CN115374576A - 用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法，应用于叶轮机械领域。该方法包括：根据压气机叶片和机匣处理模型，分别确定叶片和机匣处理参数化方法，借助采样技术获得初始参数集，借助先进优化算法在压气机效率不降的条件下，获得宽稳定裕度的设计。该方法能够耦合叶片与机匣处理的相互作用，大大提高机匣处理的适应性，使得压气机在更宽的工作范围内稳定运行，节省研制成本。

Description

用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法
技术领域
本发明涉及叶轮机械领域，更具体地，涉及用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法。
背景技术
近年来，航空发动机正朝着高推重比、低耗油率方向快速发展，压气机级负荷不断提升，内部流动更为复杂，对气动稳定性提出了更高的需求。当压气机的工作状态由设计点靠近喘振边界时，主要存在两种典型流动失稳现象，旋转失速（Rotating stall）和喘振（Surge）。就旋转失速而言，行业界普遍承认的失速先兆形式有两种：大尺度模态型失速先兆和小尺度突尖型失速先兆。现代高负荷压气机失稳特征以突尖型失速先兆为主。针对流动稳定性难题，航空压气机扩稳技术主要包括主动控制和被动控制两种手段。相比于尚停留在实验室研究阶段的主控控制而言，被动控制研究较早，并且已经应用于多种发动机型号中。多级轴流压气机中间级放气法、可调导静叶调节、大小叶片设计均被用于压气机稳定性调控中，但同时也不同程度的增加了机构的复杂性。二十世纪六十年代偶然发现的机匣处理由于结构简单、成本低廉、抗畸变能力强等优点，已成为叶轮机械领域应用最为广泛的扩稳技术之一，目前以轴向缝和周向槽的研究最为广泛。
为了提升压气机的稳定性，相关技术人员对轴向缝和周向槽提出了较多的扩稳方案，但囿于测量手段和扩稳机理认知的局限性，难以形成机匣处理普适性设计准则，尚未找到一种叶片与机匣处理耦合设计方法，以提高压气机的稳定裕度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法，方法包括：
根据压气机叶片和机匣处理模型，确定压气机叶片与机匣处理的参数化方法，确定参数集；借助采样方法获得初代种群Ni，其中i=1,2,……,N，其中N为初代种群的数量；
针对原型光壁压气机进行RANS数值模拟，获得全流量工况下压升系数-流量系数和效率-流量系数特性线，确定原型光壁压气机近失速流量工况的流量m𝑁𝑆和峰值效率工况的流量mPE；
针对初代种群的N种叶片与机匣处理一体化扩稳设计方案，给定近失速流量工况的流量m𝑁𝑆和峰值效率工况下的流量mPE的流量边界条件进行两次RANS计算，分别提取动叶端区轴向动量的钟形分布曲线和压气机出口效率，获得初代种群的适应度：裕度特征量Mi和效率特征量Pi；
以初代种群构建代理模型，采用多目标优化算法，获得pareto前沿，在效率特征量不降的条件下，寻找裕度特征量最大的设计。
根据本发明的实施例，所述参数化方法为自由变形技术，依据变形约束条件，得到所述参数集；所述参数集包括动叶端区参数集和机匣处理参数集，其中，所述叶端区参数集包括叶片前缘弯、叶片尾缘弯、叶片前缘掠、叶片尾缘掠和叶片旋转，所述机匣处理参数集包括轴向缝弯、轴向缝掠、轴向缝旋转、轴向缝高度和周向槽缩放。
根据本发明的实施例，所述变形约束条件包括：叶片前缘弯的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片尾缘弯的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片前缘掠的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片尾缘掠的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片旋转的控制点变化区间为-60°~60°，轴向缝弯的控制点变化区间为-15%~15%叶顶轴向弦长，轴向缝掠的控制点变化区间为-15%~15%叶顶轴向弦长，轴向缝旋转的控制点变化区间为-60°~60°，轴向缝高度的控制点变化区间为5%~20%叶顶轴向弦长，周向槽缩放的控制点变化区间为4.4%~17.8%叶顶轴向弦长。
根据本发明的实施例，所述采样方法为拉丁超立方采样，得到初代种群Ni，其中i=1,2,……,N。
根据本发明的实施例，所述RANS数值模拟包括：
利用网格划分技术处理所述压气机叶片和机匣处理，其中对近壁处网格进行加密处理，获得全三维计算网格；
利用湍流模型计算求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程，获得全流量工况下压升系数-流量系数和效率-流量系数特性线。
根据本发明的实施例，所述近失速流量工况位于压升系数-流量系数特性线最左端，所述峰值效率工况位于效率-流量系数特性线最顶端。
根据本发明的实施例，所述裕度特征量Mi的提取包括：
基于离散条件，对动叶端区划分离散控制体，其中，所述离散条件包括：控制体径向自机匣内壁向轮毂延伸20%叶高，控制体轴向覆盖前缘和尾缘，涵盖叶顶泄漏流影响区域；分别求解通过各离散控制体的轴向动量，沿轴向累加，获得轴向动量钟形分布曲线，累加轴向动量最大值对应的轴向位置即为裕度特征量Mi。
根据本发明的实施例，所述效率特征量Pi为峰值效率工况对应的效率。
根据本发明的实施例，所述代理模型为克里金模型，所述多目标优化算法为NSGA-Ⅱ优化算法，包括快速非支配排序在全局搜索非劣解集，密度估计函数分析设计方案在设计空间的疏密程度；采用克里金代理模型对适应度函数进行预测，加速优化的收敛，提升模型的精度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施例的压气机叶片与机匣处理在子午方向上的结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的叶片端区控制体的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的轴向缝控制体的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的离散控制体子午示意图；
图6示出了根据本发明实施例的离散控制体三维示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
针对压气机的流动稳定性难题，航空压气机扩稳技术主要包括主动控制和被动控制两种手段。相比于尚停留在实验室研究阶段的主控控制而言，被动控制研究较早，并且已经应用于多种发动机型号中。
多级轴流压气机中间级放气法、可调导静叶调节、大小叶片设计均被用于压气机稳定性调控中，但同时也不同程度的增加了机构的复杂性。后来发现的机匣处理方式由于结构简单、成本低廉、抗畸变能力强等优点，已成为叶轮机械领域应用最为广泛的扩稳技术之一，目前以轴向缝和周向槽的研究最为广泛。
相关技术发现轴向缝的扩稳能力最为突出，但对效率的负面影响也最大，而周向槽的扩稳能力虽然没有轴向缝那么明显，但对效率的负面影响比较小。针对两类机匣处理构型，研究人员进行了大量参数化试验研究，包括轴向缝的型线、轴向位置、开孔率以及槽的轴向位置、数量等等，从而取得了显著的成果。而且实验结果表明，轴向缝机匣处理能够获得20%左右裕度提升，但对峰值效率的损失也达到了10%，而周向槽能够在不降低或者较小降低峰值效率的情况下，获得10%的稳定裕度拓宽量。
无论是轴向缝还是周向槽亦或是前缝后槽机匣处理扩稳方案，研究人员均开展了大量数值计算和试验研究。但囿于测量手段和扩稳机理认知的局限性，难以形成机匣处理普适性设计准则。目前尚未找到一种与叶片耦合设计的机匣处理，叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法仍处于空白阶段。
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法。该方法包括：根据压气机叶片和机匣处理模型，分别确定叶片和机匣处理参数化方法，借助采样技术获得初始参数集，借助先进优化算法在压气机效率不降的条件下，获得宽稳定裕度的设计。
图1示出了根据本发明实施例的压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法的流程图。
如图1所示，用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法可以包括操作S101~S104。
在操作S101，根据初始压气机叶片和机匣处理模型，确定参数化方法及设计变量，借助先进抽样方法获得初代种群，其中i=1,2,……,N，其中N为初代种群的数量。
在操作S102，对原型光壁压气机进行数值模拟，获得全工况压升系数-流量系数、效率-流量系数特性线，确定原型光壁压气机的近失速流量工况的流量m𝑁𝑆和峰值效率工况的流量mPE。
在操作S103，针对初代种群中叶片与机匣处理一体化扩稳设计方案，分别给定m𝑁𝑆和mPE流量边界条件进行两次RANS数值模拟，分别提取动叶端区轴向动量的钟形分布曲线和压气机出口效率，获得初代种群的适应度：裕度特征量和效率特征量。
在操作S104，以初代种群构建代理模型，采用多目标优化算法，获得pareto前沿，在效率特征量不降的条件下，寻找裕度特征量最大的设计。
根据本发明的实施例，压气机可以包括但不限于轴流压气机、斜流压气机和离心压气机等。
图2示出了根据本发明实施例的压气机叶片与机匣处理在子午方向上的结构示意图。
在一种示例性的实施例中，选取一典型叶尖敏感型低速轴流压气机孤立转子，评估叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法。初始压气机叶片为轴流压气机孤立转子，其设计参数如表1所示。初始机匣处理为前缝后槽机匣处理，其设计参数如表2所示。初始轴向缝位于叶片前缘，初始周向槽位于叶中，初始前缝后槽机匣处理子午方向示意图如图2所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
根据本发明的实施例，根据压气机叶片和机匣处理模型，采用自由变形技术实现叶片和机匣处理的参数化方法，包括如下操作：
根据初始压气机叶片和机匣处理模型，构建叶片端区控制体和轴向缝控制体。
图3示出了根据本发明实施例的叶片端区控制体的示意图。图4示出了根据本发明实施例的轴向缝控制体的示意图。
其中叶片端区控制体囊括80%叶高以上的叶片几何，以涵盖叶顶泄漏流和机匣处理循环流的影响区域。轴向缝控制体囊括整个轴向缝，并且沿径向和周向均有延伸，保证自由变形后的轴向缝仍能与机匣壁面相交。依据变形约束条件，获得动叶端区参数集和机匣处理参数集。其中，动叶端区参数集包括叶片前缘弯、叶片尾缘弯、叶片前缘掠、叶片尾缘掠和叶片旋转，机匣处理参数集包括轴向缝弯、轴向缝掠、轴向缝旋转、轴向缝高度和周向槽缩放。
依据公开的实施例，变形约束条件可以包括：叶片前缘弯的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片尾缘弯的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片前缘掠的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片尾缘掠的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片旋转的控制点变化区间为-60°~60°，轴向缝弯的控制点变化区间为-15%~15%叶顶轴向弦长，轴向缝掠的控制点变化区间为-15%~15%叶顶轴向弦长，轴向缝旋转的控制点变化区间为-60°~60°，轴向缝高度的控制点变化区间为-5%~20%叶顶轴向弦长，周向槽缩放的控制点变化区间为4.4%~17.8%叶顶轴向弦长。
需要说明的是，上述变形约束条件中涉及的百分比可以根据实际需求具体设定，上述仅作为示例对本实施例进行了说明。
根据本发明的实施例，自由变形技术（Free-Form Deformation，FFD）是编辑几何模型的重要手段，其原理是把几何模型嵌入到变形空间，然后通过操作变形空间来使得嵌入其中的几何模型发生变形。自由变形技术在变形过程中能够保持较高精度的几何连续性，能够通过较少的设计参数实现了叶片端区和轴向缝的高自由度变形，扩宽了设计空间。
依据本发明的实施例，利用拉丁超立方采样技术获得初代种群Ni，其中i=1,2,……,n。拉丁超立方采样方法（Latin Hypercube Sampling， LHS）是一种从多元参数分布中近似随机抽样的方法，属于分层抽样技术。
依据本发明的实施例，针对原型光壁机匣进行RANS数值模拟，获得原型光壁压气机近失速工况的流量m𝑁𝑆和峰值效率工况的流量mPE，包括如下操作：
利用网格划分技术处理所述压气机叶片和机匣处理，其中对近壁处网格进行加密处理，获得全三维计算网格；
利用湍流模型计算求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程，获得全流量工况下压升系数-流量系数和效率-流量系数特性线。
根据本发明的实施例，利用网格划分技术在转子域生成网格，网格的拓扑结构可以为HOH型，近壁网格采用加密处理，网格正交性大于30°，第一层网格距离壁面3mm，保证y+＜2，满足湍流模型计算需求。
依据本发明的实施例，采用湍流模型求解单通道三维雷诺平均Navier-Stokes方程，其中，湍流模型可以为shear-stress-transport湍流模型，进口给定大气总温总压边界条件，出口给定平均静压，壁面给定无滑移边界条件，逐渐增加出口背压，获得全流量工况下压升系数-流量系数和效率-流量系数特性线。
依据本发明的实施例，原型光壁压气机近失速流量工况位于压升系数-流量系数特性线最左端，峰值效率工况位于效率-流量系数特性线最顶端。
依据本发明的实施例，针对初代种群的N种叶片与机匣处理一体化扩稳设计方案，给定m𝑁𝑆流量边界条件进行RANS数值模拟，提取动叶端区轴向动量的钟形分布曲线，获得初代种群的第一个适应度：裕度特征量Mi；给定mPE流量边界条件进行RANS数值模拟，提取压气机出口效率，获得初代种群的第二个适应度：效率特征量Pi。
依据本发明的实施例，裕度特征量的提取包括如下操作：
基于离散条件，对动叶端区划分离散控制体，其中，所述离散条件包括：控制体径向自机匣内壁向轮毂延伸20%叶高，控制体轴向覆盖前缘和尾缘，涵盖叶顶泄漏流影响区域；分别求解通过各离散控制体的轴向动量，沿轴向累加，获得轴向动量钟形分布曲线，累加轴向动量最大值对应的轴向位置即为裕度特征量Mi。
依据本发明的实施例，依据m𝑁𝑆流量边界条件计算出的流场结果，在叶片端区构建m个离散控制体，求解每个离散控制体的轴向动量，记为Rj，其中 j=1,2,…m。
图5示出了根据本发明实施例的离散控制体子午示意图。图6示出了根据本发明实施例的离散控制体三维示意图。
依据本发明的实施例，离散控制体径向自机匣壁向轮毂侧延伸20%叶高，涵盖叶顶泄漏流影响区域；轴向自前缘至尾缘覆盖整个叶顶；周向覆盖一个叶珊距离，满足周期性边界条件。离散控制体子午示意图如图5所示，离散控制体三维示意图如图6所示。
依据本发明的实施例，离散控制体的轴向动量求解方程Rj如公式（1）：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为流体的密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为控制面的面积，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为流体在相对坐标系下的速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为 控制体控制面的外法线矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为相对坐标系下的轴向速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表 征通过控制体左侧面的轴向动量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表征通过控制体右侧面的轴向 动量，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表征通过控制体底面的轴向动量，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表征通过控制体机匣面的轴向动量。
获得离散控制体轴向动量后，以轴向位置为横坐标，以该轴向位置前全部控制体轴向动量累加和为纵坐标绘制钟形分布曲线，寻找累加轴向动量最大值对应的轴向位置，作为裕度特征量Mi，衡量优化方案的扩稳能力。
依据本发明的实施例，效率特征量的提取包括如下操作：
依据mPE流量边界条件计算出的流场结果，直接提取压气机出口效率，作为效率特征量。
根据本发明的实施例，获取初代种群设计参数和适应度后，采用多目标优化算法进行寻优，找到效率不降，稳定裕度拓宽最大的设计。优化算法可以为NSGA-Ⅱ优化算法。优化算法中包括快速非支配排序能够在全局搜索非劣解集，包括密度估计函数分析设计方案在设计空间的疏密程度。采用克里金代理模型对适应度函数进行预测，加速优化的收敛，优化过程中通过多轮加点提升模型精度。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法，其特征在于，所述方法包括：
根据压气机叶片和机匣处理模型，确定压气机叶片与机匣处理的参数化方法，确定参数集；借助采样方法获得初代种群Ni，其中i=1,2,……,N，其中N为初代种群的数量；
针对原型光壁压气机进行RANS数值模拟，获得全流量工况下压升系数-流量系数和效率-流量系数特性线，确定原型光壁压气机近失速流量工况的流量m𝑁𝑆和峰值效率工况下的流量mPE；
针对初代种群的N种叶片与机匣处理一体化扩稳设计方案，给定近失速流量工况的流量m𝑁𝑆和峰值效率工况下的流量mPE的流量边界条件进行两次RANS数值模拟，分别提取动叶端区轴向动量的钟形分布曲线和压气机出口效率，获得初代种群的适应度：裕度特征量Mi和效率特征量Pi；
以初代种群构建代理模型，采用多目标优化算法，获得pareto前沿，在效率特征量不降的条件下，寻找裕度特征量最大的设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数化方法为自由变形技术，依据变形约束条件，得到所述参数集；所述参数集包括动叶端区参数集和机匣处理参数集，其中，所述动叶端区参数集包括叶片前缘弯、叶片尾缘弯、叶片前缘掠、叶片尾缘掠和叶片旋转，所述机匣处理参数集包括轴向缝弯、轴向缝掠、轴向缝旋转、轴向缝高度和周向槽缩放。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述变形约束条件包括：叶片前缘弯的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片尾缘弯的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片前缘掠的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片尾缘掠的控制点变化区间为-10%~25%叶顶轴向弦长，叶片旋转的控制点变化区间为-60°~60°，轴向缝弯的控制点变化区间为-15%~15%叶顶轴向弦长，轴向缝掠的控制点变化区间为-15%~15%叶顶轴向弦长，轴向缝旋转的控制点变化区间为-60°~60°，轴向缝高度的控制点变化区间为5%~20%叶顶轴向弦长，周向槽缩放的控制点变化区间为4.4%~17.8%叶顶轴向弦长。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样方法为拉丁超立方采样，得到初代种群Ni，其中i=1,2,……,N。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RANS数值模拟包括：
利用网格划分技术处理所述压气机叶片和机匣处理，其中对近壁处网格进行加密处理，获得全三维计算网格；
利用湍流模型计算求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程，获得全流量工况下压升系数-流量系数和效率-流量系数特性线。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述近失速流量工况位于压升系数-流量系数特性线最左端，所述峰值效率工况位于效率-流量系数特性线最顶端。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述裕度特征量Mi的提取包括：
基于离散条件，对动叶端区划分离散控制体，其特征在于，所述离散条件包括：控制体径向自机匣内壁向轮毂延伸20%叶高，控制体轴向覆盖前缘和尾缘，涵盖叶顶泄漏流影响区域；分别求解通过各离散控制体的轴向动量，沿轴向累加，获得轴向动量钟形分布曲线，累加轴向动量最大值对应的轴向位置即为裕度特征量Mi。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述效率特征量Pi为峰值效率工况对应的效率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述代理模型为克里金模型，所述多目标优化算法为NSGA-Ⅱ优化算法，包括快速非支配排序在全局搜索非劣解集，密度估计函数分析设计方案在设计空间的疏密程度；采用克里金代理模型对适应度函数进行预测。
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