[发明专利]一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法

摘要

本发明提供了一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法，对给定的轴流压气机叶片几何，采用RANS方法，进行全三维粘性内流场数值模拟，根据数值模拟结果，构造静叶各设计截面设计目标载荷，对于转子，计算得到动叶设计截面目标载荷分布，给定出口流量边界条件，保证优化前后流量不变，即达到最终完成压气机整体级间匹配改型设计的目的。本发明可对轴流压气机静子出口旋流角分布及转子压比分布在全三维环境下同时完成定量设计，从而可对轴流压气机转子及静子同时完成改型，突破了传统轴流压气机气动匹配改型技术不可同时对动、静叶进行匹配改型的局限，得到较为理想的气动匹配效果。

主权项

1.一种轴流压气机全三维级间气动匹配优化方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：已知全三维轴流压气机叶片空间几何构型坐标，称其为初始叶片几何，给定其进口总温T0，进口总压P0，进口气流角α及出口背压p，对给定的轴流压气机叶片几何，采用数值求解雷诺时均Navier‑Stokes方程(RANS)方法，空间离散采用基于网格体中心的JST格式，时间推进采用混合显示Rugge‑Kutta时间推进格式，湍流模型采用B‑L代数湍流模型，进行全三维粘性内流场数值模拟，得到其初始叶片几何流场数值模拟结果，沿空间展向位置，分别对转子及静子选取叶高展向高度与叶高高度比分别为0％，10％，70％及100％的四个空间展向位置作为设计叶高截面，在各设计叶高截面上，沿轴向位置将叶片等分为40‑50等份，对于转子及静子，分别计算其四个设计截面上的叶型厚度分布δ，如式(1)所示：δ＝|P+‑P‑|  (1)其中，P+为叶片吸力面空间坐标，P‑为叶片压力面空间坐标；采用公式(2)计算得到动叶或静叶设计截面叶片中弧线的改型虚拟位移；首先对于静叶，采用式(2)计算得到其中弧线改型虚拟位移vn：式中，Δpsp为设计人员在设计之初需给定的动叶或静叶叶片表面设计目标载荷，p+为动叶或静叶吸力面数值模拟得到的静压，p‑为动叶或静叶压力面数值模拟得到的静压，ρ+和ρ‑分别为动叶或静叶吸、压力面数值模拟得到的密度，c+和c‑分别为动叶或静叶吸、压力面数值模拟得到的声速，Δt为虚拟时间步长，取1e‑5‑1e‑6；步骤2：完成静叶初始几何内流场数值模拟后，根据数值模拟结果，构造静叶各设计截面设计目标载荷，完成静叶设计目标载荷Δpsp构造后，将设计目标载荷Δpsp带入公式(2)，计算得到静叶中弧线改型虚拟位移，其中，静叶各设计截面设计目标载荷分布的构造方法如下：给定叶片前缘点和尾缘点的设计目标载荷均为0，步骤1中采用解RANS方程的数值模拟方法，已得到初始叶片几何各位置处的载荷，故对步骤1中所选定的四个设计叶高截面，以10％初始叶片几何轴向位置处数值模拟得到的载荷、给定的前缘点载荷及给定的尾缘点载荷作为构造基点，采用样条函数构造得到步骤1中所选定的各设计叶高截面的各轴向位置处的目标载荷，得到目标载荷后，采用复化梯形数值求积方法计算设计目标载荷分布沿轴向的积分，并与初始叶片几何载荷分布沿轴向的积分做对比，若设计目标载荷分布积分大于初始叶片几何载荷分布沿轴向积分，则对设计目标载荷分布上各点的载荷数值进行缩小，直至设计目标载荷积分与初始叶片几何载荷分布沿轴向积分相等；若设计目标载荷分布积分小于初始叶片几何载荷分布沿轴向积分，则对设计目标载荷分布上各点的载荷数值进行放大，直至设计目标载荷积分与初始叶片几何载荷分布沿轴向积分相等，通过上述调整设计目标载荷积分大小的手段，保证静子出口旋流角保持不变，调整得到设计目标载荷分布后，采用式(2)计算得到各设计截面中弧线虚拟位移，在叶片各设计截面初始中弧线坐标的基础上，叠加计算得到的中弧线改型虚拟位移，得到更新的中弧线空间位置坐标，之后在中弧线上叠加静叶设计截面厚度分布，得到更新的静子设计截面叶型，完成静子各设计截面几何改型；步骤3：对于转子，根据步骤(1)中数值模拟所得结果，保证0％、70％及100％叶高位置处压比不变，调整10％设计截面数值模拟所得的压比，使其与70％设计截面压比相等，之后根据0％，10％，70％，100％四个叶高位置处的压比，采用分段线性插值构造动叶设计压比曲线分布，得到各设计截面设计压比，计算各设计截面设计压比的算数平均值；在步骤1中已采用数值模拟方法得到了初始叶片内流场的各种流场参数，提取初始叶片几何模拟结果中各设计截面压比的算数平均值，并与所构造的设计压比算数平均值对比，若设计压比算数平均值大于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值，则对各设计截面设计压比数值进行缩小，直到设计压比算数平均值等于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值；若设计压比算数平均值小于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值，则对各设计截面设计压比数值进行放大，直到设计压比算数平均值等于初始叶片几何数值模拟所得的压比算数平均值，采用上述调整设计压比分布的手段，保证优化前后压气机压比不变，完成动叶设计压比分布调整后，根据公式(3)计算得到动叶设计截面目标载荷分布：式中，Δpsp为叶片表面目标载荷，G为动叶流量，Cp为空气定压比热容，T1*为动叶进口总温，ω为动叶转动角速度，η*为动叶绝热效率，Δpi为动叶表面实际载荷，Aθi为动叶中弧线切向投影面积，πcsp*为动叶设计压比，πc*为动叶实际压比，k为比热比常数，取1.4；LE和TE分别代表叶片的前、后缘，ri为设计截面展向高度坐标；根据式(3)求得动叶各设计截面目标载荷分布，之后根据式(2)求得动叶各设计截面中弧线虚拟位移，与步骤(2)中得到静叶最终叶型的方法相同，在动叶各设计截面原始中弧线空间位置坐标的基础上，叠加中弧线虚拟位移，更新得到改型动叶中弧线空间位置坐标，之后在更新得到的动叶中弧线上叠加动叶设计截面厚度分布，得到更新的动叶设计截面叶型，完成动叶各设计截面几何改型；步骤4：给定出口流量边界条件，保证优化前后流量不变，出口流量边界条件给定如下：由式(4)可知，通过实际计算流量mactual和规定设计流量mimposed的差距，在初始背压pbold的基础上，自动完成出口背压pbnew的调节，最终满足流量设计要求，式中ω为调节松弛因子；按照上述四个步骤，分别完成静叶和动叶的气动匹配改型，即达到最终完成压气机整体级间匹配改型设计的目的。