基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法

基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法
技术领域
1.本公开涉及航空发动机气路故障诊断领域，特别涉及一种基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法。


背景技术：

2.航空发动机气路故障诊断技术在航空发动机健康管理系统中占据重要的地位，发动机状态预测及健康管理的研究工作建立在大量数据的基础上开展，而目前在实际机组上能够获取的数据量具有很大的局限性，难以通过现有的真实数据构建有效的气路故障诊断系统。基于发动机的性能模型，通过给定气路部件的效率和流量偏差系数，对相应气路故障进行模拟，是获取气路故障数据应用最广泛的方法。
3.航空发动机长期在恶劣的环境下运行，压气机处于机体前端，容易受空气中风沙、冰晶、盐雾、化学污染物以及机械碰磨等因素影响造成叶片磨损，使叶尖顶隙增大和叶片表面粗糙度增大，导致压气机性能下降，这是气路故障的常见形式。为了使基于性能模型气路故障数据模拟更接近实际情况，实现高逼真度的故障数据模拟，有必要对叶片磨损的压气机在不同工况下、不同压比下流量和效率特性偏差比率的变化规律进行研究。因此，如何获得压气机在发生不同情况的叶片磨损故障后，在不同运行工况下其性能参数发生的偏差特性成为该领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本公开提供了一种基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法包括以下步骤：
5.s100、基于cfd软件建立无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机数值计算模型并对其进行网格划分；
6.s200、对所述无故障压气机进行三维数值计算，获得无故障压气机气动性能参数,所述无故障压气机气动性能参数包括第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数；
7.s300、对叶片磨损形态的压气机，进行具有不同叶尖间隙值的第一故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第一故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶片表面粗糙度的第二故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第二故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶尖间隙值和不同叶片表面粗糙度发生第三故障情形下叶尖磨损的三维数值计算，获得第三故障情形气动性能参数；
8.s400、将步骤s300中获得的第一故障情形压气机气动性能参数、和/或第二故障情形气动性能参数、和/或第三故障情形气动性能参数分别与步骤s200获得的第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数进行对比，得到压气机发生第一故障情形、和/或第二故障情形、和/或第三故障情形后的性能衰退特性。
9.可选的，其中，步骤s100中所述数值计算模型通过如下步骤建立：
10.101、采用solidworks或ug三维建模软件对所述无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机以及其流道进行三维建模以得到三维的几何模型；
11.102、采用designmodeler软件或类似软件对所述三维的几何模型进行前处理并提取流体计算域。
12.可选的，其中，三维数值计算使用cfx求解器，设为定常流动，采用k-ε湍流模型，选取方案为高阶迎风格式和湍流数值方法。
13.可选的，其中，所述步骤s200包括以下步骤：s201、设置基础边界条件，并对所建仿真模型进行网格无关性验证。
14.可选的，其中，所述步骤s201中设置基础边界条件，包括：在网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；
15.入口边界设置为总温和总压边界，其值为总温288.15k和总压101325pa；
16.出口边界设置为平均静压，进气方向设置为轴向；
17.叶片、轮毂和机匣均设为绝热无滑移壁面，对转子叶片和轮毂设置相应转速；
18.叶片通道两侧设置为周期性边界条件。
19.可选的，其中，所述步骤s300所述第一故障情形包括设置相对于设计叶尖间隙不同程度增大的叶尖间隙值。
20.可选的，其中，所述步骤s300所述第一故障情形包括设置叶尖间隙值分别为1.25t、1.5t、1.75t、2t和2.5t，t为设计叶尖间隙。
21.可选的，其中，所述步骤s300所述压气机叶尖磨损故障形式包括设置不同程度增大的叶片表面等效粗糙度值。
22.可选的，其中，所述步骤s300所述压气机叶尖磨损故障形式包括设置表面等效粗糙度值分别为5μm、10μm、30μm、50μm和70μm。
23.可选的，其中，所述步骤s300所述压气机叶尖磨损故障形式包括同时设置叶尖间隙值增大和叶片表面等效粗糙度值增大。
24.可选的，其中，所述步骤s400中性能衰退特性包括压气机发生不同形式的叶片磨损故障，其在相同压比下的等熵效率和质量流量的衰退数据。
25.本公开具备如下有益技术效果：将叶片磨损简化为叶尖间隙值与叶片表面粗糙度均匀增大，可采用单通道网格计算，节约计算资源，并且覆盖了不同叶片磨损程度，可表征发生叶片磨损故障后对压气机气动性能的影响，为航空发动机压气机气路故障数据仿真提供一类有效的故障特征系数。通过对该影响进行定量的分析，基于分析结果可指导通过发动机部件级模型的气路故障数据生成。
附图说明
26.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。
27.图1为本发明实施例提供的基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性的表征方法流程图；
28.图2为本发明实施例提供的为压气机单通道流体计算域；
29.图3为本发明实施例提供的为压气机单通道网格细节；
30.图4(a)、图4(b)为本发明实施例提供的压气机网格无关性验证对比图；
31.图5为本发明实施例提供的在设计转速下不同叶片磨损程度下与无故障叶片的效率特性曲线对比图；
32.图6为本发明实施例提供的在设计转速下不同叶片磨损程度下与无故障叶片的压比特性曲线对比图；
33.图7(a)、图7(b)为本发明实施例提供的轴流压气机不同工况下的效率和压比变化特性；
34.图8本发明实施例提供的轴流压气机叶片磨损总体故障特性。
具体实施方式
35.下面结合附图1至图8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。
36.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的技术方案。
37.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
38.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
39.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
40.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如
此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
41.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
42.在一实施例中，公开了一种基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法包括以下步骤：
43.s100、基于cfd软件建立无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机数值计算模型并对其进行网格划分；
44.s200、对所述无故障压气机进行三维数值计算，获得无故障压气机气动性能参数,所述无故障压气机气动性能参数包括第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数；
45.s300、对叶片磨损形态的压气机，进行具有不同叶尖间隙值的第一故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第一故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶片表面粗糙度的第二故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第二故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶尖间隙值和不同叶片表面粗糙度发生第三故障情形下叶尖磨损的三维数值计算，获得第三故障情形气动性能参数；
46.s400、将步骤s300中获得的第一故障情形压气机气动性能参数、和/或第二故障情形气动性能参数、和/或第三故障情形气动性能参数分别与步骤s200获得的第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数进行对比，得到压气机发生第一故障情形、和/或第二故障情形、和/或第三故障情形后的性能衰退特性。
47.在一个实施例中，其中，步骤s100中所述数值计算模型通过如下步骤建立：
48.101、采用solidworks或ug三维建模软件对所述无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机以及其流道进行三维建模以得到三维的几何模型；
49.102、采用designmodeler软件或类似软件对所述三维的几何模型进行前处理并提取流体计算域。
50.在一个实施例中，其中，三维数值计算使用cfx求解器，设为定常流动，采用k-ε湍流模型，选取方案为高阶迎风格式和湍流数值方法。
51.在一个实施例中，其中，所述步骤s200包括以下步骤：s201、设置基础边界条件，并对所建仿真模型进行网格无关性验证。
52.在一个实施例中，其中，所述步骤s201中设置基础边界条件，包括：在网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；
53.入口边界设置为总温和总压边界，其值为总温288.15k和总压101325pa；
54.出口边界设置为平均静压，进气方向设置为轴向；
55.叶片、轮毂和机匣均设为绝热无滑移壁面，对转子叶片和轮毂设置相应转速；
56.叶片通道两侧设置为周期性边界条件。
57.在一个实施例中，其中，所述步骤s300所述第一故障情形包括设置相对于设计叶尖间隙不同程度增大的叶尖间隙值。
58.在一个实施例中，其中，所述步骤s300所述第一故障情形包括设置叶尖间隙值分别为1.25t、1.5t、1.75t、2t和2.5t，t为设计叶尖间隙。
59.在一个实施例中，其中，所述步骤s300所述压气机叶尖磨损故障形式包括设置不同程度增大的叶片表面等效粗糙度值。
60.在一个实施例中，其中，所述步骤s300所述压气机叶尖磨损故障形式包括设置表面等效粗糙度值分别为5μm、10μm、30μm、50μm和70μm。
61.在一个实施例中，其中，所述步骤s300所述压气机叶尖磨损故障形式包括同时设置叶尖间隙值增大和叶片表面等效粗糙度值增大。
62.在一个实施例中，其中，所述步骤s400中性能衰退特性包括压气机发生不同形式的叶片磨损故障，其在相同压比下的等熵效率和质量流量的衰退数据。
63.在一实施例中，结合说明书附图对本技术实施例所提供方法做进一步详细的说明，参照图1，一种基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法包括以下步骤：
64.s1、建立航空发动机压气机结构模型和计算域，设置叶片磨损故障计算模型；
65.s2、划分网格并验证，设置基础边界条件，对无故障压气机进行三维数值计算，得到无故障压气机气动性能参数；
66.s3、通过cfd软件对叶片磨损导致不同叶尖间隙值的压气机进行三维数值计算，得到其气动性能参数；
67.s4、通过cfd软件对叶片磨损导致不同叶片表面粗糙度的压气机进行三维数值计算，得到其气动性能参数；
68.s5、通过cfd软件对叶片磨损导致叶尖间隙值和叶片表面粗糙度同时增大的压气机进行三维数值计算，得到其气动性能参数；
69.s6、将步骤s3、s4和s5中获得的不同叶片磨损程度下的压气机气动性能参数与步骤s2中，得到的无故障压气机气动性能数据进行对比，得到压气机发生叶片磨损故障后的性能衰退特性。
70.下面分别对上述各个步骤进行详细的说明：
71.上述步骤s1中，为了表现叶片磨损对压气机的影响，本文将其对叶片形态产生的变化分为叶尖间隙增大和叶片表面粗糙度增大，并根据一般故障程度导致叶尖间隙和表面粗糙度增大的范围设置具体叶尖间隙值和叶片等效粗糙度值。对于叶尖间隙增大的模拟，以设计叶尖间隙t(t＝0.506mm)为基准，以不断减小叶片高度的形式来增大叶尖间隙值到2.5倍设计叶尖间隙，如表1所示为叶尖间隙取值与叶片高度关系。
72.表1叶尖间隙取值与叶片高度关系
[0073][0074]
对于叶片粗糙度模拟，参考真实服役的航空发动机的叶片表面轮廓平均偏差ra的范围，根据ra与等效砂粒粗糙度ks的经验关系：ks＝6.2ra，来对等效砂粒粗糙度换算。
[0075]
对于不同的运行工况分别设置了100％、80％和60％的设计转速(1n)。本实施例对不同故障形式的计算方案如表2所示。
[0076]
表2计算方案设置
[0077][0078]
本实施例采用solidworks三维建模软件对航空发动机压气机进行三维建模；采用designmodeler软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域，计算域如图2所示。采用turbogrid软件对叶尖间隙进行设置，采用spaceclaim软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域。采用cfx-pre中粗糙壁面的设定方法给定等效砂粒粗糙度ks，使用scalable壁面函数。
[0079]
上述步骤s2中，网格划分采用cfx turbogrid软件进行，对压气机转子采用单通道网格，网格拓扑结构采用o4h型，进出口通道使用h型网格，叶片使用o型网格，并增加了近壁处的网格数量，图3展示了网格的示意图和叶片边缘网格的细节。数值计算使用cfx求解器，
设为定常流动，采用k-ε湍流模型，选取方案为高阶迎风格式和湍流数值方法。轴流压气机的进口设为总温和总压边界，根据标准大气压其值为总温288.15k和总压101325pa；出口设置为平均静压边界条件，并通过修改出口静压值来计算压气机的特性曲线及性能参数，进气方向为轴向；对叶片、轮毂和机匣等壁面设置为绝热无滑移的边界条件；叶片通道两侧设置为周期性边界条件。
[0080]
本实施例为了验证网格数量对计算结果的影响，设置了四种网格数的网格，分别命名为grid1、grid2、grid3和grid4，其具体网格数量分别为493578、1010808、1557360和1979680。图4(a)、图4(b)展示了4套网格所计算得到的等熵效率和总压比特性曲线对比，其中横坐标为无量纲流量，即以压气机设计流量1.985kg/s为基准，将流量数据进行简单的归一化，得到无量纲流量。从图中可以看出，4套网格计算得到的特性曲线整体趋势相同，随着网格的密度增大，效率有所增加而总压比有所下降。在每个工况下，通过grid3和grid4获得的特性曲线几乎完全重合，与之相比，使用网格数量较低的grid1和grid2计算得到结果相差较大。可见，grid3已经达到了网格无关性要求。因此，综合计算精度和计算所耗的资源，本实施例选择grid3网格进行后续计算。
[0081]
上述步骤s3中，为分析叶片磨损导致叶尖间隙值增大单因素对压气机的气动性能影响，本实施例对叶尖间隙值分别为1.25t、1.5t、1.75t、2t和2.5t的同一压气机进行三维数值仿真，对每种叶尖间隙值均在100％、80％和60％设计转速下进行仿真，每种故障仿真在出口静压90000pa到110000pa之间选取多个工况进行仿真。
[0082]
上述步骤s4中，为分析叶片磨损导致叶片表面粗糙度增大单因素对压气机的气动性能影响，本实施例对叶片表面等效粗糙度值分别为5μm、10μm、30μm、50μm和70μm的同一压气机进行三维数值仿真，对每种叶尖间隙值均在100％、80％和60％设计转速下进行仿真，每种故障仿真在出口静压90000pa到110000pa之间选取多个工况进行仿真。
[0083]
上述步骤s5中，为分析叶片磨损导致叶尖间隙值增大和叶片表面粗糙度增大两因素同时作用对压气机的气动性能影响，本实施例对叶尖间隙值为1.5t且叶片表面等效粗糙度值为30μm的压气机分别在100％设计转速、80％设计转速和60％设计转速下进行三维数值仿真，每种故障仿真在出口静压90000pa到110000pa之间选取多个工况进行仿真。
[0084]
上述步骤s6中，本实施例将步骤s3、s4和s5中获得的不同叶片磨损模式下的压气机气动性能参数与步骤s2中得到的无故障压气机气动性能数据进行对比。选取的主要观测点为：进口总压、进口总温、进口质量流量、出口总压、出口总温、出口质量流量。并将仿真获得的数据点进行插值拟合，获得不同故障形式下在相同压比下的流量和效率特性线，计算发生故障后压气机等熵效率和质量流量与无故障时的相对偏差值。
[0085]
如图5为在设计转速下不同叶片磨损程度下与无故障叶片的效率特性曲线对比，图6为在设计转速下不同叶片磨损程度下与无故障叶片的压比特性曲线对比，其中，case1对应无故障叶片工况。可以发现，相比于无故障叶片，不同程度的叶尖磨损和叶片表面磨损均会导致压气机性能衰退。叶尖间隙增大，效率和压比特性线均向下偏移，堵塞流量变化较小。而叶片表面粗糙度增大，效率和压比特性线更偏向左下移动，并且叶片粗糙度增大相比与叶尖间隙增大引起的压气机性能衰退程度更大一些。
[0086]
通过计算发现在一定的叶尖磨损程度内，效率下降的程度与叶尖间隙值的大小呈近似线性关系，对于本实施例中的压气机，其叶尖间隙每增大0.5％叶高，近失速工况点(质
量流量1.8kg/s)、峰值效率工况点(质量流量1.95kg/s)和近堵塞工况点(质量流量2.02kg/s)的效率分别会下降0.23％、0.33％和0.4％左右。而叶片表面磨损导致的性能衰退比例与等效砂粒粗糙度值没有线性关系，随着粗糙程度的增加，压气机的性能对这种故障形式的敏感度逐渐降低，等效砂粒粗糙度ks从5μm增加到10μm，峰值效率衰退值增加了0.33％，而ks从10μm到70μm，每增大20μm，峰值效率衰退值分别只增加了0.81％、0.51％和0.38％。由于粗糙度增加导致的堵塞作用，在峰值效率流量和堵塞流量之间，叶片粗糙度增加导致的压比下降程度明显大于叶尖间隙增大。而叶尖间隙增大更容易导致流动失稳，在近失速流量下压比下降程度更大。两种故障形式同时作用时压气机性能衰退值大于其单独发生时叠加后的衰退值。
[0087]
图7(a)、图7(b)为压气机叶片在无故障(case1)、叶尖间隙增大(case3)、叶片表面粗糙度增加(case9)、和叶片表面粗糙度与叶尖间隙同时增大(case12)几种情况下，压气机在不同工况下的效率和压比变化情况。在100％、80％和60％设计转速下，压气机峰值效率变化不大，压比在低转速时下降较多。随着转速的增大，压气机稳定运行的范围逐渐变小。并且可以发现随着转速的降低，气路故障导致压气机在同一流量下效率和压比的衰退程度逐渐减弱。
[0088]
为了获得以上不同程度的叶片磨损的总体故障特性，计算发生故障后压气机等熵效率和质量流量与无故障时的相对偏差值，如图8所示将上述仿真获得的压气机不同叶片磨损情况在不同工况下的性能衰退比例值标在图上，每一点代表某一转速、压比和故障程度下的流量和效率的相对偏差值，其点集构成了叶片磨损故障对压气机特性影响的分布范围。可以得出发生叶片磨损的气路故障后，对压气机部件特性偏差影响分布整体为带状；对流量特性的影响大于效率特性的影响；叶片磨损可导致流量特性衰退约6.5％，效率特性衰退约2.1％。
[0089]
本发明实施例提供的压气机叶片磨损故障特性的获取方法，将叶片磨损简化为叶尖间隙值与叶片表面粗糙度均匀增大，可采用单通道网格计算，节约计算资源，并且覆盖了不同叶片磨损程度，可表征发生叶片磨损故障后对压气机气动性能的影响，并对该影响进行定量的分析，基于分析结果可指导通过发动机部件级模型的气路故障数据生成。
[0090]
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技术的至少一个实施例/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。
[0091]
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。在本技术的描述中，“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。
[0092]
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。

技术特征：
1.一种基于cfd仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法包括以下步骤：s100、基于cfd软件建立无故障压气机以及具有叶片磨损形态的压气机数值计算模型并对其进行网格划分；s200、对所述无故障压气机进行三维数值计算，获得无故障压气机气动性能参数,所述无故障压气机气动性能参数包括第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数；s300、对叶片磨损形态的压气机，进行具有不同叶尖间隙值的第一故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第一故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶片表面粗糙度的第二故障情形下叶片磨损的三维数值计算，获得第二故障情形气动性能参数；和/或进行具有不同叶尖间隙值和不同叶片表面粗糙度发生第三故障情形下叶尖磨损的三维数值计算，获得第三故障情形气动性能参数；s400、将步骤s300中获得的第一故障情形压气机气动性能参数、和/或第二故障情形气动性能参数、和/或第三故障情形气动性能参数分别与步骤s200获得的第一无故障气动性能参数，和/或第二无故障气动性能参数，和/或第三无故障气动性能参数进行对比，得到压气机发生第一故障情形、和/或第二故障情形、和/或第三故障情形后的性能衰退特性。2.根据权力要求1所述方法，其中，优选的，三维数值计算使用cfx求解器，设为定常流动，采用k-ε湍流模型，选取方案为高阶迎风格式和湍流数值方法。3.根据权力要求1所述方法，其中，所述步骤s200包括以下步骤：s201、设置基础边界条件，并对所建仿真模型进行网格无关性验证。4.根据权力要求3所述方法，其中，所述步骤s201中设置基础边界条件，包括：在网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；入口边界设置为总温和总压边界，其值为总温288.15k和总压101325pa；出口边界设置为平均静压，进气方向设置为轴向；叶片、轮毂和机匣均设为绝热无滑移壁面，对转子叶片和轮毂设置相应转速；叶片通道两侧设置为周期性边界条件。5.根据权力要求1所述方法，其中，所述步骤s300所述第一故障情形包括设置相对于设计叶尖间隙不同程度增大的叶尖间隙值。6.根据权力要求5所述方法，其中，所述步骤s300所述第一故障情形包括设置叶尖间隙值分别为1.25t、1.5t、1.75t、2t和2.5t，t为设计叶尖间隙。7.根据权力要求1所述方法，其中，所述步骤s300所述第二故障情形包括设置不同程度增大的叶片表面等效粗糙度值。8.根据权力要求7所述方法，其中，所述步骤s300所述第二故障情形包括设置表面等效粗糙度值分别为5μm、10μm、30μm、50μm和70μm。9.根据权力要求1所述方法，其中，所述步骤s300所述第三故障情形包括同时设置叶尖间隙值增大和叶片表面等效粗糙度值增大。10.根据权力要求1所述方法，其中，所述步骤s400中性能衰退特性包括压气机发生不同形式的叶片磨损故障，其在相同压比下的等熵效率和质量流量的衰退数据。

技术总结
本发明公开了一种基于CFD仿真的轴流压气机叶片磨损故障特性获取方法，所述方法将叶片磨损简化为叶尖间隙值与叶片表面粗糙度均匀增大，通过流场仿真对叶片磨损形态的压气机，分别进行具有不同叶尖间隙值、不同叶片表面粗糙度以及同时具有两种情形叠加的叶片磨损的数值计算，与无故障压气机气动性能参数进行对比，得到压气机发生所述三种叶片磨损的性能衰退特性。采用单通道网格计算，节约计算资源，并且覆盖了不同叶片磨损程度，可表征发生叶片磨损故障后对压气机气动性能的影响，为航空发动机压气机气路故障数据仿真提供一类有效的故障特征系数。障特征系数。障特征系数。


技术研发人员：耿佳 余壮 徐茂峻 廖增步 高飞宇 邓云涛 李明 宋志平
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/25