一种基于变比热计算的高压涡轮效率评估方法及装置与流程

1.本技术属于发动机试验技术领域，具体涉及一种基于变比热计算的高压涡轮效率评估方法及装置。


背景技术：

2.为了评估航空发动机风扇、压气机、涡轮等部件的效率，会采用测量或者计算的方式获取相应部件进出口的总温、总压，然后给定恒定的发动机绝热指数kg(对于燃气取1.33，对于空气取1.4)，根据发动机原理计算出相应部件的效率。
3.采用此种方式可以初步评估算出发动机相应部件的效率，对于风扇、压气机等进出口温度变化范围较小的，计算精度可接受，但对于高压涡轮部件，其进出口温度变化大(由一千几百k降低至几百k)，由于发动机绝热指数kg与气体温度和油气比相关，高压涡轮进口处的绝热指数与出口处的绝热指数值差异很大，原有技术方案只能采用进口处的绝热指数kg或者出口处的绝热指数kg，计算精度相对较低，精度略高的会采用两者的平均值进行计算，但是其计算精度同样会存在较大的误差。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题之一，本技术提供了一种基于变比热计算的高压涡轮效率评估方法及装置，以便能够更准确的评估出高压涡轮的效率。
5.本技术第一方面提供了一种基于变比热计算的高压涡轮效率评估方法，主要包括：
6.步骤s1、根据高压涡轮效率公式计算第一高压涡轮效率初猜值η
th
，根据高压涡轮进口空气流量和燃油流量计算出油气比；
7.步骤s2、将所述高压涡轮自进口至出口划分为多个小涡轮，根据高压涡轮的进口总温及出口总温，按等间隔降温原则确定每个小涡轮的进口总温t
in
(i)与出口总温t
out
(i)；
8.步骤s3、根据第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)和所述油气比确定第i个小涡轮的绝热指数kg(i)；
9.步骤s4、确定第i个小涡轮的涡轮效率η
th(i)
，并基于第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)、出口总温t
out
(i)及进口总压p
in
(i)确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)，其中，第一个小涡轮的进口总压为高压涡轮的进口总压p4，第i个小涡轮的出口总压为第i+1个小涡轮的进口总压；
10.步骤s5、重复步骤s2-s4，直至计算出最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)，并赋值给第一变量p
5out
；
11.步骤s6、确定最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)相对于高压涡轮出口总压p5的变化率，若所述变化率小于预设值，则将步骤s1给定的第一高压涡轮效率初猜值作为高压涡轮效率的最终值，否则，更新步骤s1的第一高压涡轮效率初猜值，重复上述步骤，直至所述变化率小于预设值。
12.优选的是，步骤s2中，第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)为第i-1个小涡轮的出口总温，第i个小涡轮的出口总温t
out
(i)为：
13.t
out
(i)＝t
4-δt*i；
14.其中，t4为高压涡轮进口总温，δt＝(t
5-t4)/num，其中，t5为高压涡轮出口总温，num为高压涡轮划分的小涡轮个数。
15.优选的是，步骤s4中，确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)为：
[0016][0017]
优选的是，步骤s6中，更新所述第一高压涡轮效率初猜值包括：
[0018]
步骤s61、设定第二高压涡轮效率初猜值η
thtmp
为所述第一高压涡轮效率初猜值的设定倍数；
[0019]
步骤s62、根据所述第二高压涡轮效率初猜值η
th
，进行步骤s2-s5的内循环，确定最后一个小涡轮的出口总压，并赋值给第二变量p
5outtmp
；
[0020]
步骤s63、更新所述第一高压涡轮效率初猜值，并执行步骤s2-s6的外循环：
[0021][0022]
其中，η
th(new)
为新的第一高压涡轮效率初猜值。
[0023]
优选的是，步骤s61中，所述设定倍数为1.01倍。
[0024]
本技术第二方面提供了一种基于变比热计算的高压涡轮效率评估装置，主要包括：
[0025]
效率及油气比计算模块，用于根据高压涡轮效率公式计算第一高压涡轮效率初猜值η
th
，根据高压涡轮进口空气流量和燃油流量计算出油气比；
[0026]
高压涡轮划分模块，用于将所述高压涡轮自进口至出口划分为多个小涡轮，根据高压涡轮的进口总温及出口总温，按等间隔降温原则确定每个小涡轮的进口总温t
in
(i)与出口总温t
out
(i)；
[0027]
小涡轮绝热指数计算模块，用于根据第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)和所述油气比确定第i个小涡轮的绝热指数kg(i)；
[0028]
各小涡轮出口总压计算模块，用于确定第i个小涡轮的涡轮效率η
th(i)
，并基于第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)、出口总温t
out
(i)及进口总压p
in
(i)确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)，其中，第一个小涡轮的进口总压为高压涡轮的进口总压p4，第i个小涡轮的出口总压为第i+1个小涡轮的进口总压；
[0029]
最后一个小涡轮出口总压计算模块，用于重复调用上述模块，直至计算出最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)，并赋值给第一变量p
5out
；
[0030]
基于残差的循环控制模块，用于确定最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)相对于高压涡轮出口总压p5的变化率，若所述变化率小于预设值，则将给定的第一高压涡轮效率初猜值作为高压涡轮效率的最终值，否则，更新所述第一高压涡轮效率初猜值，直至所述变化率小于预设值。
[0031]
优选的是，所述高压涡轮划分模块中，第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)为第i-1个小
涡轮的出口总温，第i个小涡轮的出口总温t
out
(i)为：
[0032]
t
out
(i)＝t
4-δt*i；
[0033]
其中，t4为高压涡轮进口总温，δt＝(t
5-t4)/num，其中，t5为高压涡轮出口总温，num为高压涡轮划分的小涡轮个数。
[0034]
优选的是，所述各小涡轮出口总压计算模块中，确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)为：
[0035][0036]
优选的是，所述基于残差的循环控制模块包括：
[0037]
第二高压涡轮效率初猜值设定单元，用于设定第二高压涡轮效率初猜值η
thtmp
为所述第一高压涡轮效率初猜值的设定倍数；
[0038]
内循环单元，用于根据所述第二高压涡轮效率初猜值η
th
，确定最后一个小涡轮的出口总压，并赋值给第二变量p
5outtmp
；
[0039]
外循环单元，用于更新所述第一高压涡轮效率初猜值：
[0040][0041]
其中，η
th(new)
为新的第一高压涡轮效率初猜值。
[0042]
优选的是，所述设定倍数为1.01倍。
[0043]
本技术按一定温降间隔将高压涡轮分解成若干个“小涡轮”进行计算，实现高压涡轮效率的变比热比计算，可以极大的提高高压涡轮效率的计算精度。
附图说明
[0044]
图1为本技术基于变比热计算的高压涡轮效率评估方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
[0046]
一般情况下，为了获取更高精度的高压涡轮效率，会采用变比热计算公式(1)根据气体的油气比和总温进行绝热指数kg的计算，然后根据测量或者计算方式获取的高压涡轮进出口总温、总压，可以按公式(2)计算出高压涡轮的效率。
[0047]
kg＝f(油气比,总温)
……………………………………
(1)
[0048][0049]
其中：
[0050]
t4、p4为高压涡轮进口总温、总压；
[0051]
t5、p5为高压涡轮出口总温、总压；
[0052]
kg为绝热指数。
[0053]
为了更准确的计算高压涡轮效率，可以把高压涡轮的计算过程分割成无数个“小涡轮”进行计算。每个小涡轮按固定的温降划分，根据公式(2)计算的高压涡轮效率初值，依次计算出每个“小涡轮”的出口总温和总压，最后根据高压涡轮出口压力构造残差，对高压涡轮效率初值进行更新迭代，直至残差满足误差要求。具体如图1所示，本技术第一方面提供了一种基于变比热计算的高压涡轮效率评估方法，主要包括：
[0054]
步骤s1、根据高压涡轮效率公式计算第一高压涡轮效率初猜值η
th
，根据高压涡轮进口空气流量和燃油流量计算出油气比。
[0055]
步骤s2、将所述高压涡轮自进口至出口划分为多个小涡轮，根据高压涡轮的进口总温及出口总温，按等间隔降温原则确定每个小涡轮的进口总温t
in
(i)与出口总温t
out
(i)。
[0056]
在一些可选实施方式中，步骤s2中，第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)为第i-1个小涡轮的出口总温，第i个小涡轮的出口总温t
out
(i)为：
[0057]
t
out
(i)＝t
4-δt*i；
[0058]
其中，t4为高压涡轮进口总温，δt＝(t
5-t4)/num，其中，t5为高压涡轮出口总温，num为高压涡轮划分的小涡轮个数。
[0059]
步骤s3、根据第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)和所述油气比确定第i个小涡轮的绝热指数kg(i)。
[0060]
步骤s4、确定第i个小涡轮的涡轮效率η
th(i)
，并基于第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)、出口总温t
out
(i)及进口总压p
in
(i)确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)，其中，第一个小涡轮的进口总压为高压涡轮的进口总压p4，第i个小涡轮的出口总压为第i+1个小涡轮的进口总压。
[0061]
在一些可选实施方式中，步骤s4中，确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)为：
[0062][0063]
步骤s5、重复步骤s2-s4，直至计算出最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)，并赋值给第一变量p
5out
；即p
5out
＝p
out
(num)。
[0064]
步骤s6、确定最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)相对于高压涡轮出口总压p5的变化率，若所述变化率小于预设值，则将步骤s1给定的第一高压涡轮效率初猜值作为高压涡轮效率的最终值，否则，更新步骤s1的第一高压涡轮效率初猜值，重复上述步骤，直至所述变化率小于预设值。
[0065]
在一些可选实施方式中，步骤s6中，更新所述第一高压涡轮效率初猜值包括：
[0066]
步骤s61、设定第二高压涡轮效率初猜值η
thtmp
为所述第一高压涡轮效率初猜值的设定倍数；
[0067]
步骤s62、根据所述第二高压涡轮效率初猜值η
th
，进行步骤s2-s5的内循环，确定最后一个小涡轮的出口总压，并赋值给第二变量p
5outtmp
；
[0068]
步骤s63、更新所述第一高压涡轮效率初猜值，并执行步骤s2-s6的外循环：
[0069][0070]
其中，η
th(new)
为新的第一高压涡轮效率初猜值。
[0071]
在一些可选实施方式中，步骤s61中，所述设定倍数为1.01倍。
[0072]
在该实施例中，比较p
5out
与p5的误差，如则终止计算；如则设置η
thtmp
＝η
th
*1.01，重新进行最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)的计算，并赋值给p
5outtmp
；之后，按更新η
th
。最后重复该过程，直至由新的η
th
计算的涡轮出口压力残差满足步骤s6的误差要求。
[0073]
本技术第二方面提供了一种与上述方法对应的基于变比热计算的高压涡轮效率评估装置，主要包括：
[0074]
效率及油气比计算模块，用于根据高压涡轮效率公式计算第一高压涡轮效率初猜值η
th
，根据高压涡轮进口空气流量和燃油流量计算出油气比；
[0075]
高压涡轮划分模块，用于将所述高压涡轮自进口至出口划分为多个小涡轮，根据高压涡轮的进口总温及出口总温，按等间隔降温原则确定每个小涡轮的进口总温t
in
(i)与出口总温t
out
(i)；
[0076]
小涡轮绝热指数计算模块，用于根据第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)和所述油气比确定第i个小涡轮的绝热指数kg(i)；
[0077]
各小涡轮出口总压计算模块，用于确定第i个小涡轮的涡轮效率η
th(i)
，并基于第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)、出口总温t
out
(i)及进口总压p
in
(i)确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)，其中，第一个小涡轮的进口总压为高压涡轮的进口总压p4，第i个小涡轮的出口总压为第i+1个小涡轮的进口总压；
[0078]
最后一个小涡轮出口总压计算模块，用于重复调用上述模块，直至计算出最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)，并赋值给第一变量p
5out
；
[0079]
基于残差的循环控制模块，用于确定最后一个小涡轮的出口总压p
out
(num)相对于高压涡轮出口总压p5的变化率，若所述变化率小于预设值，则将给定的第一高压涡轮效率初猜值作为高压涡轮效率的最终值，否则，更新所述第一高压涡轮效率初猜值，直至所述变化率小于预设值。
[0080]
在一些可选实施方式中，所述高压涡轮划分模块中，第i个小涡轮的进口总温t
in
(i)为第i-1个小涡轮的出口总温，第i个小涡轮的出口总温t
out
(i)为：
[0081]
t
out
(i)＝t
4-δt*i；
[0082]
其中，t4为高压涡轮进口总温，δt＝(t
5-t4)/num，其中，t5为高压涡轮出口总温，num为高压涡轮划分的小涡轮个数。
[0083]
在一些可选实施方式中，所述各小涡轮出口总压计算模块中，确定第i个小涡轮的出口总压p
out
(i)为：
[0084][0085]
在一些可选实施方式中，所述基于残差的循环控制模块包括：
[0086]
第二高压涡轮效率初猜值设定单元，用于设定第二高压涡轮效率初猜值η
thtmp
为所述第一高压涡轮效率初猜值的设定倍数；
[0087]
内循环单元，用于根据所述第二高压涡轮效率初猜值η
th
，确定最后一个小涡轮的出口总压，并赋值给第二变量p
5outtmp
；
[0088]
外循环单元，用于更新所述第一高压涡轮效率初猜值：
[0089][0090]
其中，η
th(new)
为新的第一高压涡轮效率初猜值。
[0091]
在一些可选实施方式中，所述设定倍数为1.01倍。
[0092]
本技术按一定温降间隔将高压涡轮分解成若干个“小涡轮”进行计算，实现高压涡轮效率的变比热比计算，可以极大的提高高压涡轮效率的计算精度。
[0093]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本技术作了详尽的描述，但在本技术基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本技术精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本技术要求保护的范围。