片在直角坐标系下的示意图。其中，Z轴是轴向方向。在叶片表面取一个元素体积δA作为微元体，此时流体作用在微元体上的力，也即等于微元体对周围流体的力，可表示为：
其中，P是作用在微元体上的静压，nA是力的作用方向。
此时微元体对流体施加的扭矩可以表示为：
由于此微元体是绕Z轴旋转的，所以其扭矩轴向分量为：
此时，整个叶片表面对流体的轴向扭矩可以表示为：
进一步，叶片对流体所做的功可如下表示：
W＝MZ·ω(5)
其中ω表示转子叶片的转速。由公式(5)可知，当叶片对流体做功时，其所做的功W即为正值，扭矩MZ的轴向分量也为正。反之，当流体对叶片做功时，此时W为负值，扭矩MZ的轴向分量也为负。也就是说，轴向扭矩MZ的符号，代表了叶片与来流之间做功的方向。
S20、根据轴向扭矩的值判断压气机叶片的工作模式。
通过以上对叶片和来流之间做功的分析及公式(5)，可以根据计算获得的轴向扭矩MZ的值是正还是负，来判断叶片与流体之间互相做功的情况，也就是压气机叶片的工作模式，其物理本质是判定内部做功的方向。
本公开的判定方法从叶片和来流之间的能量平衡的角度出发，通过合理简化的数学模型得到对于压气机叶片的工作模式的判定方法，以更好的帮助研究转子叶片在风车状态前后其流场结构的演化和损失的产生机理。该判定方法从最本质的做功的角度出发提出判断依据，并不依赖于转速、流量、流速等来流条件，因此相比现有采用的经验方法，更具有普适性和准确性，而相比于实验方法，本公开只需建立流体模型，根据来流参数和叶片转速计算获得叶片对来流的轴向扭矩MZ的值，根据轴向扭矩MZ的值来进行判断，具有判定速度快的优势。
在本公开的一个实施方式中，步骤S20根据轴向扭矩的值判断压气机叶片的工作模式包括：
S21、如果轴向扭矩的值为正值，则判断压气机叶片处于压气机模式。
由公式(5)可知，轴向扭矩MZ的值为正值，说明叶片对流体做功为正值，也即能量是从叶片流向来流，叶片对来流做功的情况下，叶片的工作模式处于压气机模式。
S22、如果轴向扭矩的值为负值，则判断压气机叶片处于涡轮模式。
由公式(5)可知，轴向扭矩MZ的值为负值，说明叶片对流体做功为负值，也即能量是从来流流向叶片，来流对叶片做功的情况下，叶片的工作模式处于涡轮模式。
进一步地，步骤S20根据轴向扭矩的值判断压气机叶片的工作模式还包括：
S23、如果轴向扭矩的值为零，则判断压气机叶片处于临界状态。
由公式(5)可知，轴向扭矩MZ的值为零时，说明叶片对流体做功为零，也即叶片和来流之间没有能量流动，叶片的工作模式处于涡轮模式和压气机模式两种模式之间，会存在一个理想的临界状态，在临界状态下，压气机叶片和来流彼此都没有做功的效果。那么可以认为，当轴向扭矩MZ＝0时，此时叶片与流体之间互相没有做功，此时来流的流量即是对应于当前叶片转速的风车状态的临界质量流量值。
在本公开的一个实施方式中，步骤S10获得压气机叶片对流体的轴向扭矩包括：
S11、获取压气机叶片的转速；
S12、获取压气机进口的总温值及总压值；
S13、获取压气机出口的静压值；以及
S14、根据转速、总温值、总压值和静压值计算获得轴向扭矩。
需要说明的是，步骤S11至步骤S13只是作为表明不同步骤的区别标识，并没有执行顺序上的限制。以上各参数的获取步骤，可以是通过建立流体模型时设定的边界条件，也可以是在流体模型计算过程中得到的中间量结果，也可以是从存储的实验数据中提取获得。本发明的技术方案不对各参数的获取方式做限定。
进一步地，步骤S14根据转速、总温值、总压值和静压值计算获得轴向扭矩包括：
S141、选取流体计算模型，设置雷诺数。
根据判定目标的物理结构和状态，选取与其最接近的流体计算模型，设置合适的雷诺数。可选的，可以使用成熟的商业CFD软件，如Fluent等来进行操作。
S142、将转速、总温值、总压值和静压值作为输入项输入流体计算模型，通过流体计算模型计算获得轴向扭矩。
在本公开的一个实施方式中，为了判定叶片在某一转速时的临界质量流量值，判定方法还包括：
S30、将转速设定为固定值。转速可以根据需要设定为不同的固定值。
S40、通过流体计算模型计算获得不同质量流量值所对应的轴向扭矩，形成质量流量值与轴向扭矩之间的关系曲线。
不同质量流量值的获得可以通过设定不同的影响流量的参数值来实现，影响流量的参数值包括总温值、总压值和静压值。例如，将横坐标表示为质量流量(Kg/s)，纵坐标表示为轴向扭矩(N·m)，通过计算出不同的固定值分别对应的轴向扭矩，在该坐标系中确定相应的点，将多个不同的点采用曲线拟合的方法获得相应的质量流量值与轴向扭矩之间的关系曲线。
S50、根据关系曲线计算出轴向扭矩等于零所对应的质量流量值。
轴向扭矩等于零即为纵坐标等于零的一条水平线，也即横坐标轴所在的直线，通过曲线拟合方法获得的质量流量值与轴向扭矩之间的关系曲线与横坐标的交点即为轴向扭矩等于零所对应的质量流量值。
具体的，以某型号的转子为计算对象，参见图3所示的根据本公开的判定方法获得的不同转速下流量-扭矩特性图。图3给出了不同转速下，转子轴向扭矩与质量流量的关系图。从图中可以看出，压气机在低转速工况下，存在叶片轴向扭矩为零的工作点，与上述分析一致，这意味着等转速线上存在风车临界流量点(处于临界状态的临界质量流量值)。此外，随着转速的降低，风车临界流量点向小流量方向移动。这表明随着转速降低，叶片做功能力变差，临界流量也减小，叶片工作在涡轮模式下的范围也随之增大。同时作为对比可以看到，当压气机在高转速(图中100％n所对应的曲线)设计工况下运行时，转子叶片的运行工况将远离风车临界流量点，并完全不存在涡轮模式。
为了进一步验证该方法获得的结果，取图3中30％转速线，分析其临界流量点前后的做功情况。如图4所示的图3中30％转速线上的三个工况点的流量-扭矩特性图。根据质量流量值与轴向扭矩之间的关系曲线与横坐标的交点，得到B点为其风车临界流量点，根据本公开的判定方法，B点前后的A、C两点，压气机叶片分别工作在压气机模式和涡轮模式。
为了定义旋转叶片输入到流体的功，可以用叶片载荷系数来描述径向功分布，定义为：
ψ＝(hout-hin)/U2(6)
式中h为滞止焓，U为转子转速(在本公开中取转子叶尖处转速)。
参见图5所示的叶片的不同工况下载荷系数沿径向的分布图。在临界流量点B点处，从轮毂到约45％叶高的范围内，叶片依然可以对来流做功，而在45％叶高往上，载荷系数为负，即此时来流对叶片做功。呈现的总体效果，即是叶片和来流之间没有净功交换，符合本公开对于临界质量流量值的判定。在大流量下的C点处，此时整个径向范围内不再有功输入，这意味着来流对转子叶片做功，叶片工作在涡轮模式。而在小流量A点工况下，可以看出在径向位置上，几乎所有的叶高截面都是在压气机模式下工作，表明叶片可以正常向流体做功。结果表明，压气机转子在低转速时存在两种工作模式(压气机模式和涡轮模式)，而转子在不同的质量流量条件下会在两种工作模式之间进行切换。
表1所示，为不同工作点的叶片载荷和总压比对比。在临界点B点，转子载荷系数接近于零，几乎没有净功输入，而这种情况下的总压比非常接近于1。当转子在小流量的A点工况下时，此时叶片以压气机模式运行，由于转速较低，故总压比很低。然而，在进入风车状态的C点时，叶片负荷呈高度负相关，总压比远小于1，表明转子处于涡轮工况。
表1不同工作点下叶片载荷和总压比对
根据本公开的另一个方面，参见图6所示的本公开一个实施方式的计算设备的示意性视图，该设备包括：通信接口1000、存储器2000和处理器3000。通信接口1000用于与外界设备进行通信，进行数据交互传输。存储器2000内存储有可在处理器3000上运行的计算机程序。处理器3000执行所述计算机程序时实现上述实施方式中方法。所述存储器2000和处理器3000的数量可以为一个或多个。
存储器2000可以包括高速RAM存储器，也可以还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果通信接口1000、存储器2000及处理器3000独立实现，则通信接口1000、存储器2000及处理器3000可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构(ISA，Industry Standard Architecture)总线、外部设备互连(PCI，PeripheralComponent)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry StandardComponent)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，该图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果通信接口1000、存储器2000、及处理器3000集成在一块芯片上，则通信接口1000、存储器2000、及处理器3000可以通过内部接口完成相互间的通信。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本公开的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本公开的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。处理器执行上文所描述的各个方法和处理。例如，本公开中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器。在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和/或通信接口而被载入和/或安装。当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中的一个或多个步骤。备选地，在其他实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行上述方法之一。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以具体实现在任何可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
就本说明书而言，“可读存储介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。可读存储介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式只读存储器(CDROM)。另外，可读存储介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在存储器中。
根据本公开的再一个方面，还提供了一种可读存储介质，该可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现前述任一项实施例的判定方法。
应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信息实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施方式方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施方式的步骤之一或其组合。
此外，在本公开各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个可读存储介质中。所述存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
