CN110929357A - 一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法。本发明的目的是为了解决现有技术的基于我国舰船动力的舰船燃机压气机气动设计操作复杂，适应范围小的问题。本发明所述的一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，包括：根据设计要求和目标，按照压气机总体设计要求，进行多级轴流压气机的一维反问题设计，在一维设计方案的基础上，进行S2通流反问题设计；采用多级压气机三维数值模拟方法，对比分析压气机的三维匹配特性，进行三维数值模拟并与一维和S2计算结果进行对比分析；将得到的数据返回至S2通流反问题设计中，反复迭代，完成S2通流反问题设计及叶片造型设计。本发明可应用燃气轮机的所有领域，其应用领域包括军事、能源、电力、交通、环保等方面。

Description

一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法

技术领域

本发明涉及一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法。

背景技术

舰船大功率燃气轮机是我国发展大型水面舰艇的关键和核心装备。长期跟踪、仿制使我国舰船燃机压气机发展中缺少完整的自主化设计能力，造成设计方法和体系不够完善、设计稳定性不高、专业化设计准则缺失等问题，迫切需要开展舰船燃气轮机压气机气动热力基础研究。

20世纪初期，压气机气动设计是建立在简单的一维流动基础上，其效率和压比都比较低。50年代初，吴仲华先生提出两类流面理论(S1和S2流面)后，S2流面的通流程序和S1流面程序被广泛应用到压气机的先进气动设计当中，并成为80年代中期以前最为先进的设计手段。从1970年到1985年期间，设计技术主要是以S2和S1两类流面程序为主要设计手段，同时引入可靠的经验统计数据和试验关联关系，如扩压因子关联、失速裕度关联和效率关联，此时设计已经达到相当高的水平。2000年以后，现代压气机设计方法已经发生了明显变化。在继承前人成功经验基础上，从原先的准三元设计理论，发展到全三维流场优化设计。全三维问题对流动的假设减少了，能够更好地模拟流动的空间特性，这对于空间几何形状十分复杂的叶轮来说是极为重要的。借助于三维流场计算软件，可以预测分离流动产生的具体部位，进而改进设计，以消除分离或减小分离区，从而达到提高效率和增加压气机失速裕度，设计出高性能的压气机。

压气机设计体系的建立依赖于大量的平面叶栅、环形叶栅、单级、整机、部件试验作基础，所有试验都需要投入大量的经费。国外发达国家的一些大的跨国公司如MTU、P&W、GE、Alstom、三菱重工、罗尔斯.罗伊斯等在燃气轮机行业，都拥有自己的一套压气机设计体系，在压气机设计方面更是投入大量的财力与物力，做了大量的叶栅试验、压气机部件、整机试验，积累了丰富的设计经验。完备可靠的发动机设计体系是设计出性能先进的发动机的基础，其中压气机气动设计更是至关重要的一环。

基于国内现状并结合舰船用压气机设计特点，作者提出了适合我国舰船动力的一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的基于我国舰船动力的舰船燃机压气机气动设计操作复杂，适应范围小的问题，现提出一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法。

本发明为一种高性能舰船燃机气压机气动设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据设计要求和目标，按照压气机总体设计要求，进行多级轴流压气机的一维反问题设计，得到多个设计方案；

依据平均半径气动设计规范选取压气机基本参数，进行多方案优化得到初始设计方案；根据初始设计方案得到基元级基本参数以及子午流道参数；以此为基础进行压气机一维特性计算及其优化，通过特定损失模型、落后角模型校验初始设计方案的效率、压比、喘振裕度特性指标是否满足要求，若不满足，则在此基础上，从一维正问题分析的角度对几何参数再进行调整，直至方案满足设计要求；

步骤二、在一维设计方案的基础上，进行S2通流反问题设计，依据沿径气动设计规范，估算动叶的效率分布以及静叶的总压恢复系数；

基于S2通流反问题设计获得流道中的各叶高流线位置及进出口气流角参数；再参照叶片造型设计规范，确定弦长、最大相对厚度、落后角关键参数，在流面上进行叶片造型；针对具有不同进口马赫数的流面选取压气机流向的做功规律，构造压气机叶型，获得压气机叶片的扭转初步方案，根据得到的方案进行设计点的三维流场逐级计算，得到动叶的效率分布以及静叶的总压恢复系数，进一步校验S2反问题匹配设计的准确性以及对叶片的匹配性能进行改进：

采用多级压气机三维数值模拟方法，对比分析压气机的三维匹配特性，进行三维数值模拟并分别与一维和S2的计算结果进行对比分析；综合考虑设计工况与非设计工况，对存在匹配问题的部分，通过调整叶片安装角度并进行叶片优化设计，来完成平均参数的三维匹配；并根据三维数值模拟结果，逐级进行动、静叶片之间的匹配设计；将得到的数据返回至S2通流反问题设计中，反复迭代，完成S2通流反问题设计及叶片造型设计。

本发明的有益效果是：

基于国内现状并结合舰船用压气机设计特点，给出了适合我国舰船动力的一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，此方法具备流程清晰、操作简单、适应性宽、易于大规模推广应用的特点；

本发明可应用燃气轮机的所有领域，同时也可应用于具有特殊要求(如海上平台燃机要求两种燃料均能使用)的燃气轮机领域，其应用领域主要包括军事、能源、电力、交通、环保等方面。

附图说明

图1是舰船用多级轴流压气机设计流程图；

图2是多级轴流压气机一维设计流程图；

图3是多级轴流压气机S2设计流程图；

图4是多级压气机变工况特性曲线图。

具体实施方式

如图1所示，给出了舰船用多级轴流压气机气动设计流程，该设计流程具有普遍适应性，它更适合于全新压气机设计开发设计，该设计流程涵盖了开发设计平台一些重要环节，就多级轴流压气机设计体系来说，气动设计各环节还应包括相应的设计准则、设计规范、设计软件程序和数据库等。

具体实施方式一：参照图1对本实施方式进行说明，本实施方式所述的一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、参照图1，根据设计要求和目标，并按照压气机总体设计要求，进行多级轴流压气机的一维反问题设计，得到多个方案，同时，设计得到的方案也可以作为数据资源存储在压气机气动设计数据库中；

依据平均半径气动设计规范进行压气机基本参数的选取，此过程很多参数是基于设计经验选取的，可以借助压气机基本参数数据库，查看相关机组设计资料，进行多方案优化得到初始设计方案；初始设计方案得到基元级基本参数以及子午流道参数，以此为基础进行压气机特性计算及其优化(即一维正问题分析)，通过特定损失模型、落后角模型校验初始设计方案的效率、压比、喘振裕度等特性指标是否满足要求；在此基础上，从正问题分析的角度对几何参数进行调整，直至方案满足设计要求(一维反问题设计流程如图2所示)；

步骤二、如图3所示，在一维设计方案的基础上，进行S2通流反问题计算，依据沿径气动设计规范，估算动叶的效率分布以及静叶的总压恢复系数；

基于S2通流反问题设计，获得流道中的各叶高流线位置及进出口气流角等参数，参照叶片造型设计规范，确定弦长、最大相对厚度、落后角等关键参数，在流面上进行叶片造型；针对具有不同进口马赫数的流面选取压气机流向的做功规律，构造压气机叶型，获得压气机叶片的扭转初步方案，根据得到的方案进行设计点的三维流场逐级计算，得到动叶的效率分布以及静叶的总压恢复系数，一维特性计算与S2流面计算依赖于实验数据库和损失、落后角模型的砖却程度，因此为了进一步校验匹配设计的准确性和对叶片的匹配性能改进，采用多级压气机三维数值模拟方法，对比分析压气机的三维匹配特性，进行三维数值模拟(设计转速特性线以及低工况特性线)并分别与一维和S2的计算结果进行对比分析；综合考虑设计工况与非设计工况，对明显存在匹配问题的部分，通过调整叶片安装角度，同时进行叶片优化设计，完成平均参数的三维匹配；并根据三维数值模拟结果，逐级进行动、静叶片之间的匹配设计，主要包括，势流区(中间)气流角的匹配和端区的角度匹配，综合考虑压气机的变工况性能在不同区域选择适当的攻角，完成匹配设计(对级与级之间的匹配进行了理论分析，压气机在设计等转速特性线上偏离设计状态，各级均发生特性的变化，这种变化的相对值会逐级放大，出口级偏离设计状态的相对值最高，这就是多级压气机等转速特性变化的逐级放大，当转速低于设计转速时，引发进口级或前面级严重失速或喘振，压气机压比越高，这种前喘后堵的趋势就越强)将得到的数据返回至S2反问题设计计算中，反复迭代，完成S2反问题设计及叶片造型设计。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一以违反问题设计，主要任务包括：按照给定的流量、压比，估算压气机效率和主要几何参数，依据经验关系，确定压气机的初步设计方案，得到压气机的转角、叶高、弦长、叶片数、内外径以及攻角基本条件，(压气机一维设计主要参数如表1所示)：

表1典型压气机一维气动设计主要参数

在做一维反问题设计过程中，要注意以下参数的选取：

轴向速度：进口级的轴向速度的选择，需要综合考虑机组尺寸要求，进口级最小轮毂比和动叶进口气流临界马赫数极限等因素。末级出口轴向速度选择一般较低，以降低要考虑到对燃烧室工作特性的影响及排气损失。进口轴向马赫数一般要低于0.5，这样保证有较好的性能。因此，轴向速度一般选取为170m/s～190m/s。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤一进行压气机以为特性计算及其优化；具体过程为：

在一维特性计算及优化阶段，采用的是Concepts-NREC工程设计系统中的AXIAL软件模块，该软件提供了多级轴流压气机和透平机械的方案设计计算，以及已有机组或设计方案分析功能，同时还可以进行叶轮机械变工况性能预测分析。在一维特性计算及优化阶段采用的是分析模式，将一维反问题得到的压气机通流设计结果，即各级叶片排的几何参数，借助于程序软件的分析模式进行验算，反复计算比较各方案，确定方案的合理性。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤二S2通流反问题设计的具体过程为：

在一维设计方案的基础上，基于流线曲率法进行S2通流反问题设计以获得压气机叶片的扭转初步方案并修改局部子午通道曲率；首先，根据一维设计方案确定的各级压气机进出口处的几何参数，采用多项式曲线构造子午流道具体形式；

S2反问题设计的主要任务是在给定子午流道尺寸的基础上设计叶栅性能参数沿叶高的分布规律；

对于动叶而讲，输入参数包括动叶效率和总压比沿叶高分布；一般情况下，动叶顶部损失是损失的重要组成部分，因此动叶顶部的效率偏低，因此效率的分布规律按照根部较高，顶部较低的分布规律给定，而总压比按照沿径向不变的规律给出；

静叶的输入参数是静叶的总压恢复系数和出口的切向速度，初步估计总压恢复系数按照径向分布(根部大些，顶部小些)，根据下一级进口对预旋提出的要求确定静叶出口切线速度(S2反问题设计结果如表所示)；

表2 S2反问题设计结果

S2反问题设计结果为扭转设计提供了初步的方案参考；需要注意，根据一定的叶尖切线速度和轴向速度来判断叶顶相对马赫数是否在合理范围内，气流转折角度不宜过大，检查子午流道局部曲率变化剧烈处的速度分布是否合理。通过调整总压径向的分布规律，调整局部的子午流道型线。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤二叶片造型设计；具体过程为：

采用正问题方法进行CDA叶型的设计，通过以下四个步骤完成：

(1)确定中弧线；

(2)确定叶型厚度分布规律；

(3)将厚度分布叠加到中弧线上；

(4)按照积叠规律进行展向积叠，获得叶片几何造型。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤二中逐级进行动、静叶片之间的匹配主要包括：

势流区气流角的匹配和端区的角度匹配，综合考虑压气机的变工况性能在不同区域选择适当的攻角，完成匹配设计。

实施例

如图4所示可见，随着转速的降低，不同等转速条件下最高效率点近似呈二次曲线分布，三维计算结果显示，最高效率区域在95％～100％设计转速左右，此时各级处于较好的级与级匹配条件下，当转速降低后，级与级之间的匹配偏离最佳工作状态点，总体效率呈现下降趋势，而在此时并未考虑可转导叶的调节作用，在80％、70％及60％等转速的低工况条件下，仍然具有很宽的流量范围，压气机效率在0.85至0.6范围内变化。

本发明可应用燃气轮机的所有领域；同时也可应用于具有特殊要求(如海上平台燃机要求两种燃料均能使用)的燃气轮机领域，其应用领域主要包括军事、能源、电力、交通、环保等方面。

Claims (6)

1.一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，其特征在于，所述一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据设计要求和目标，按照压气机总体设计要求，进行多级轴流压气机的一维反问题设计，得到多个设计方案；

依据平均半径气动设计规范选取压气机基本参数，进行多方案优化得到初始设计方案；根据初始设计方案得到基元级基本参数以及子午流道参数；以此为基础进行压气机一维特性计算及其优化，通过特定损失模型、落后角模型校验初始设计方案的效率、压比、喘振裕度特性指标是否满足要求，若不满足，则在此基础上，从一维正问题分析的角度对几何参数再进行调整，直至方案满足设计要求；

步骤二、在一维设计方案的基础上，进行S2通流反问题设计，依据沿径气动设计规范，估算动叶的效率分布以及静叶的总压恢复系数；

基于S2通流反问题设计获得流道中的各叶高流线位置及进出口气流角参数；再参照叶片造型设计规范，确定弦长、最大相对厚度、落后角关键参数，在流面上进行叶片造型；针对具有不同进口马赫数的流面选取压气机流向的做功规律，构造压气机叶型，获得压气机叶片的扭转初步方案，根据得到的方案进行设计点的三维流场逐级计算，得到动叶的效率分布以及静叶的总压恢复系数，进一步校验S2反问题匹配设计的准确性以及对叶片的匹配性能进行改进：

采用多级压气机三维数值模拟方法，对比分析压气机的三维匹配特性，进行三维数值模拟并分别与一维和S2的计算结果进行对比分析；综合考虑设计工况与非设计工况，对存在匹配问题的部分，通过调整叶片安装角度并进行叶片优化设计，来完成平均参数的三维匹配；并根据三维数值模拟结果，逐级进行动、静叶片之间的匹配设计；将得到的数据返回至S2通流反问题设计中，反复迭代，完成S2通流反问题设计及叶片造型设计。

2.根据权利要求1所述一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，其特征在于，步骤一所述一维反问题设计的过程中，轴向速度选取为170m/s～190m/s。

3.根据权利要求2所述一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，其特征在于，所述步骤一进行压气机一维特性计算及其优化；具体过程为：

在一维特性计算及其优化阶段，采用Concepts-NREC工程设计系统中的AXIAL软件模块，提供多级轴流压气机和透平机械的设计方案，以及已有机组或设计方案分析功能，同时能够进行叶轮机械变工况性能预测分析；在一维特性计算及优化阶段采用程序软件的分析模式，对一维反问题得到的压气机通流设计结果，即各级叶片排的几何参数，借助程序软件的分析模式进行验算，反复计算比较各方案，确定方案的合理性。

4.根据权利要求3所述一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，其特征在于，步骤二所述S2通流反问题设计的具体过程为：

在一维设计方案基础上，基于流线曲率法进行S2通流反问题设计以获得压气机叶片的扭转初步方案并修改局部子午通道曲率；在给定子午流道尺寸的基础上设计叶栅性能参数沿叶高的分布规律；

对于动叶，输入参数包括动叶效率和总压比沿叶高分布，效率的分布规律按照根部高、顶部低的分布规律给定，总压比按照沿径向不变的规律给出；

静叶的输入参数是静叶的总压恢复系数和出口的切向速度，初步估计总压恢复系数按照径向分布，根据下一级进口对预旋提出的要求确定静叶出口切线速度，通过调整总压径向的分布规律，调整局部的子午流道型线。

5.根据权利要求4所述一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，其特征在于，步骤二所述叶片造型设计的具体过程为：

采用正问题方法进行CDA叶型的设计，通过以下四个步骤完成：

(1)确定中弧线；

(2)确定叶型厚度分布规律；

(3)将厚度分布叠加到中弧线上；

(4)按照积叠规律进行展向积叠，获得叶片几何造型。

6.根据权利要求5所述一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法，其特征在于，步骤二中逐级进行动、静叶片之间的匹配包括：

势流区气流角的匹配和端区的角度匹配。

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