CN108256176A - 一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，采用三维气动参数化设计技术，通过定义叶尖处积叠轴周向弯角(a1)、叶根处积叠轴周向弯角(a2)、叶片高度(S)、叶尖处弓形积叠轴占叶高的距离百分比(s1)、叶根处弓形积叠轴占叶高的距离百分比(s2)五个三维造型参数，迭代测试设计出符合气动要求的可调静子；能兼具全工况范围获得低的叶型损失和抑制局部区域静子吸力面气流过早的分离，减少重新改进时建模的复杂性。

Description

一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计 方法

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机压气机设计领域，具体涉及一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法。

背景技术

压气机可调静子是航空发动机和燃气轮机压气机主流道中主要的静子件，其结构复杂且对应发动机工作中不同转速动态调节又要求具有稳定和可靠的角度调节精度。同时，为了保证全工况范围内可调静子在调节和不调节情况下气流无明显分离低损失地工作，需要采用叶型三维优化设计方式来适应压气机流量调节。先进航空发动机的可调静子的叶型三维设计，通常采用积叠轴周向为曲线形状的分布，将叶片端壁区积叠轴设计成正弯曲或反弯曲的曲线，气流经过角度关小的可调静子后，通过改变流场中速度三角形分布达到调节压气机前面级流量的目的，与后面级重新匹配流场提高压气机性能。常规发动机总体性能对压气机的设计点要求一般为一个状态，即一个流量、压比和效率的要求。但发动机为了适应更多的工作要求，如对比较成熟的发动机在不改变各部件设计的前提下，增大推力的改进设计。可对压气机可调静子叶片进行改进以适应压气机多个设计工况的需要，即压气机需要多个流量状态高效率的工作。这就要求可调静子具有宽流量范围可调节能力，同时保证压气机在不同流量条件下有效工作。

目前，从所能收集到的国外相关文献报道中，没有针对压气机双重流量特殊需求设计的宽流量范围的压气机可调静子研究技术。由于本设计技术专门针对总体对压气机双重流量要求，其针对性强，在国内也是首次开展这一技术的工程应用研究。

为了满足总体性能增大推力的整机匹配验证要求，相应要提高高压压气机的流量；同时又要适应串装原型发动机的流量匹配要求，因此部分高压压气机要求具有双重流量调节的特殊要求。采用压气机可调静子三维气动参数化设计技术，可以适应宽流量调节范围的设计需求。本设计方法能有效消除非设计工况可调静子局部区域吸力面气流分离和堵塞压气机流量的问题，降低气流损失，提高压气机性能。采用本设计方法能够准确设计三维静子叶型造型参数，简化叶型迭代、改进设计过程中重新建模的多余步骤，大幅提升三维静子叶型改进、优化造型设计的效率，设计出具有适应发动机宽流量匹配要求的可调静子叶片叶型。

发明内容

发明目的

提出一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，解决发动机对压气机多种流量需求的问题。解决发动机宽流量匹配对可调静子叶片叶型设计的要求、避免产生多余建模步骤等问题。

技术方案

本发明提出一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，采用三维气动参数化设计技术，通过定义叶尖处积叠轴周向弯角(a1)、叶根处积叠轴周向弯角(a2)、叶片高度(S)、叶尖处弓形积叠轴占叶高的距离百分比(s1)、叶根处弓形积叠轴占叶高的距离百分比(s2)五个三维造型参数，迭代测试设计出符合气动要求的可调静子。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、基元叶型设计；

步骤2、三维参数化设计；

步骤3、叶片造型；

步骤4、网格生成；

步骤5、设置边界条件；

步骤6、求解流场；

步骤7、性能分析；

步骤8、结果判断，如符合气动要求则结束，若不符合气动要求则改变造型参数后返回步骤3。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤2三维参数化设计中，输入的三维造型参数中，叶尖处积叠轴周向弯角(a1)和叶根处积叠轴周向弯角(a2)在-10°～-20°。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤3中叶片造型，采用叶片造型软件按照输入的造型参数生成三维叶型数据。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤4中网格生成，采用叶片网格划分软件按照输入的控制参数生成三维计算用网格数据。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤5中设置边界条件，对三维计算软件中压气机可调静子物理边界条件和控制边界条件进行设置。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤6中求解流场，采用三维计算的后处理软件将计算分析、比较用的数据处理成可以用于性能判断用的图形。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤7、性能分析；包括通过调整压气机导叶角度，在偏离压气机进口设计空气流量+3％到-3％之间、含+3％和-3％的范围内调整压气机进口空气流量。

所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，所述步骤8包括，判断步骤7获取的结果是否出现气流分离、损失增加的情况，若有则返回步骤2，若无则结束。

有益效果

本发明提供的设计方法是一种针对发动机总体性能对压气机双重流量特殊需求的设计方法，目的明确，减少重新改进时建模的复杂性，易于实现；本发明设计方法设计出的可调静子叶型，能兼具全工况范围获得低的叶型损失和抑制局部区域静子吸力面气流过早的分离，对非设计工况叶型端区流场改善效果明显，用于航空发动机和燃气轮机上可以有效提高压气机综合性能，进而提高发动机性能。

附图说明

图1可调静子参数化设计流程图；

图2可调静子控制参数示意图。

具体实施方式

结合技术方案中的步骤说明和附图1可调静子参数化设计流程图。首先根据压气机气动设计的要求设计出基元压气机叶型。

然后进行叶片三维积叠参数化设计，控制参数如图2所示，是沿叶片叶高积叠轴s1、s2高度内变化的，积叠轴周向弯角a1、a2分布参数。

采用基元叶型和三维积叠参数做为初始输入数据，输入叶片造型程序，生成初始叶型模型。

采用初始造型生成的叶型数据，调用全三维分网软件子程序，进行网格划分。进行叶片网格划分选择合适的网格模型，在此基础上采用分区网格技术对可调静子叶片进行网格划分，设定叶片数。由于可调静子叶片在结构形式上是可以沿积叠轴转动的一个零件，其顶部和底部与流道相交的位置应留有一定间隙，避免转动时可调静子叶片与流道的干涉导致无法转动的问题发生，须在这两个位置设计有径向的间隙并进行间隙网格划分，间隙值大小为叶高1％～2％或根据叶片结构变形分析结果确定。同时，网格划分过程中还应监控网格最小正交性、最大长宽比、最大延展比等网格划分的质量参数情况，保证网格划分质量良好。

设置边界条件，按照总体技术给定的压气机进口总压、进口总温、物理转速，设定全三维计算的物理边界条件。选择合适的工作气体、数值计算模型、湍流模型、空间离散方法、多重网格等全三维计算控制参数。

进行全三维流场各个工作状态点计算。计算状态包括：通过调整压气机导叶角度，在偏离压气机进口设计空气流量+3％到-3％之间、含+3％和-3％的范围内调整压气机进口空气流量。可调静子沿积叠轴调节角度的模型是计算前在造型时先设计出的，其积叠轴调节角度通常选取-5°～5°的角度变化范围。在求解各工作状态点计算时，需要针对不同的可调静子沿积叠轴调节角度值，来分别计算得到整个流量变化范围内的计算结果。

通过全三维数值计算得到各个状态点压气机的流场结果，用于下一步的压气机性能分析。

压气机性能分析主要是要采用全三维后处理软件，处理出计算的叶片表面马赫数、总压和周向平均后的可调静子进出口马赫数、总压等流场参数，并作图与其它的状态点计算结果比较、分析。

结果判断的主要气动设计原则是：压气机流场中无明显的气流分离发生，可调静子出口总压损失小、压气机的总性能参数不发生明显的降低。出现的不符合该主要气动设计准则的具体算例是，在全三维计算的全部状态点中，个别的计算状态点，进口导叶的端区发生叶盆或叶背处的气流分流，损失增加，压气机性能降低的情况。这时，就要返回设计启动步骤2，调整积叠轴周向弯角a1、a2分布。

重新启动叶型造型步骤2，将压气机积叠轴周向弯角的取值范围设计在10°～20°之间，可以先设定20°，在重复的迭代过程中，逐步减小该值，找出能够满足压气机设计要求的最优积叠轴周向弯角设计值。

Claims (9)

1.一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，采用三维气动参数化设计技术，通过定义叶尖处积叠轴周向弯角(a1)、叶根处积叠轴周向弯角(a2)、叶片高度(S)、叶尖处弓形积叠轴占叶高的距离百分比(s1)、叶根处弓形积叠轴占叶高的距离百分比(s2)五个三维造型参数，迭代测试设计出符合气动要求的可调静子。

2.根据权利要求1所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基元叶型设计；

步骤2、三维参数化设计；

步骤3、叶片造型；

步骤4、网格生成；

步骤5、设置边界条件；

步骤6、求解流场；

步骤7、性能分析；

步骤8、结果判断，如符合气动要求则结束，若不符合气动要求则改变造型参数后返回步骤3。

3.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤2三维参数化设计中，输入的三维造型参数中，所述叶尖处积叠轴周向弯角(a1)和叶根处积叠轴周向弯角(a2)在-10°～-20°。

4.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤3叶片造型中包括，采用叶片造型软件按照输入的造型参数生成三维叶型数据。

5.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤4网格生成中包括，采用叶片网格划分软件按照输入的控制参数生成三维计算用网格数据。

6.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤5中设置边界条件包括，对三维计算软件中压气机可调静子物理边界条件和控制边界条件进行设置。

7.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤6求解流场中包括，采用三维计算的后处理软件将计算分析、比较用的数据处理成可以用于性能判断用的图形。

8.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤7性能分析；包括通过调整压气机导叶角度，在偏离压气机进口设计空气流量+3％到-3％之间、含+3％和-3％的范围内调整压气机进口空气流量。

9.根据权利要求2所述的一种适应宽流量范围的压气机可调静子三维气动参数化设计方法，其特征在于，所述步骤8包括，判断步骤7获取的结果是否出现气流分离、损失增加的情况，若有则返回步骤2，若无则结束。