CN112685852A - 一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，在维持现有型号压气机的通流结构几何约束不变的前提下，选择流量系数、载荷系数与反动度三个无量纲参数作为空间负荷控制参数，通过一维均径处通流设计、S2反问题通流设计、叶片造型设计与三维计算分析等环节的反复迭代，获得满足优化设计指标要求的轴流压气机气动优化设计方案。本发明能够在基本不改变压气机通流结构几何约束的前提下进行压气机内部负荷的匹配优化设计，使现有型号压气机的气动优化工作实现了定制化、参数化、精细化，有效提高了压气机的气动优化效果，并且充分利用了原型压气机的结构优势与加工制造的工艺性，最大程度继承了原型压气机的优点。

Description

一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化 方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机优化方法，具体地说是压气机优化方法。

背景技术

压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一，其性能优劣对燃气轮机的技术性指标与经济性指标实现起着决定性的作用。随着燃气轮机的功率、效率以及稳定工作范围等性能指标的不断提升，要求压气机具有更高的压比、更高的效率和更大的喘振裕度。这就需要不断提高压气机的气动设计与优化水平，研究压气机气动优化设计技术，对压气机进行优化改进，以满足燃气轮机发展对压气机气动性能的需求。

另一方面，为了提升现有燃气轮机的性能指标，以现有压气机作为原型进行气动优化已成为目前工程中最为常用的改进手段。为了充分利用原型压气机的结构优势，继承机组加工制造的工艺性，通常要求压气机的气动优化必须尽可能保持原有的结构特征，维持几何参数约束不变。然而由于压气机往往级数较多，其内部流动机理相对复杂，各叶片排之间的相互干涉作用、空间三维效应以及强非线性十分显著，使得其设计难度极大。在通流改动受限、结构约束几乎不变的前提下实现压气机的性能提升更是难点中的难点。因此，必须探索和发展基于新思想与新方法的先进气动优化手段，创造出更具突破性的压气机气动优化设计技术。

发明内容

本发明的目的在于提供解决轴流压气机在通流结构几何约束不变条件下性能改进优化问题的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：

(1)确定气动优化设计目标：明确气动优化中需要保持的通流结构继承程度，即最大程度维持轴流压气机原有的通流结构几何约束不变，在此基础上提出轴流压气机气动优化的设计指标；

确定优化设计指标后，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空间负荷控制参数，具体如下：

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；

式中，C_1a为动叶进口轴向速度；U为圆周速度；C_1u、C_2u分别为动叶进出口绝对切向速度；

(2)一维均径处通流设计：依据通流结构几何约束条件，采用所提炼的空间负荷控制参数，进行轴流压气机的一维均径处反问题设计，完成空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计，获得轴流压气机的初始设计方案；

(3)S2反问题通流设计：依据通流结构几何约束条件，基于均径处空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律，进行轴流压气机的S2反问题设计工作，完成空间负荷控制参数沿压气机各列叶片径向的分布规律设计；

(4)叶片造型设计：包括二维叶型设计与三维叶片设计；

(5)三维CFD计算分析：包括压气机设计点与变工况性能的全三维CFD数值分析工作，通过三维CFD计算，获得压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足优化设计要求；

若满足优化设计要求，当前压气机气动优化设计方案为最终优化设计方案；

若不满足优化设计要求，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调整，包括一维均径处通流设计中的流向负荷优化调整、S2反问题通流设计中的展向负荷优化调整、叶片造型设计中的端区负荷优化调控，以及通过多工况点三维流场联合分析进行压气机各叶片排的冲角匹配优化；

通过以上反复迭代，获得最终满足优化设计指标要求的轴流压气机气动优化设计方案。

本发明还可以包括：

1、在一维均径处通流设计中，选择载荷系数ψ与反动度Ω作为空间负荷控制的设计参数；在具体设计过程中，通过设计条件、进出口气流条件以及部分通流几何约束条件的给定，同时根据具体设计要求选择载荷系数ψ与反动度Ω在轴流压气机各级均径处的逐级分布规律，来进行压气机初始优化设计方案的计算。

2、S2反问题通流设计具体为：

首先进行轴流压气机通流气动参数沿各列叶片径向的展向扭曲规律设计，采用压气机各级动叶进口预旋C_1u作为设计参数，基于均径处的载荷系数ψ_m与反动度Ω_m，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：

式中，R_m1为该级动叶进口平均半径；U_m1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_m为该级均径处反动度；ψ_m为该级均径处载荷系数；a、b为扭曲规律设计指数：

当a＝1、b＝1时，为等环量扭曲规律；

当a＝-1、b＝1时，为等反动度扭曲规律；

当-1<a<1、b＝1时，为居间扭曲规律，其中当a＝0、b＝1时为指数涡扭曲规律；

当a＝0、b＝0时，为恒定涡扭曲规律；

通过选取不同的a、b值，实现不同的扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R₁处的预旋C_1u分布；

完成展向扭曲规律设计后，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，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，获得轴流压气机各级动、静叶沿径向的气动参数分布结果。

3、二维叶型设计与三维叶片设计具体为：

首先在S2反问题通流设计结果的基础上，进行各列叶片沿径不同截面的二维基元叶型设计，根据基元叶型所处的工作环境与空间位置，计算其最小损失攻角与落后角，通过典型叶型负荷控制参数，设计出各列叶片沿径不同位置的二维几何叶型；

然后选择沿径积叠方式，同时采用三维叶片负荷控制参数进行弯、掠等端区负荷调控设计，完成压气机各列叶片的三维几何造型。

本发明的优势在于：

1、本发明提出的保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，能够在基本不改变压气机通流结构几何约束的前提下进行压气机内部负荷的匹配优化设计，使现有型号压气机的气动优化工作实现了定制化、参数化、精细化，有效提高了压气机的气动优化效果。

2、本发明提出的保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，在实现压气机性能提升的同时，充分利用了原型压气机的结构优势与加工制造的工艺性，最大程度继承了原型压气机的优点，有效解决了现有型号压气机的性能改进优化问题，十分适合实际工程应用。

3、本发明提出的保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，不仅局限于燃气轮机轴流压气机，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，本发明一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，通过以下步骤实现：

步骤一：确定气动优化设计目标。明确气动优化中需要保持的通流结构继承程度，即最大程度维持轴流压气机原有的通流结构几何约束不变，通常包括流道、叶片轴向位置、叶片数与叶片榫头结构参数等；在此基础上提出轴流压气机气动优化的设计指标，一般包括压气机效率以及喘振裕度的提升指标等。

确定优化设计指标后，本发明采用流量系数φ、载荷系数ψ与反动度Ω三个无量纲参数作为空间负荷控制参数，具体如下：

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。

式中，C_1a为动叶进口轴向速度；U为圆周速度；C_1u、C_2u分别为动叶进出口绝对切向速度。

步骤二：一维均径处通流设计。依据通流结构几何约束条件，采用所提炼的空间负荷控制参数，进行轴流压气机的一维均径处反问题设计工作，完成空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计，获得轴流压气机的初始设计方案。

由于压气机的流道、叶片数等通流结构几何约束条件与原型维持一致，使压气机各级之间的通流能力匹配情况基本无法调整。因此本发明在一维均径处通流设计中，选择载荷系数ψ与反动度Ω作为空间负荷控制的设计参数。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)以及部分通流几何约束条件(通流形式、流道内外径、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，来进行压气机初始优化设计方案的计算。

步骤三：S2反问题通流设计。依据通流结构几何约束条件，基于均径处空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律，进行轴流压气机的S2反问题设计工作，完成空间负荷控制参数沿压气机各列叶片径向的分布规律设计。

首先进行轴流压气机通流气动参数沿各列叶片径向的展向扭曲规律设计，本发明采用压气机各级动叶进口预旋C_1u作为设计参数，基于均径处的载荷系数ψ_m与反动度Ω_m，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：

式中，R_m1为该级动叶进口平均半径；U_m1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_m为该级均径处反动度；ψ_m为该级均径处载荷系数；a、b为扭曲规律设计指数，其取值范围通常在-1到+1区间：

当a＝1、b＝1时，为等环量(自由涡)扭曲规律；

当a＝-1、b＝1时，为等反动度扭曲规律；

当-1<a<1、b＝1时，为居间扭曲规律，其中当a＝0、b＝1时为指数涡扭曲规律；

当a＝0、b＝0时，为恒定涡扭曲规律。

通过选取不同的a、b值，实现不同的扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R₁处的预旋C_1u分布。

完成展向扭曲规律设计后，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，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。包括二维叶型设计与三维叶片设计两部分工作内容。

首先在S2反问题通流设计结果的基础上，进行各列叶片沿径不同截面的二维基元叶型设计。根据基元叶型所处的工作环境与空间位置，计算其最小损失攻角与落后角；获得压气机空间位置各基元叶型的最小损失攻角与落后角后，通过典型叶型负荷控制参数，设计出各列叶片沿径不同位置的二维几何叶型。通常采用与二维基元叶型中弧线和厚度分布型线相关的叶型几何造型参数作为典型叶型负荷控制参数，如弦长、稠度、最大挠度位置、最大厚度位置、相对最大厚度、中弧线与厚度分布型线的曲率控制参数等；

然后根据各列叶片的空间负荷分布特点，选择合适的沿径积叠方式，同时采用三维叶片负荷控制参数进行弯、掠等端区负荷调控设计，完成压气机各列叶片的三维几何造型。通常采用三维叶片参数化造型中能够与叶身沿径向压力分布相关联的设计参数作为三维叶片负荷控制参数，从而实现端区的负荷调控，如弯叶片设计中的弯角、弯高，掠叶片设计中的掠角、掠高等。

步骤五：三维CFD计算分析。包括压气机设计点与变工况性能的全三维CFD数值分析工作。通过三维CFD计算，获得压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足优化设计要求。

若满足优化设计要求，那么可以认为当前压气机气动优化设计方案为最终优化设计方案；

若不满足优化设计要求，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调整，包括一维均径处通流设计中的流向负荷优化调整、S2反问题通流设计中的展向负荷优化调整、叶片造型设计中的端区负荷优化调控，以及通过多工况点三维流场联合分析进行压气机各叶片排的冲角匹配优化等；对于具有可转导/静叶的轴流压气机，还应包括多排可转导/静叶的联合调控规律优化。

通过以上各环节工作的反复迭代，获得最终满足优化设计指标要求的轴流压气机气动优化设计方案。

本发明提出的保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法具有通用性，不仅局限于燃气轮机轴流压气机，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 (4)

1.一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：

(1)确定气动优化设计目标：明确气动优化中需要保持的通流结构继承程度，即最大程度维持轴流压气机原有的通流结构几何约束不变，在此基础上提出轴流压气机气动优化的设计指标；

确定优化设计指标后，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空间负荷控制参数，具体如下：

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；

式中，C_1a为动叶进口轴向速度；U为圆周速度；C_1u、C_2u分别为动叶进出口绝对切向速度；

(2)一维均径处通流设计：依据通流结构几何约束条件，采用所提炼的空间负荷控制参数，进行轴流压气机的一维均径处反问题设计，完成空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律设计，获得轴流压气机的初始设计方案；

(3)S2反问题通流设计：依据通流结构几何约束条件，基于均径处空间负荷控制参数沿压气机流向的逐级分布规律，进行轴流压气机的S2反问题设计工作，完成空间负荷控制参数沿压气机各列叶片径向的分布规律设计；

(4)叶片造型设计：包括二维叶型设计与三维叶片设计；

(5)三维CFD计算分析：包括压气机设计点与变工况性能的全三维CFD数值分析工作，通过三维CFD计算，获得压气机在设计点与不同转速下的性能与内部流场状况，判断是否满足优化设计要求；

若满足优化设计要求，当前压气机气动优化设计方案为最终优化设计方案；

若不满足优化设计要求，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调整，包括一维均径处通流设计中的流向负荷优化调整、S2反问题通流设计中的展向负荷优化调整、叶片造型设计中的端区负荷优化调控，以及通过多工况点三维流场联合分析进行压气机各叶片排的冲角匹配优化；

通过以上反复迭代，获得最终满足优化设计指标要求的轴流压气机气动优化设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：在一维均径处通流设计中，选择载荷系数ψ与反动度Ω作为空间负荷控制的设计参数；在具体设计过程中，通过设计条件、进出口气流条件以及部分通流几何约束条件的给定，同时根据具体设计要求选择载荷系数ψ与反动度Ω在轴流压气机各级均径处的逐级分布规律，来进行压气机初始优化设计方案的计算。

3.根据权利要求1所述的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：S2反问题通流设计具体为：

首先进行轴流压气机通流气动参数沿各列叶片径向的展向扭曲规律设计，采用压气机各级动叶进口预旋C_1u作为设计参数，基于均径处的载荷系数ψ_m与反动度Ω_m，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：

式中，R_m1为该级动叶进口平均半径；U_m1为该级动叶进口均径处圆周速度，Ω_m为该级均径处反动度；ψ_m为该级均径处载荷系数；a、b为扭曲规律设计指数：

当a＝1、b＝1时，为等环量扭曲规律；

当a＝-1、b＝1时，为等反动度扭曲规律；

当-1<a<1、b＝1时，为居间扭曲规律，其中当a＝0、b＝1时为指数涡扭曲规律；

当a＝0、b＝0时，为恒定涡扭曲规律；

通过选取不同的a、b值，实现不同的扭曲规律设计，从而获得压气机各级动叶进口沿径不同位置R₁处的预旋C_1u分布；

完成展向扭曲规律设计后，选取轴对称子午流面作为典型S2流面，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，获得轴流压气机各级动、静叶沿径向的气动参数分布结果。

4.根据权利要求1所述的一种保持通流结构继承性的轴流压气机负荷定制化气动优化方法，其特征是：二维叶型设计与三维叶片设计具体为：

首先在S2反问题通流设计结果的基础上，进行各列叶片沿径不同截面的二维基元叶型设计，根据基元叶型所处的工作环境与空间位置，计算其最小损失攻角与落后角，通过典型叶型负荷控制参数，设计出各列叶片沿径不同位置的二维几何叶型；

然后选择沿径积叠方式，同时采用三维叶片负荷控制参数进行弯、掠等端区负荷调控设计，完成压气机各列叶片的三维几何造型。

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