CN112685851A - 一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，通过一维反问题设计与特性分析、S2反问题设计、叶片造型设计以及三维CFD分析等环节的反复迭代，获得满足设计指标要求的多级轴流压气机气动设计方案。本发明通过流量系数、载荷系数与反动度三个无量纲参数实现了多级轴流压气机内部负荷的定制化设计，有效解决了多级轴流压气机气动设计中设计点与低工况下的空间负荷匹配问题，使多级轴流压气机的气动设计达到了参数化、精细化的程度，提高了设计精度，缩短了设计周期。同时，该方法不仅局限于燃气轮机多级轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。

Description

一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设 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燃气轮机的经济性指标能否按设计预期实现。未来燃气轮机需要在广泛的工作环境下保证效率、功率、稳定性等关键性能指标的不断提升，这就对压气机部件的设计提出了极高的要求：一方面是级负荷水平的提升，一方面是在宽工况范围内保证长期高效稳定运行。以上述需求为牵引，必须探索和发展先进高效的压气机气动设计技术及方法，来应对燃气轮机的发展给压气机设计带来的困难和挑战。

轴流压气机作为燃气轮机压气机中应用极其广泛的一种典型结构形式，其气动设计技术是燃气轮机设计体系中最为重要的核心技术之一。同时，由于固有的逆压梯度与多级相互干涉影响，多级轴流压气机内部流动机理十分复杂，具有极高的设计难度，一直是燃气轮机研发技术发展的瓶颈所在。随着燃气轮机性能指标的提升，对多级轴流压气机气动设计的要求也愈发苛刻。为此，必须不断更新设计思想与设计方法，使多级轴流压气机的气动设计实现质的飞跃。

发明内容

本发明的目的在于提供解决多级轴流压气机气动设计中的负荷匹配失衡问题的一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，其特征是：

(1)一维反问题：采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为负荷控制参数，进行多级轴流压气机一维均径处的反问题设计，完成以上三个无量纲负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计；

(2)一维特性：进行多级轴流压气机的一维正问题特性计算分析，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，初步预测压气机在不同转速下的总性能情况；

(3)S2反问题设计：基于一维反问题设计结果，采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为负荷控制参数，进行多级轴流压气机的S2反问题设计工作，完成以上三个空间负荷控制参数在压气机各级中的沿径分布规律设计；

(4)叶片造型设计：在S2反问题通流设计结果的基础上，根据多级轴流压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择基元叶型，进行多级轴流压气机各级动、静叶片的攻角与落后角计算，获得压气机各列动、静叶沿径方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的二维基元叶型设计，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，完成叶片几何造型；

(5)三维CFD分析：包括压气机设计工况与非设计工况的全三维CFD性能计算，通过全三维CFD计算，获得多级轴流压气机在不同工况下的性能与内部流场状况，判断是否满足设计要求；

若满足设计要求，当前压气机气动设计方案为最终设计方案；

若不满足设计要求，则返回至需要调整的步骤进行设计优化；通过反复迭代，获得最终满足设计指标要求的多级轴流压气机气动设计方案。

本发明还可以包括：

1、流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω通过动叶进口轴向速度C_1a、动叶圆周速度U、动叶进出口绝对切向速度C_1u和C_2u进行计算：

流量系数：

表征多级轴流压气机各级通流能力的无量纲参数；

载荷系数：

表征多级轴流压气机各级负荷能力的无量纲参数；

反动度：

表征多级轴流压气机各级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数。

通过设计条件、进出口气流条件以及几何条件的给定，选择流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω在轴流压气机各级均径处的逐级分布规律，计算得到压气机的初始设计方案。

2、采用压气机各级动叶进口环量Θ₁作为设计输入参数，按照如下公式进行设计，通过选取不同的扭曲规律设计系数，获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律：

上式中，R_ave1为该级动叶进口平均半径，U_ave1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_ave为该级均径处反动度，ψ_ave为该级均径处载荷系数，以上参数通过一维反问题设计获得；n、m为扭曲规律设计系数；

基于以上方法获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律后，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多级轴流压气机的S2反问题求解，获得多级轴流压气机各级动、静叶沿径向的气动参数分布结果。

本发明的优势在于：

1、本发明提出的基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，通过流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个关键无量纲参数实现了多级轴流压气机内部负荷的定制化设计，有效解决了多级轴流压气机在设计点与低工况下的空间负荷匹配问题，使多级轴流压气机的气动性能得到了有效提升。

2、本发明提出的基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，可以实现多级轴流压气机气动设计的参数化、精细化，有效提高了多级轴流压气机的气动设计精度，缩短设计周期。

3、本发明提出的基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，不仅局限于燃气轮机多级轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。

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1，一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：

步骤一：一维反问题设计。采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为负荷控制参数，进行多级轴流压气机一维均径处的反问题设计工作，完成以上三个无量纲负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计。

流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω通过动叶进口轴向速度C_1a、动叶圆周速度U、动叶进出口绝对切向速度C_1u和C_2u进行计算：

流量系数：

表征多级轴流压气机各级通流能力的无量纲参数；

载荷系数：

表征多级轴流压气机各级负荷能力的无量纲参数；

反动度：

表征多级轴流压气机各级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数。

在具体设计过程中，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、流道外径、轴向间隙等)的给定，同时根据具体设计要求选择合适的流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω在轴流压气机各级均径处的逐级分布规律，计算得到压气机的初始设计方案。

步骤二：一维特性分析。进行多级轴流压气机的一维正问题特性计算分析工作，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，初步预测压气机在不同转速下的总性能情况。

步骤三：S2反问题设计。基于一维反问题设计结果，采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为负荷控制参数，进行多级轴流压气机的S2反问题设计工作，完成以上三个空间负荷控制参数在压气机各级中的沿径分布规律设计。

本发明采用压气机各级动叶进口环量Θ₁作为设计输入参数，按照如下公式进行设计，通过选取不同的扭曲规律设计系数，获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律：

上式中，R_ave1为该级动叶进口平均半径，U_ave1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_ave为该级均径处反动度，ψ_ave为该级均径处载荷系数，以上参数通过一维反问题设计获得；n、m为扭曲规律设计系数，其取值范围通常在-1到+1区间。

基于以上方法获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律后，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多级轴流压气机的S2反问题求解，获得多级轴流压气机各级动、静叶沿径向的气动参数分布结果。

步骤四：叶片造型设计。在S2反问题通流设计结果的基础上，根据多级轴流压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择合适的基元叶型，进行多级轴流压气机各级动、静叶片的攻角与落后角计算，获得压气机各列动、静叶沿径方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的二维基元叶型设计，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，进行各列动、静叶片的三维设计，完成叶片几何造型。

步骤五：三维CFD分析。包括压气机设计工况与非设计工况的全三维CFD性能计算工作。通过全三维CFD计算，获得多级轴流压气机在不同工况下的性能与内部流场状况，判断是否满足设计要求。

若满足设计要求，那么可以认为当前压气机气动设计方案为最终设计方案；

若不满足设计要求，则根据压气机内部流场的具体分析结果，返回至需要调整的步骤进行设计优化，通过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多级轴流压气机气动设计方案。

本发明提出的基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法具有通用性，不仅局限于燃气轮机多级轴流压气机，同样适用于各种工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。

Claims (3)

1.一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，其特征是：

(1)一维反问题：采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为负荷控制参数，进行多级轴流压气机一维均径处的反问题设计，完成以上三个无量纲负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计；

(2)一维特性：进行多级轴流压气机的一维正问题特性计算分析，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，初步预测压气机在不同转速下的总性能情况；

(3)S2反问题设计：基于一维反问题设计结果，采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为负荷控制参数，进行多级轴流压气机的S2反问题设计工作，完成以上三个空间负荷控制参数在压气机各级中的沿径分布规律设计；

(4)叶片造型设计：在S2反问题通流设计结果的基础上，根据多级轴流压气机不同空间位置的来流环境与负荷情况，选择基元叶型，进行多级轴流压气机各级动、静叶片的攻角与落后角计算，获得压气机各列动、静叶沿径方向不同截面位置的叶片造型参数，完成各截面的二维基元叶型设计，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，完成叶片几何造型；

(5)三维CFD分析：包括压气机设计工况与非设计工况的全三维CFD性能计算，通过全三维CFD计算，获得多级轴流压气机在不同工况下的性能与内部流场状况，判断是否满足设计要求；

若满足设计要求，当前压气机气动设计方案为最终设计方案；

若不满足设计要求，则返回至需要调整的步骤进行设计优化；通过反复迭代，获得最终满足设计指标要求的多级轴流压气机气动设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，其特征是：流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω通过动叶进口轴向速度C_1a、动叶圆周速度U、动叶进出口绝对切向速度C_1u和C_2u进行计算：

流量系数：

表征多级轴流压气机各级通流能力的无量纲参数；

载荷系数：

表征多级轴流压气机各级负荷能力的无量纲参数；

反动度：

表征多级轴流压气机各级中动、静叶之间负荷分配情况的无量纲参数。

通过设计条件、进出口气流条件以及几何条件的给定，选择流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω在轴流压气机各级均径处的逐级分布规律，计算得到压气机的初始设计方案。

3.根据权利要求1所述的一种基于关键无量纲负荷控制参数的多级轴流压气机气动设计方法，其特征是：采用压气机各级动叶进口环量Θ₁作为设计输入参数，按照如下公式进行设计，通过选取不同的扭曲规律设计系数，获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律：

上式中，R_ave1为该级动叶进口平均半径，U_ave1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_ave为该级均径处反动度，ψ_ave为该级均径处载荷系数，以上参数通过一维反问题设计获得；n、m为扭曲规律设计系数；

基于以上方法获得压气机各级动叶进口环量的沿径分布规律后，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多级轴流压气机的S2反问题求解，获得多级轴流压气机各级动、静叶沿径向的气动参数分布结果。

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