CN109779972B - 一种兼顾低雷诺数工况性能的压气机二维叶型优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼顾低雷诺数工况气动性能的压气机二维叶型的优化方法，其特征在于：包括步骤一，分析原型多级轴流压气机在不同转速下的子午通流性能；步骤二，确定需要优化的关键二维叶型截面；步骤三，对步骤二中的关键二维叶型进行参数化拟合；步骤四，二维叶型气动性能分析，对参数化后的二维叶型进行气动性能分析，得到叶型在低雷诺数工况下的变攻角性能，以及在高雷诺数工况下的变攻角性能；步骤五，二维叶型造型参数寻优，根据步骤四中所得到的二维叶型在不同雷诺数下的变攻角性能参数，利用遗传算法循环迭代步骤三和步骤四，调整叶型的二维造型参数，直至得到降低损失并增大失速裕度的二维叶型设计，得到新的二维叶型。本发明实现了轴流压气机二维叶型在不同雷诺数和不同攻角下的性能优化，在提高压气机设计工况性能的同时提高压气机在低转速工况下的气动性能，在保证压气机正常起动、稳定工作的同时提高流动效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维叶型的优化设计方法，具体是一种兼顾低雷诺数性能的压气机二维叶型优化设计方法。属于轴流式叶轮机械领域。
背景技术
轴流压气机的气动性能不仅是指压气机在设计转速下的气动性能，例如压比、效率、喘振裕度等；还包括压气机在起动过程中的气动性能。在起动过程中，压气机的工作转速低于设计转速，主流流道中常有失速团出现，喘振裕度较低，如何保证压气机在低转速下的喘振裕度，保证压气机的正常起动，至关重要。
轴流压气机的二维叶型是轴流压气机叶片中的一个二维截面，是建立压气机扩压流场的最基础单元。其性能决定了压气机扩压叶栅的气动性能，进而在压气机的整体性能中起到了举足轻重的作用。
当压气机在低转速下工作时，其二维叶型与在设计转速下最大的区别就是进口雷诺数的降低。当扩压叶栅的进口雷诺数下降后，通常的二维叶型在会表现出损失增加，失速裕度下降的性能变化，进而影响到压气机在低转速下的气动性能。但目前，大部分的二维叶型优化方法只着眼于叶型在设计工况下(即高雷诺数工况下)的气动性能，而忽略了二维叶型在低雷诺数下的性能需求。
因此，针对以上不足，需要提供一种兼顾低雷诺数工况性能的压气机二维叶型优化方法，在保证设计工况性能的同时提高二维叶型在低雷诺数工况下的气动性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对压气机在设计转速和起动过程低转速工况下不同的流动特点，提供一种能够兼顾低雷诺数和高雷诺数性能的压气机二维叶型优化方法，在保证设计工况性能的同时提高二维叶型在低雷诺数工况下的气动性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种兼顾低雷诺数工况气动性能的压气机二维叶型的优化方法，其特征在于：包括步骤一，分析原型多级轴流压气机在不同转速下的子午通流性能；步骤二，确定需要优化的关键二维叶型截面；步骤三，对步骤二中的关键二维叶型进行参数化拟合；步骤四，二维叶型气动性能分析，对参数化后的二维叶型进行气动性能分析，得到叶型在低雷诺数工况下的变攻角性能，以及在高雷诺数工况下的变攻角性能；步骤五，二维叶型造型参数寻优，根据步骤四中所得到的二维叶型在不同雷诺数下的变攻角性能参数，从变攻角特性中提取总压损失，有效攻角范围，失速攻角范围作为目标函数的输入参数，目标函数包含叶型在低雷诺数和高雷诺数工况下的气动性能，目标函数定义为OBF＝OBFhigh-Re+OBFlow-Re，其中，右边第一项OBFhigh-Re为二维叶型在高雷诺数下的目标函数，右边第二项OBFlow-Re为二维叶型在低雷诺数下的目标函数，不同雷诺数下的目标函数定义为OBFRe＝w1·ω/ωref+w2·β1/β1,ref+w3·βst/βst,ref，其中，右边第一项w1·ω/ωref为二维叶型在零攻角下的总压损失与参考值的比值，w1为给定的权重；右边第二项w2·β1/β1,ref为二维叶型的有效攻角范围，w2为给定的权重；右边第三项w3·βst/βst,ref为二维叶型的失速攻角范围，w3为给定的权重；w2·β1/β1,ref二维叶型的有效攻角范围以零攻角损失的1.5倍为限；w3·βst/βst,ref二维叶型的失速攻角范围为有效范围中攻角大于零度的半支；利用遗传算法对目标函数循环迭代步骤三和步骤四，调整叶型的二维造型参数，直至得到降低损失并增大失速裕度的二维叶型设计，得到新的二维叶型。
本发明具有以下的有益效果：
(1).通过在寻优过程中兼顾二维叶型的变攻角性能，可以提高二维叶型在设计雷诺数工况下的气动性能，降低损失的同时提高失速裕度；(2).通过在寻优过程中兼顾二维叶型低雷诺数的工作状态，可以提高二维叶型在低雷诺数工况下的气动性能，降低损失的同时提高失速裕度；
(3).通过改善二维叶型在设计雷诺数下的气动性能，包括损失的降低和裕度的增加，可以提高压气机级在设计转速下的流动效率和喘振裕度；
(4).通过改善二维叶型在低雷诺数下的气动性能，包括损失的降低和裕度的增加，可以提高压气机级在低于设计转速(设计转速的50～70％)的转速工况下的流动效率和喘振裕度，进而在保证压气机正常起动、稳定工作的同时节约能源。
附图说明
图1为本发明的技术路线图；
图2为本发明提取关键二维叶型的示意图；
图3为本发明所述的叶片参数化方法的示意图；
图4为本发明所述的扩压叶栅S1流面的转捩流动示意图；
图5为本发明所述的叶型变雷诺数特性变化的示意图；
图6为本发明所述的叶型变攻角特性变化的示意图；
图7为本发明所述的压气机级特性在不同转速下的变化示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明是一种兼顾低雷诺数工况和设计雷诺数工况的压气机二维叶型优化方法，具体的技术路线如图1所示。本发明的具体步骤如下：
步骤一，原型压气机的子午通流性能分析
采用子午通流性能分析软件对二维叶型的子午通流性能进行分析，在没有子午通流性能分析软件的情况下也可采用三维CFD替代子午通流性能分析软件。性能分析不仅包括原型压气机在100％设计转速下的气动性能，还包括原型压气机在低转速下的气动性能。此处，低转速特指低于设计转速50～70％以下的转速工况。
步骤二，确定需要优化的关键二维叶型截面
分析步骤一所得到的原型压气机在不同转速下的性能图谱，确定需要优化的关键截面。确定条件为：如若原型压气机在设计转速下裕度偏低，则提取多级压气机后面级的二维叶型作为关键叶型；如若原型压气机在低转速下裕度偏低，则提取多级压气机前面级的二维叶型作为关键叶型。如若原型压气机存在端区流动问题，则提取相应侧的端区二维叶型作为关键叶型；如若原型压气机主流性能偏低，则提取中径处的二维叶型作为关键叶型。实施例选取多级压气机后面级叶展中部的二维叶型作为关键叶型，如图2所示。
步骤三，二维叶型参数化
对所提取的关键二维叶型进行参数化拟合，参数化方法如图3所示，为：中弧线采用一条NURBS(Non-uniform rational B-slines)曲线(图中虚线)描述，分别由四个控制点控制，包括前缘5圆心、尾缘6圆心、控制点7、控制点8。叶身采用四条NURBS曲线描述，吸力面1、吸力面2与压力面3、压力面4各两条，并同时相切于最大内切圆以及前缘5、尾缘6的椭圆弧，如图3中所示。进口几何角为α1，出口几何角为α2，安装角为α0，均为与z轴向的夹角，取值范围在0～90°；由进口几何角α1确定中弧线的进口角度，由出口几何角α2确定中弧线的出口角度，由安装角α0确定中弧线的首尾连线与z轴的夹角；轴向弦长cz，最大内切圆在轴向距离前缘czmax，二者的大小关系为czmax<cz。
步骤四，二维叶型气动性能分析
对参数化后的二维叶型进行气动性能分析，包括叶型在低雷诺数工况下的变攻角性能(对应多级压气机的低转速工况)，以及在高雷诺数工况下的变攻角性能(对应多级压气机的设计转速工况)。
二维叶型气动性能分析使用S1流面的二维流场性能分析软件，并采用转捩模型模拟从层流到湍流的转捩过程，如图4所示。带转捩模型的分析软件以步骤三得到的二维叶型参数为输入，输出不同雷诺数下二维叶型气动性能。由此预测出二维叶型在不同雷诺数下的性能变化，即叶型在低雷诺数工况下的变攻角性能，以及在高雷诺数工况下的变攻角性能。
步骤五，二维叶型造型参数寻优
根据步骤四中所得到的二维叶型多工况性能，从变攻角特性中提取总压损失，有效攻角范围，失速攻角范围作为目标函数的输入变量，调整叶型的二维造型参数，得到新的二维叶型，利用遗传算法对目标函数循环迭代步骤三和步骤四，直至得到降低损失并增大失速裕度的二维叶型设计，得到新的二维叶型。
目标函数兼顾二维叶型的变雷诺数特性和不同雷诺数下的变攻角特性。目标函数定义为OBF＝OBFhigh-Re+OBFlow-Re，其中，右边第一项OBFhigh-Re为二维叶型在高雷诺数下的目标函数，右边第二项OBFlow-Re为二维叶型在低雷诺数下的目标函数。不同雷诺数下的目标函数定义为OBFRe＝w1·ω/ωref+w2·β1/β1,ref+w3·βst/βst,ref，其中，右边第一项w1·ω/ωref为二维叶型在零攻角下的总压损失与参考值的比值，w1为给定的权重；右边第二项w2·β1/β1,ref为二维叶型的有效攻角范围，以零攻角损失的1.5倍为限，w2为给定的权重；右边第三项w3·βst/βst,ref为二维叶型的失速攻角范围，为有效范围中攻角大于零度的半支，w3为给定的权重。在低雷诺数和高雷诺数下，目标函数OBFlow-Re和OBFhigh-Re的形式均保持与OBFRe一致。不同之处在于参考值和权重的选择：低雷诺数的参考值选择原型二维叶型在低雷诺数下的气动性能，权重选择倾向于获得更大的有效攻角范围和失速攻角范围，w3>w2>w1；高雷诺数的参考值选择原型二维叶型在高雷诺数下的气动性能，权重选择倾向于获得更低的总压损失，w1>w2,w3。
图5和图6为示例的二维叶型优化结果，二维叶型损失陡增的临界雷诺数降低，变雷诺数的特性线整体下移；二维叶型在不同雷诺数下的变攻角特性线以下并拓宽，流动损失下降的同时失速裕度增加。
步骤六，三维流场气动性能分析
将步骤五优化后的二维叶型应用于原型压气机，采用三维CFD软件对新生成的多级轴流压气机流场进行气动性能分析：如若不满足同时提高效率和失速裕度的性能需求，则调整目标函数，循环迭代步骤三～五；如若满足需求，则完成二维叶型设计。
三维流场的CFD分析采用湍流模型Shear Stress Transport(SST)模型，并辅以γ-Reθt转捩模型，通过高分辨率High resolution格式求解流动控制方程。网格划分采用O4H的网格拓扑形式，叶顶间隙采用蝶形网格，第一层网格厚度的取值保证y+值满足所选择的湍流模型需求。三维CFD所采用的转捩模型同样也能够模拟压气机在不同雷诺数下的性能变化，得到压气机在不同转速下的效率和压比特性线。如图7所示，压气机的二维叶型经过优化之后，压气机整体的流动效率提升，压比提高，喘振裕度增加。
综上所述，本发明提出了一种兼顾低雷诺数工况和设计雷诺数工况的压气机二维叶型优化方法，在提高二维叶型设计工况性能的同时提高了二维叶型在低雷诺数工况下的流动性能，进而提高了压气机在不同转速工况下的流动性能。在保证压气机正常起动、稳定工作的同时节约能源。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种兼顾低雷诺数工况气动性能的压气机二维叶型的优化方法，其特征在于：包括
步骤一，分析原型多级轴流压气机在不同转速下的子午通流性能；
步骤二，确定需要优化的关键二维叶型截面；
步骤三，对步骤二中的关键二维叶型进行参数化拟合；
步骤四，二维叶型气动性能分析，对参数化后的二维叶型进行气动性能分析，得到叶型在低雷诺数工况下的变攻角性能，以及在高雷诺数工况下的变攻角性能；
步骤五，二维叶型造型参数寻优，根据步骤四中所得到的二维叶型在不同雷诺数下的变攻角性能参数，从变攻角特性中提取总压损失，有效攻角范围，失速攻角范围作为目标函数的输入参数，目标函数包含叶型在低雷诺数和高雷诺数工况下的气动性能，目标函数定义为OBF＝OBFhigh-Re+OBFlow-Re，其中，右边第一项OBFhigh-Re为二维叶型在高雷诺数下的目标函数，右边第二项OBFlow-Re为二维叶型在低雷诺数下的目标函数，不同雷诺数下的目标函数定义为OBFRe＝w1·ω/ωref+w2·β1/β1，ref+w3·βst/βst，ref，其中，右边第一项w1·ω/ωref为二维叶型在零攻角下的总压损失与参考值的比值，w1为给定的权重；右边第二项w2·β1/β1，ref为二维叶型的有效攻角范围，w2为给定的权重；右边第三项w3·βst/βst，ref为二维叶型的失速攻角范围，w3为给定的权重；w2·β1/β1，ref二维叶型的有效攻角范围以零攻角损失的1.5倍为限；w3·βst/βst，ref二维叶型的失速攻角范围为有效范围中攻角大于零度的半支；利用遗传算法对目标函数循环迭代步骤三和步骤四，调整叶型的二维造型参数，直至得到降低损失并增大失速裕度的二维叶型设计，得到新的二维叶型。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，步骤一中，气动性能分析条件为原型多级轴流压气机在设计转速即100％额定转速及低于设计转速50～70％以下的转速工况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，如若所述原型多级轴流压气机在设计转速下裕度偏低，则提取原型多级轴流压气机后面级的二维叶型作为关键叶型；如若原型多级轴流压气机在低转速下裕度偏低，则提取原型多级轴流压气机前面级的二维叶型作为关键叶型；如若原型多级轴流压气机存在端区流动问题，则提取相应侧的端区二维叶型作为关键叶型；如若原型多级轴流压气机主流性能偏低，则提取中径处的二维叶型作为关键叶型。
4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，步骤三中，用NURBS(Non-uniformrational B-slines)曲线对二维叶型进行参数化：以进口几何角为α1、出口几何角为α2、最大内切圆的相对位置和一段NURBS曲线定义二维叶型的中弧线；以前缘(5)、尾缘(6)两段椭圆弧和吸力面(1、2)与压力面(3、4)四段NURBS曲线定义二维叶型的轮廓线，并使得位于吸力面或压力面的两段NURBS的连接点在同一点相切于最大内切圆。
5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，进口几何角α1，出口几何角α2，安装角为α0，均为与z轴向的夹角，并且取值范围在0～90°；由进口几何角α1确定二维叶型中弧线的进口角度，由出口几何角α2确定中弧线的出口角度，由安装角α0确定中弧线的首尾连线与z轴的夹角；轴向弦长cz，最大内切圆在轴向距离前缘czmax，二者的大小关系为czmax＜cz。
6.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，步骤四中，二维叶型气动性能分析使用S1流面的二维流场性能分析软件，并采用转捩模型模拟从层流到湍流的转捩过程，以得到二维叶型的变雷诺数性能。
7.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，二维叶型在低雷诺数下的目标函数OBFlow-Re，参考值选择原型多级轴流压气机二维叶型在低雷诺数下的气动性能，权重选择使获得更大的有效攻角范围和失速攻角范围，权重为w3＞w2＞w1；二维叶型在高雷诺数下的目标函数OBFhigh-Re，参考值选择原型多级轴流压气机二维叶型在高雷诺数下的气动性能，权重选择使获得更低的总压损失，权重为w1＞w2，w3。
8.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，还包括
步骤六，三维流场气动性能分析，
将步骤五优化后的二维叶型应用于原型多级轴流压气机，对优化后的多级轴流压气机流场进行气动性能分析：如若不满足同时提高效率和失速裕度的性能需求，则调整目标函数，循环迭代步骤三～五；如若满足需求，则完成二维叶型设计。
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