CN112528575A - 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法 - Google Patents

一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，通过一维设计与分析、二维设计、准三维设计、叶片造型设计、准三维分析、全三维分析与协同设计等环节的反复迭代，获得满足设计指标要求的船舶燃气轮机多级轴流压气机气动设计方案。本发明具有跨维度设计的特点，可以将不同维度的设计参数交互使用，只需要进行次数较少的三维CFD计算来初始化损失模型，在完成损失模型的初始化工作后，无需经过三维CFD计算就可以在准三维设计阶段得到压气机的损失与性能参数信息，借此可以快速完成高质量的压气机气动设计方案，节省了大量的计算时间，有效缩短了设计周期，非常适合工程设计应用。

Description

一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机设计方法。
背景技术
压气机作为船舶燃气轮机最为重要的三大核心部件之一，其性能优劣直接影响着船舶燃气轮机的经济性指标的实现。随着船舶燃气轮机性能指标的不断提升，现代船舶燃气轮机压气机正向着高压比、高效率、大喘振裕度的方向发展。未来船舶燃气轮机压气机必须在全工况范围内具备高效率与高稳定工作范围的优秀性能，才能满足未来船舶燃气轮机性能指标的日益提升，这就对压气机的气动设计提出了更高的要求。
国外船舶燃气轮机的研发历程表明，压气机气动设计技术在船舶燃机的自主研发和改型中首当其冲，是首要解决的关键技术和难点课题。另一方面，船舶燃气轮机要在保证设计点性能的同时，特别强调在宽工况范围内的宽裕度高效运行。这种大范围变工况下的运行特点，大大增加了船舶燃气轮机压气机的气动设计难度。目前传统的压气机气动设计手段与通常的压气机气动设计思想已经无法很好地支撑未来新一代船舶燃气轮机压气机的研发设计。为此，必须探索和发展基于新设计思想与方法的先进压气机气动设计技术及手段，来应对船舶燃气轮机运行模式对压气机气动设计提出的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供解决船舶燃气轮机多级轴流压气机的气动设计问题的一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：
(1)一维设计：一维反问题通流设计通过设计条件、进出口气流条件以及几何条件的输入，计算得到压气机的初始设计方案；一维正问题特性计算分析在获得压气机中间截面基元级几何参数的基础上，采用基于级叠加法的HARKIA算法进行压气机在不同转速情况下的特性计算；
(2)二维设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的通流气动参数沿叶高方向的二维展向扭曲规律设计，使用一维反问题设计获得的平均中径参数结合选取的扭曲规律，对径向平衡方程进行求解，获得压气机沿叶高方向不同截面位置的环量分布；
(3)准三维设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S2流面反问题通流设计，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，以一维反问题设计与二维展向扭曲规律设计结果作为输入，同时给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的分布情况，采用流线曲率法进行反问题求解，获得多级压气机各列动、静叶片排沿径向的气动参数分布；
(4)叶片造型设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的攻角与落后角计算、二维基元叶型设计、三维叶片设计，在S2流面的反问题通流设计结果基础上，根据压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择叶型并计算其最小损失攻角与落后角，获得多级压气机各列动、静叶片排沿叶高方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的基元叶型设计；在此基础上，根据设计需要，选取展向积叠方式与积叠线控制方法，进行各列动、静叶片的三维设计，完成叶片造型；
若步骤(4)是在一型多级轴流压气机设计过程中首次进行，则跳至步骤(6)，进行三维CFD计算，通过三维计算后处理对损失预测模型进行初始化；若已经进行过步骤(6)的三维计算，则损失预测模型的初始化工作已经完成，可继续进行步骤(5)的准三维分析环节；
(5)准三维分析：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S1、S2流面正问题特性计算分析，在生成叶片几何之后，结合气动参数和计算工况的边界条件，利用损失预测模型获得叶片径向总压恢复系数分布；基于该总压恢复系数分布进行准三维正问题计算，得到相应工况下的压气机性能参数；根据计算得到的压气机性能，判断是否对叶片进行重新调整设计；
若准三维计算结果满足设计要求，则继续进行步骤(5)的全三维CFD计算分析；若计算结果不满足设计要求，则返回步骤(2)进行设计优化；
(6)全三维分析：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的全三维CFD数值仿真分析，根据设计获得的叶型几何数据和边界条件，进行全三维CFD计算分析，若计算得到的压气机性能满足设计要求，当前压气机气动设计方案为最终设计方案；若计算结果不满足设计要求，则进行步骤(7)；
(7)协同设计：进行不同维度之间的设计数据传递与模型修正，在完成步骤(6)中的三维CFD计算后，得到压气机内部气动参数的径向分布结果，通过维度缩放，将各列叶片端区信息反馈至损失预测模型中进行基础损失模型的修正，完成损失预测模型的初始化；
(8)通过协同设计，实现以上的反复迭代，获得最终满足设计指标要求的船舶燃气轮机多级轴流压气机气动设计方案。
本发明还可以包括：
1、准三维分析中，采用三维CFD计算得到的压气机各列叶片端区信息进行传统基础损失模型的修正，得到损失预测模型，使基于损失模型的准三维性能预测结果更贴近CFD计算结果，通过修正后的损失模型可以快速准确地进行压气机的性能预测，极大地节约了传统压气机气动设计过程中在三维CFD计算中所消耗的时间，缩短了设计周期。
2、协同设计步骤中，采用的修正方法为通过控制关键点位置以及关键点处的控制系数对原模型和CFD计算结果进行仿射变换，使原模型的预测结果仿射变换后贴近CFD计算结果，具体如下：
通过运用两条曲线仿射变换的思想，通过控制变换系数也就是修正因子和缩放系数的方法，将原模型的损失系数曲线向CFD损失曲线调整，得到新的损失模型；
对于动叶：
Figure BDA0002849747670000041
式中，
Figure BDA0002849747670000042
为动叶总压损失系数，σR为动叶稠度，β2为动叶出口相对气流角，DR为动叶扩压因子，
Figure BDA0002849747670000043
为动叶出口特征半径，a为动叶端区动态缩放控制系数，kR1、kR2分别是两段曲线的修正因子，计算公式如下：
Figure BDA0002849747670000044
Figure BDA0002849747670000045
上式中cR1、cR2、cR3分别是动叶总压损失曲线两段曲线的三个控制点的径向缩放系数，设置好动叶的三个径向缩放系数和端区缩放控制系数，得到与CFD计算结果贴近的动叶总压损失曲线；
对于静叶：
Figure BDA0002849747670000046
式中，
Figure BDA0002849747670000051
为静叶总压损失系数，σS为静叶稠度，α3为静叶出口气流角，DS为静叶扩压因子，
Figure BDA0002849747670000052
为静叶出口特征半径，b为静叶叶顶端区动态缩放控制系数，c为静叶叶根端区动态缩放控制系数，kS1、kS2、kS3分别是三段曲线的修正因子，计算公式如下：
Figure BDA0002849747670000053
Figure BDA0002849747670000054
Figure BDA0002849747670000055
上式中cS1、cS2、cS3、cS4分别是静叶总压损失曲线三段曲线的四个控制点位置的径向缩放系数，设置好静叶的四个径向缩放系数和两个端区缩放控制系数，得到与CFD计算结果贴近的静叶总压损失曲线。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，具有跨维度设计的特点，可以将不同维度的设计参数交互使用，有效提高设计精度，缩短设计周期，提高多级轴流压气机的气动性能。
2、本发明提出的船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，只需要进行次数较少的三维CFD计算来初始化损失模型，在完成损失模型的初始化工作后，无需经过三维CFD计算就可以在准三维设计阶段得到压气机的损失与性能参数信息，节省了大量的计算时间，提高了设计效率。
3、本发明提出的船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法具有通用性，不仅局限于船舶燃气轮机多级轴流压气机，同样适用于各种工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的气动设计过程。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法通过以下步骤实现：
步骤一：一维设计与分析环节。主要进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的一维反问题通流设计与一维正问题特性计算分析工作。其中，一维反问题通流设计主要通过设计条件(转速、级压比、流量)、进出口气流条件(进口总压、总温、进出口气流角、进出口轴向速度)以及部分几何条件(通流形式、给定的流道外径、轴向间隙等)的输入，计算得到压气机的初始设计方案；而一维正问题特性计算分析主要是在获得压气机中间截面基元级几何参数的基础上，采用基于级叠加法的HARKIA算法进行压气机在不同转速情况下的特性计算。
步骤二：二维设计环节。主要进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的通流气动参数沿叶高方向的二维展向扭曲规律设计工作。使用一维反问题设计获得的平均中径参数结合选取的扭曲规律，对径向平衡方程进行求解，获得压气机沿叶高方向不同截面位置的环量分布。
步骤三：准三维设计环节。主要进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S2流面反问题通流设计工作。通常选取轴对称子午流面作为典型S2流面，以一维反问题设计与二维展向扭曲规律设计结果作为输入，同时给定动叶效率与静叶总压恢复系数等关键损失参数沿径向的分布情况，采用流线曲率法进行反问题求解，获得多级压气机各列动、静叶片排沿径向的气动参数分布。
步骤四：叶片造型设计环节。主要进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的攻角与落后角计算、二维基元叶型设计、三维叶片设计工作。在S2流面的反问题通流设计结果基础上，根据压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择合适的叶型并计算其最小损失攻角与落后角，获得多级压气机各列动、静叶片排沿叶高方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的基元叶型设计；在此基础上，根据设计需要，选取合适的展向积叠方式与积叠线控制方法(弯、掠等)，进行各列动、静叶片的三维设计，完成叶片造型。
若步骤四是在一型多级轴流压气机设计过程中首次进行，则跳至步骤六，进行三维CFD计算，通过三维计算后处理对损失预测模型进行初始化；若已经进行过步骤六的三维计算，则损失预测模型的初始化工作已经完成，可继续进行步骤五的准三维分析环节。
步骤五：准三维分析环节。主要进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S1、S2流面正问题特性计算分析工作。在生成叶片几何之后，结合气动参数和计算工况的边界条件，利用损失预测模型获得叶片径向总压恢复系数分布；基于该总压恢复系数分布进行准三维正问题计算，得到相应工况下的压气机性能参数；根据计算得到的压气机性能，判断是否对叶片进行重新调整设计。
若准三维计算结果满足设计要求，则继续进行步骤六的全三维CFD计算分析工作；若计算结果不满足设计要求，则返回步骤二进行设计优化。
本环节的关键在于损失预测模型的调用，损失模型的预测精度则直接决定了设计精度和设计周期。本发明采用三维CFD计算得到的压气机各列叶片端区信息进行传统基础损失模型的修正，得到损失预测模型，使基于损失模型的准三维性能预测结果更贴近CFD计算结果。通过修正后的损失模型可以快速准确地进行压气机的性能预测，极大地节约了传统压气机气动设计过程中在三维CFD计算中所消耗的时间，缩短了设计周期。
步骤六：全三维分析环节。主要进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的全三维CFD数值仿真分析工作。在准三维分析计算得到较好的结果后，根据设计获得的叶型几何数据和边界条件，进行全三维CFD计算分析。若计算得到的压气机性能结果良好，满足设计要求，那么可以认为当前压气机气动设计方案为最终设计方案；若计算结果不满足设计要求，则进行步骤七的工作。
步骤七：协同设计环节。主要进行不同维度之间的设计数据传递与模型修正工作。在完成步骤六中的三维CFD计算后，得到压气机内部气动参数的径向分布结果，通过维度缩放，将各列叶片端区信息反馈至损失预测模型中进行基础损失模型的修正，完成损失预测模型的初始化。
本发明采用的修正方法为通过控制关键点(叶根、叶顶和端区)位置以及关键点处的控制系数对原模型和CFD计算结果进行仿射变换，使原模型的预测结果仿射变换后贴近CFD计算结果。具体如下：
通过运用两条曲线仿射变换的思想，通过控制变换系数也就是修正因子和缩放系数的方法，将原模型的损失系数曲线向CFD损失曲线调整，得到了新的损失模型。
对于动叶：
Figure BDA0002849747670000081
式中，
Figure BDA0002849747670000082
为动叶总压损失系数，σR为动叶稠度，β2为动叶出口相对气流角，DR为动叶扩压因子，
Figure BDA0002849747670000083
为动叶出口特征半径，a为动叶端区动态缩放控制系数，kR1、kR2分别是两段曲线的修正因子，计算公式如下：
Figure BDA0002849747670000091
Figure BDA0002849747670000092
上式中cR1、cR2、cR3分别是动叶总压损失曲线两段曲线的三个控制点的径向缩放系数。设置好动叶的三个径向缩放系数和端区缩放控制系数就可以得到与CFD计算结果贴近的动叶总压损失曲线。
对于静叶：
Figure BDA0002849747670000093
式中，
Figure BDA0002849747670000094
为静叶总压损失系数，σS为静叶稠度，α3为静叶出口气流角，DS为静叶扩压因子，
Figure BDA0002849747670000095
为静叶出口特征半径，b为静叶叶顶端区动态缩放控制系数，c为静叶叶根端区动态缩放控制系数，kS1、kS2、kS3分别是三段曲线的修正因子，计算公式如下：
Figure BDA0002849747670000096
Figure BDA0002849747670000097
Figure BDA0002849747670000098
上式中cS1、cS2、cS3、cS4分别是静叶总压损失曲线三段曲线的四个控制点位置的径向缩放系数。设置好静叶的四个径向缩放系数和两个端区缩放控制系数就可以得到与CFD计算结果贴近的静叶总压损失曲线。
动态缩放控制系数来源于三维CFD计算结果，用户可以根据三维CFD计算结果中的动、静叶栅总压损失系数进行端区控制系数的选取，然后使用端区缩放控制系数将损失预测模型初始化，并进行准三维计算分析。
步骤八：通过协同设计环节，实现以上各环节工作的反复迭代，获得最终满足设计指标要求的船舶燃气轮机多级轴流压气机气动设计方案。
本发明提出的船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法具有通用性，不仅局限于船舶燃气轮机多级轴流压气机，同样适用于各种工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的气动设计过程。

Claims (3)

1.一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：
(1)一维设计：一维反问题通流设计通过设计条件、进出口气流条件以及几何条件的输入，计算得到压气机的初始设计方案；一维正问题特性计算分析在获得压气机中间截面基元级几何参数的基础上，采用基于级叠加法的HARKIA算法进行压气机在不同转速情况下的特性计算；
(2)二维设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的通流气动参数沿叶高方向的二维展向扭曲规律设计，使用一维反问题设计获得的平均中径参数结合选取的扭曲规律，对径向平衡方程进行求解，获得压气机沿叶高方向不同截面位置的环量分布；
(3)准三维设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S2流面反问题通流设计，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，以一维反问题设计与二维展向扭曲规律设计结果作为输入，同时给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的分布情况，采用流线曲率法进行反问题求解，获得多级压气机各列动、静叶片排沿径向的气动参数分布；
(4)叶片造型设计：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的攻角与落后角计算、二维基元叶型设计、三维叶片设计，在S2流面的反问题通流设计结果基础上，根据压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择叶型并计算其最小损失攻角与落后角，获得多级压气机各列动、静叶片排沿叶高方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的基元叶型设计；在此基础上，根据设计需要，选取展向积叠方式与积叠线控制方法，进行各列动、静叶片的三维设计，完成叶片造型；
若步骤(4)是在一型多级轴流压气机设计过程中首次进行，则跳至步骤(6)，进行三维CFD计算，通过三维计算后处理对损失预测模型进行初始化；若已经进行过步骤(6)的三维计算，则损失预测模型的初始化工作已经完成，可继续进行步骤(5)的准三维分析环节；
(5)准三维分析：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的S1、S2流面正问题特性计算分析，在生成叶片几何之后，结合气动参数和计算工况的边界条件，利用损失预测模型获得叶片径向总压恢复系数分布；基于该总压恢复系数分布进行准三维正问题计算，得到相应工况下的压气机性能参数；根据计算得到的压气机性能，判断是否对叶片进行重新调整设计；
若准三维计算结果满足设计要求，则继续进行步骤(5)的全三维CFD计算分析；若计算结果不满足设计要求，则返回步骤(2)进行设计优化；
(6)全三维分析：进行船舶燃气轮机多级轴流压气机的全三维CFD数值仿真分析，根据设计获得的叶型几何数据和边界条件，进行全三维CFD计算分析，若计算得到的压气机性能满足设计要求，当前压气机气动设计方案为最终设计方案；若计算结果不满足设计要求，则进行步骤(7)；
(7)协同设计：进行不同维度之间的设计数据传递与模型修正，在完成步骤(6)中的三维CFD计算后，得到压气机内部气动参数的径向分布结果，通过维度缩放，将各列叶片端区信息反馈至损失预测模型中进行基础损失模型的修正，完成损失预测模型的初始化；
(8)通过协同设计，实现以上的反复迭代，获得最终满足设计指标要求的船舶燃气轮机多级轴流压气机气动设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：准三维分析中，采用三维CFD计算得到的压气机各列叶片端区信息进行传统基础损失模型的修正，得到损失预测模型，使基于损失模型的准三维性能预测结果更贴近CFD计算结果，通过修正后的损失模型可以快速准确地进行压气机的性能预测，极大地节约了传统压气机气动设计过程中在三维CFD计算中所消耗的时间，缩短了设计周期。
3.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法，其特征是：协同设计步骤中，采用的修正方法为通过控制关键点位置以及关键点处的控制系数对原模型和CFD计算结果进行仿射变换，使原模型的预测结果仿射变换后贴近CFD计算结果，具体如下：
通过运用两条曲线仿射变换的思想，通过控制变换系数也就是修正因子和缩放系数的方法，将原模型的损失系数曲线向CFD损失曲线调整，得到新的损失模型；
对于动叶：
Figure FDA0002849747660000031
式中，
Figure FDA0002849747660000035
为动叶总压损失系数，σR为动叶稠度，β2为动叶出口相对气流角，DR为动叶扩压因子，
Figure FDA0002849747660000032
为动叶出口特征半径，a为动叶端区动态缩放控制系数，kR1、kR2分别是两段曲线的修正因子，计算公式如下：
Figure FDA0002849747660000033
Figure FDA0002849747660000034
上式中cR1、cR2、cR3分别是动叶总压损失曲线两段曲线的三个控制点的径向缩放系数，设置好动叶的三个径向缩放系数和端区缩放控制系数，得到与CFD计算结果贴近的动叶总压损失曲线；
对于静叶：
Figure FDA0002849747660000041
式中，
Figure FDA0002849747660000042
为静叶总压损失系数，σS为静叶稠度，α3为静叶出口气流角，DS为静叶扩压因子，
Figure FDA0002849747660000043
为静叶出口特征半径，b为静叶叶顶端区动态缩放控制系数，c为静叶叶根端区动态缩放控制系数，kS1、kS2、kS3分别是三段曲线的修正因子，计算公式如下：
Figure FDA0002849747660000044
Figure FDA0002849747660000045
Figure FDA0002849747660000046
上式中cS1、cS2、cS3、cS4分别是静叶总压损失曲线三段曲线的四个控制点位置的径向缩放系数，设置好静叶的四个径向缩放系数和两个端区缩放控制系数，得到与CFD计算结果贴近的静叶总压损失曲线。
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