CN115169039A - 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法 - Google Patents

一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115169039A
CN115169039A CN202210796604.6A CN202210796604A CN115169039A CN 115169039 A CN115169039 A CN 115169039A CN 202210796604 A CN202210796604 A CN 202210796604A CN 115169039 A CN115169039 A CN 115169039A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dimensional
flow
design
parameters
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210796604.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李赫飞
姜斌
郑群
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN202210796604.6A priority Critical patent/CN115169039A/zh
Publication of CN115169039A publication Critical patent/CN115169039A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法：包括(1)初始设计；(2)初始二维通流设计求解；(3)基于三维数据的参数缩放；(4)基于缩放数据的二维通流设计；(5)通过缩放设计实现步骤(3)‑(4)的迭代，以获得最终的二维通流设计方案。本发明使用跨维度缩放的方法来实现轴流压气机端区的精细化造型和性能预测，在保证设计质量的同时缩短轴流压气机的设计周期；将高维度数据向低维度传递，可以提高低维度压气机设计的精细化程度继而提升轴流压气机设计或轴流压气机性能预测的准确度，使初期低维度流场计算更符合三维计算结果，使设计得到的压气机具有更好的气动性能。

Description

一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，应用于燃气轮机轴流压气机的气动设计领域中。
背景技术
自提出多级轴流压气机的概念起，科研人员就对轴流压气机及其设计方法展开了研究。特别是在近七十年的飞行器及航空发动机发展的带动下，作为核心部件的轴流压气机设计技术取得了巨大的成功。随着燃气轮机不断向大功率、大流量和高压比发展，作为重要部件之一的轴流压气机越发需要更先进和更精细化的设计方法，但是随着轴流压气机性能指标的要求不断攀升，传统轴流压气机设计技术也面临着巨大的挑战。轴流压气机设计离不开数值仿真技术，研究表明，仿真技术的应用可以减少研制经费并减少三分之一以上的研制周期。
现代化轴流压气机设计的数值仿真技术主要包括一维、二维、准三维和三维设计。理论上，全三维设计是调整最少、设计最准确的设计方式，但是由于计算资源、设计周期和数值计算发展水平等客观因素的限制，从设计初期使用三维计算进行设计很难实现，仍需要从低维度开始设计。传统的一维、二维、准三维再到三维造型和三维流场数值仿真的设计方法不仅需要设计者有丰富的设计经验，还需要花费大量的设计时间进行参数调整和三维流场数值模拟计算，归结其原因就是设计初期并未充分考虑三维流动损失，使得不同设计阶段的流场匹配不佳，从而需要反复调整叶片，并且三维流场数值仿真阶段在设计过程中占比较大，导致设计周期较长。因此，需要使用新的设计方法来实现在设计过程中对于三维流动损失的考虑，提高设计效率，缩短设计周期。
发明内容
本发明目的是在于提供解决轴流压气机二维通流设计中的展向流动损失计算问题的一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法。
本发明的技术方案如下：
本发明一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法：
(1)初始设计：首先基于一维反问题计算所得到的中径位置参数进行多级轴流压气机二维通流设计中的展向扭曲规律设计，并依据所选取的扭曲规律求解径向平衡方程，得到各级进口预旋分布；
(2)初始二维通流设计求解：同样以一维反问题设计结果作为依据，给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的恒定分布，采用流线曲率法进行反问题求解，计算多级压气机动静叶排沿展向的气动参数分布，从而得到初始二维通流设计方案；
(3)基于三维数据的参数缩放：基于二维通流设计方案进行叶片造型以及多级轴流压气机的三维数值模拟，并将三维流场结果进行周向平均，得到周向平均后压气机气动参数主要是动叶效率以及静叶总压恢复系数即代表流动损失的参数沿径向的分布，通过数值维度缩放，将三维数据返回至二维通流设计中的展向损失参数中；
(4)基于缩放数据的二维通流设计：使用三维缩放数据替代初始展向损失设计参数，重新采用流线曲率法进行反问题求解，计算得到缩放后的多级压气机动静叶排展向气动参数分布；
(5)通过缩放设计实现步骤(3)-(4)的迭代，直至前后两次二维通流设计中的输入参数基本吻合，动叶效率数值相差在0.2％以内，即获得最终的二维通流设计方案。
本发明还包括：
步骤(3)中，叶片造型通过给定各叶片攻角落后角来确定，而落后角的确定是通过基于二维设计结果的落后角经验模型经过修正计算得到。
步骤(3)中，采用的方法为通过对三维结果进行周向平均，从而实现数据的降维，而周向平均后的各列动静叶损失参数通过动叶效率及静叶总压恢复系数来体现，这样就可以完成从三维流场中提取二维展向损失设计参数的目的，具体方法如下：
根据各列叶片进出口总压、总温以及密流，可以计算出动叶效率以及静叶总压恢复系数沿径向的分布。但三维结果中得到的损失参数包括了端壁粘性附面层所造成的边界层损失突变，而二维通流设计是无粘的，因此需要对三维结果中由于粘性边界层造成的损失部分进行剔除处理。粘性边界层的提取位置主要由各列叶片流动损失参数在端区出现的极大值位置来对各列叶片的粘性边界层位置进行确定。
确定好需要剔除的粘性端区位置后，对主流核心区的参数进行等比例插值，等间隔选取12个参数即代表二维通流设计的输入参数，此时二维通流设计中的展向损失参数即为包含了各种流动损失的真实参数。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：
1、本发明提出的基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，使用跨维度缩放的方法来实现轴流压气机端区的精细化造型和性能预测，在保证设计质量的同时缩短轴流压气机的设计周期。
2、本发明提出的基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，将高维度数据向低维度传递，可以提高低维度压气机设计的精细化程度继而提升轴流压气机设计或轴流压气机性能预测的准确度，使初期低维度流场计算更符合三维计算结果，使设计得到的压气机具有更好的气动性能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2a为压气机反动度分布；
图2b为压气机静叶稠度分布；
图2c为压气机动叶稠度分布；
图2d为压气机动叶流量系数分布；
图2e为压气机静叶流量系数分布；
图2f为压气机环量分布；
图2g为压气机动叶进口马赫数分布；
图2h为压气机静叶进口马赫数分布；
图2i为压气机静叶扩压因子分布；
图2j为压气机动叶扩压因子分布；
图3a为实施例缩放前后动叶效率的变化；
图3b为实施例缩放前后静叶总压恢复系数的变化；
图4a为压气机反动度分布；
图4b为压气机静叶稠度分布；
图4c为压气机动叶稠度分布；
图4d为压气机动叶流量系数分布；
图4e为压气机静叶流量系数分布；
图4f为压气机环量分布；
图4g为压气机动叶进口马赫数分布；
图4h为压气机静叶进口马赫数分布；
图4i为压气机静叶扩压因子分布；
图4j为压气机动叶扩压因子分布；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理进行说明：
如图1，一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：初始设计。首先基于一维反问题计算所得到的中径位置参数进行多级轴流压气机二维通流设计中的展向扭曲规律设计，并依据所选取的扭曲规律求解径向平衡方程，得到各级进口预旋分布。
步骤二：初始二维通流设计求解。同样以一维反问题设计结果作为依据，给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的恒定分布，采用流线曲率法进行反问题求解，计算多级压气机动静叶排沿展向的气动参数分布，从而得到初始二维通流设计方案。
步骤三：基于三维数据的参数缩放。基于二维通流设计方案进行叶片造型以及多级轴流压气机的三维数值模拟，并将三维流场结果进行周向平均，得到周向平均后压气机气动参数主要是动叶效率以及静叶总压恢复系数即代表流动损失的参数沿径向的分布，通过数值维度缩放，将三维数据返回至二维通流设计中的展向损失参数中。
该步骤中叶片造型通过给定各叶片攻角落后角来确定，而落后角的确定是通过基于二维设计结果的落后角经验模型经过修正计算得到。
该步骤采用的方法为通过对三维结果进行周向平均，从而实现数据的降维，而周向平均后的各列动静叶损失参数通过动叶效率及静叶总压恢复系数来体现，这样就可以完成从三维流场中提取二维展向损失设计参数的目的，具体方法如下：
根据各列叶片进出口总压、总温以及密流，可以计算出动叶效率以及静叶总压恢复系数沿径向的分布。但三维结果中得到的损失参数包括了端壁粘性附面层所造成的边界层损失突变，而二维通流设计是无粘的，因此需要对三维结果中由于粘性边界层造成的损失部分进行剔除处理。粘性边界层的提取位置主要由各列叶片流动损失参数在端区出现的极大值位置来对各列叶片的粘性边界层位置进行确定。
确定好需要剔除的粘性端区位置后，对主流核心区的参数进行等比例插值，等间隔选取12个参数即代表二维通流设计的输入参数，此时二维通流设计中的展向损失参数即为包含了各种流动损失的真实参数。
步骤四：基于缩放数据的二维通流设计。使用三维缩放数据替代初始展向损失设计参数，重新采用流线曲率法进行反问题求解，计算得到缩放后的多级压气机动静叶排展向气动参数分布。
步骤五：通过缩放设计实现步骤三到步骤四的迭代，直至前后两次二维通流设计中的输入参数基本吻合，动叶效率数值相差在0.2％以内，即获得最终的二维通流设计方案。以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例：
首先根据一维设计结果进行二维反问题通流设计，包括展向扭曲规律设计以及展向损失参数设计。扭曲规律设计通过给定各级进口预旋获得，损失参数则通过动叶效率及静叶总压恢复系数给定。
一维设计结果主要参数如下表1所示：
表1一维设计结果主要参数
Figure BDA0003732382160000051
设置动叶叶顶预旋-10m/s，基于径向平衡方程得到各个叶高截面的预旋分布，如表2所示。动静叶损失参数分布依照一维数据给出。
表2叶高截面的预旋分布
Figure BDA0003732382160000052
随后基于流线曲率法进行二维反问题计算，得到二维通流设计方案结果，如图2a到图2j所示。
基于二维设计结果进行叶片造型，并进行三维计算。将经过处理后的三维径向参数缩放返回二维通流设计输入参数中，替代原有的展向损失参数再次进行二维反问题计算，图3a图3b表示缩放前后径向损失参数的变化，图4a到图4j为缩放后二维反问题计算结果。
对得到的结果进行二次三维计算以及周向平均。若此时的流场径向参数与二维输入参数分布相符合，则代表缩放设计的完成，否则继续重复上述步骤至三维流场径向参数与二维输入参数分布相符为止。
上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
本发明提出的基于三维数据缩放的轴流压气机通流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)

1.一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)初始设计：首先基于一维反问题计算所得到的中径位置参数进行多级轴流压气机二维通流设计中的展向扭曲规律设计，并依据所选取的扭曲规律求解径向平衡方程，得到各级进口预旋分布；
(2)初始二维通流设计求解：同样以一维反问题设计结果作为依据，给定动叶效率与静叶总压恢复系数沿径向的恒定分布，采用流线曲率法进行反问题求解，计算多级压气机动静叶排沿展向的气动参数分布，从而得到初始二维通流设计方案；
(3)基于三维数据的参数缩放：基于二维通流设计方案进行叶片造型以及多级轴流压气机的三维数值模拟，并将三维流场结果进行周向平均，得到周向平均后压气机气动参数，为动叶效率以及静叶总压恢复系数即代表流动损失的参数沿径向的分布，通过数值维度缩放，将三维数据返回至二维通流设计中的展向损失参数中；
(4)基于缩放数据的二维通流设计：使用三维缩放数据替代初始展向损失设计参数，重新采用流线曲率法进行反问题求解，计算得到缩放后的多级压气机动静叶排展向气动参数分布；
(5)通过缩放设计实现步骤(3)-(4)的迭代，直至前后两次二维通流设计中的输入参数基本吻合，动叶效率数值相差在0.2％以内，即获得最终的二维通流设计方案。
2.根据权利要求所述的一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，其特征是：步骤(3)中，叶片造型通过给定各叶片攻角落后角来确定，而落后角的确定是通过基于二维设计结果的落后角经验模型经过修正计算得到。
3.根据权利要求所述的一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法，其特征是：步骤(3)，采用的方法为通过对三维结果进行周向平均，从而实现数据的降维，而周向平均后的各列动静叶损失参数通过动叶效率及静叶总压恢复系数来体现，完成从三维流场中提取二维展向损失设计参数的目的，具体方法如下：
根据各列叶片进出口总压、总温以及密流，计算出动叶效率以及静叶总压恢复系数沿径向的分布；但对三维结果中由于粘性边界层造成的损失部分进行剔除处理；粘性边界层的提取位置由各列叶片流动损失参数在端区出现的极大值位置来对各列叶片的粘性边界层位置进行确定；
确定好需要剔除的粘性端区位置后，对主流核心区的参数进行等比例插值，等间隔选取12个参数即代表二维通流设计的输入参数，此时二维通流设计中的展向损失参数即为包含了各种流动损失的真实参数。
CN202210796604.6A 2022-07-06 2022-07-06 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法 Pending CN115169039A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210796604.6A CN115169039A (zh) 2022-07-06 2022-07-06 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210796604.6A CN115169039A (zh) 2022-07-06 2022-07-06 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115169039A true CN115169039A (zh) 2022-10-11

Family

ID=83490651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210796604.6A Pending CN115169039A (zh) 2022-07-06 2022-07-06 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115169039A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118504172A (zh) * 2024-07-10 2024-08-16 中国长江动力集团有限公司 一种基于抛物线流型的密流可控涡叶片设计方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118504172A (zh) * 2024-07-10 2024-08-16 中国长江动力集团有限公司 一种基于抛物线流型的密流可控涡叶片设计方法
CN118504172B (zh) * 2024-07-10 2024-09-20 中国长江动力集团有限公司 一种基于抛物线流型的密流可控涡叶片设计方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112528575B (zh) 一种船舶燃气轮机多级轴流压气机多维度协同设计方法
CN110929357A (zh) 一种高性能舰船燃机压气机气动设计方法
CN112685968B (zh) 基于空间负荷定制思想的轴流压气机气动设计方法
CN112685851B (zh) 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
CN107679319B (zh) 一种叶轮机通流模型中周向脉动应力项的代数建模方法
CN112287580B (zh) 一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法
US7941300B1 (en) Process for the design of an airfoil
CN112685852B (zh) 一种轴流压气机负荷定制化气动优化方法
CN111027148B (zh) 损失落后角模型自动标定及工业轴流压缩机性能计算方法
CN113434965B (zh) 一种基于三维流场分析的船舶燃机压气机性能优化方法
CN112685855A (zh) 一种轴流压气机叶型攻角落后角计算方法
CN109578085B (zh) 一种通过导叶倾斜减弱涡轮动叶非定常作用力的方法
CN105134409A (zh) 超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法
CN115169039A (zh) 一种基于三维数据缩放的轴流压气机通流设计方法
Yang et al. Hydraulic components’ matching optimization design and entropy production analysis in a large vertical centrifugal pump
CN112699503A (zh) 一种基于无量纲负荷控制参数的轴流压气机s2反问题设计方法
CN114186513A (zh) 一种具有反s型前缘的轴流压气机叶片造型设计方法
Goryachkin et al. Three-stage low pressure compressor modernization by means of optimization methods
CN113569498A (zh) 一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法
CN115270318B (zh) 一种船用燃气轮机轴流压气机跨音级动叶片造型方法
Baturin et al. Identifying the approach to significantly improve the performance of NK-36ST gas turbine power plant
CN115270343A (zh) 轴流涡轮一维反问题高可靠度气动设计方法
von Jeinsen et al. A Numerical Design Space Investigation of Low-Speed Axial Compressor Stages Using Single-Row and Tandem Bladings
Qiu et al. An integrated design system for turbomachinery
Li et al. The optimization of a centrifugal impeller based on a new multi-objective evolutionary strategy

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination